Классификация металлов и их сплавов

1. Металлы

Металлическое состояние объясняется электронным строением. Элементы металла, вступая в химическую реакцию с элементами, являющимися неметаллами, отдают им свои внешние, так называемые валентные электроны. Это является следствием того, что у металлов внешние электроны непрочно связаны с ядром; кроме того, на наружных электронных оболочках немного (всего 1–2), тогда как у неметаллов электронов много (5–8).

Все элементы, расположенные левее галлииндия и таллия – металлы, а правее мышьяка, сурьмы и висмута – неметаллы.

В технике под неметаллом понимают вещества, обладающие «металлическим блеском» и пластичностью – характерные свойства.

Кроме этого все металлы обладают высокой электропроводностью и теплопроводностью.

Особенность строения металлических веществ заключается в том, что все они построены в основном из легких атомов, у которых внешние электроны слабо связаны с ядром. Это обуславливает особый характер взаимодействия атомов металла и металлические свойства. Металлы являются хорошими проводниками электрического тока.

Из известных (к 1985 г.) 106 химических элементов 83 – металлы.

2. Классификация металлов

Каждый металл отличается строением и свойствами от другого, тем не менее, по некоторым признакам их можно объединить в группы.

Данная классификация разработана русским ученым Гуляевым А.П. и может не совпадать с общепринятой.

Все металлы можно разделить на две большие группы – черные и цветные металлы.

Черные металлы чаще всего имеют темно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочно-земельных), высокую температуру плавления, относительно высокую твердость. Наиболее типичным металлом этой группы является железо.

Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую и белую. Обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления. Наиболее типичным элементом этой группы является медь.

Черные металлы в свою очередь можно подразделить следующим образом:

1. Железные металлы – железо, кобальт, никель (так называемые ферромагнетики) и близкий к ним по свойствам марганец. Co, Ni, Mu часто применяют как добавки к сплавам железа, а также в качестве основы для соответствующих сплавов, похожих по своим свойствам на высоколегированные стали.

2. Тугоплавкие металлы, температура плавления которых выше, чем железа (т.е. выше 1539С). Применяют как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов. К ним относят: Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Tc (технеций), Hf (гафий), Ta(тантал), W, Re (рений).

3. Урановые металлы – актиниды, имеющие преимущественное применение в сплавах для атомной энергетики. К ним относят: Ас(актиний), Th(торий), U(уран), Np(нептуний), Pu(плутоний), Bk(берклий), Cf (калифорний), Md(менделевий), No(нобелий) и др.

4. Редкоземельные металлы (РЗМ) – La(лантан), Ce(церий), Nd(неодим), Sm(санарий), Eu(европий), Dy(диспрозий), Lu(лютеций), Y(иттрий), Sc(сландий) и др., объединяемые под названием лантаноидов. Эти металлы обладают весьма близкими химическими свойствами, но довольно различными физическими (Тип. и др.). Их применяют как присадки к сплавам других элементов. В природных условиях они встречаются вместе и трудно разделимы на отдельные элементы. Обычно используется смешанный сплав – 40–45% Се (церий) и 40–45% всех других РЗМ.

5. Щелочноземельные металлы – в свободном металлическом состоянии не применяются, за исключением особых случаев, например, теплоносители в атомных реакторах. Li(литий), Na, K(калий), Rb(рубидий), Cs(цезий), Fr(франций), Ca(кальций), Sr(стронций), Ba(барий), Ra(радий).

Цветные металлы подразделяются на:

1. Легкие металлы – Ве(берилий), Mg(магний), Al(аллюминий), обладающие малой плотностью.

2. Благородные металлы – Ag(серебро), Pt(платина), Au(золото), Pd(палладий), Os(осмий), Ir(иридий), и др. Сu – полублагородный металл. Обладают высокой устойчивостью против коррозии.

3. Легкоплавкие металлы – Zn(цинк), Cd(кадмий), Hg(ртуть), Sn(олово), Bi(висмут), Sb(сурьма), Pb(свинец), As(мышьяк), In(индий) и т.д., и элементы с ослабленными металлическими свойствами – Ga(галий), Ge(германий).

Применение металлов началось с меди, серебра и золота. Так как они встречаются в природе в чистом (самородном) виде.

Позднее стали восстанавливать металлы из руд – Sn, Pb, Fe и др.

Наибольшее распространение в технике получили сплавы железа с углеродом: сталь (0,025–2,14% С) чугун (2,14–6,76% С); причина широкого использования Fe-C сплавов связано с рядом причин: малой стоимостью, наилучшими механическими свойствами, возможностью массового изготовления и большой распространенностью руд Fe в природе.

Более 90% изготовленных металлов составляет сталь.

Производство металлов на 1980 г.:

Железо – 718 000 тыс. тонн (в СССР до 150 млн тонн в год)

Марганец – > 10 000 тыс. тонн

Алюминий – 17 000 тыс. тонн

Медь – 9 400 тыс. тонн

Цинк – 6200 тыс. тонн

Олово – 5400 тыс. тонн

Никель – 760 тыс. тонн

Магний – 370 тыс. тонн

Золото – > 1,2 тыс. тонн

Стоимость металла – фактор возможности и целесообразности его применения. В таблице показана относительная стоимость разных металлов (за единицу принята стоимость железа, точнее простой углеродистой стали).

Благородные металлы:

Au, Ag, Pt и их сплавы.

Свое название получили из-за высокой коррозионной стойкости. Эти металлы пластичны. Имеют высокую стоимость.

Применяют в ювелирном и зубоврачебном деле. Чистое золото из-за его мягкости не применяют. Для повышения твердости золото легируют (добавляют другие элементы). Обычно используются тройные сплавы: Au – Ag – Cu.

Наиболее распространенными являются сплавы 375, 583, 750 и 916-й проб – это значит, что в этих сплавах на 1000 г. сплава приходится 375, 583, 750 и 916 г. золота, а остальное – медь, серебро, соотношение которых может быть различным.

Сплавы 916-й пробы наиболее мягкие, но и наиболее коррозионостойкие. С уменьшением индекса пробы коррозионная стойкость уменьшается.

Наибольшей твердостью (следовательно износостойкостью) обладают сплавы 583-й пробы, при соотношении Cu и Ag около 1:1.

Сплавы указанных проб имеют цвет золота.

Индийский булат

Конец IV века до н.э., войска Александра Македонского впервые встретились с необыкновенной индейской сталью при походе через Месопотамию (Ирак) и Афганистан в Индию.

«Чакра» – тяжелое плоское стальное кольцо заточено как лезвие, раскручивалось на двух пальцах, и швырялось во врага. Вращалось со страшной скоростью и срезало головы македонцев как головы цветов.

Параметры меча:

длина – 80–100 см

ширина у перекрестья – 5–6 см

толщина – 4 мм

вес – 1,2–1,8 кг

Свойства клинков:

Высокая твердость, прочность и при этом одновременно большая упругость и вязкость. Клинки свободно перерубали гвозди и при этом легко сгибались в дугу. Легко перерезали газовые легкие платки.

При оценке качества булатного оружия большую роль играл рисунок на клинке. В узоре имели значение форма, величина и цвет основного металла (фона).

По форме рисунок подразделяется на полосатый, струйчатый, волнистый, сетчатый и коленчатый. Наиболее высоко ценился коленчатый булат.

Испытывали булатный клинок и на упругость: его клали на голову, после чего оба конца притягивали к ушам и отпускали. После этого остаточной деформации не наблюдалось.

Настоящий булат изготавливался ковкой из литой стали, имеющей естественные узоры.

Сварочный булат (подделка) – получали проковкой скрученных в канат кусков проволоки с разным содержанием углерода и потому разную твердость. После травления появлялся рисунок.

Также расковывали булат из пакетов листовой стали – до 320 слоев: или: рассеянная в разных уровнях получают разный рисунок.

Донские казаки пользовались оружием всего мира – захватывали в боях. Оружие изготовлено было в основном мастерами Кавказа.

Прибалтийский булат:

Острием являлся мягкий металл, а уже далее шел твердый сплав. Секрет долго не могли раскрыть.

Раскрыл его проф. Иванов Г.П., а адмирал Макаров С.О. нашел новое применение: при испытании броневых плит

Плита легко пробивалась с мягкой малоуглеродистой стороны, тогда изобрели бронебойный снаряд с мягким наконечником:

Следовательно, из-за этого старые мастера-кузнецы нашивали на очень твердое лезвие мягкую полоску, чтобы пробить стальные латы.

Производство булата связано с традициями и секретами. Очень трудно сварить полосы и прутки разного состава между собой и обеспечить требуемые свойства: гибкость твердость, остроту лезвия. Необходимо выдерживать температуру, скорость ковки, порядок соединения полос, удаление окислов, применение флюсов.

Японский булат

Японский булат был тверже и прочнее дамасской стали. Это связано с присутствием в составе стали молибдена (Мо). Мо – один из немногих элементов, добавка которого в сталь вызывает повышение ее вязкости и твердости одновременно. Все другие элементы, увеличивая прочность и твердость, увеличивают и хрупкость.

Изготовление: выплавленное железо (с Мо) проковывалось в прутья и закаливалось на 8–10 лет в землю. В процессе коррозии из металла выедались, выпадали частички, обогащенные вредными примесями. Заготовки напоминали сыр с дырками. Затем прутки науглероживали и проковывали многократно. Количество тончайших слоев достигало нескольких десятков тысяч.

Стальные материалы, конструкции, детали, должны обладать высокой коррозионной стойкостью. Этому способствует наличие в составе стали: меди, Cr, Ni, особенно фосфора. (Пример: атмосферостойкая низкоуглеродистая строительная сталь – «кортен» – имеет благородный цвет из-за поверхностных окислов. Но эта сталь обладает повышенной хрупкостью, особенно при низких температурах).

Коррозия – самый опасный враг стальных конструкций. По данным ученых, к сегодняшнему дню человек выплавил не менее 20 млрд. тонн железа и стали, 14 млрд. тонн этого металла «съедено» ржавчиной и рассеяно в биосфере…

Эйфелева башня – 1889 г. – предсказывали, что она простоит не более 25 лет (Эйфель считал 40 лет по прочности). Башня стоит в Париже уже более 100 лет, но это только потому, что она постоянно покрывается толстым слоем краски. На покраску башни уходит 52 тонны краски. Стоимость ее давно превысила стоимость самого сооружения.

Имеется большое число примеров стальных и железных конструкций, которые с течением долгого времени не поддаются коррозии: балки в церкви Катав-Ивановске, перила лестниц реки Фонтанки в Ленинграде, железная колонна в Дели (1500 лет). Противостоят коррозии поверхностные окислы и повышенное содержание Cu и P, а также природным легированием.