Какие свойства металлов или сплавов лежат в основе

Сплавы металлов встречаются нам повсеместно, даже в условиях внедрения пластиков и прочих инновационных заменителей. В этом материале попробуем разобраться, что такое сплав и как всё это себе представить для понимания физики процесса.

Металлы в чистом виде используются крайне редко. Обычно металл обладает худшими значениями свойств (чаще механических свойств), по сравнению со сплавами. Правда говорить о том, что чистые металлы не используют – это совсем неправильно. В некоторых случаях нужен именно чистый материал, например для достижения нужных показателей электропроводности.

Давным-давно было случайно обнаружено, что если при переплавке меди добавить к ней ещё и олово, то получаемый состав (или сплав) имеет гораздо более высокие прочностные свойства. История не уточняет, кто именно и когда первый придумал использовать этот новый материал, который, по своей сути, является бронзой.

Металлические сплавы

Сплав – это материал, образуемый объединением двух или более компонентов и обладающий рядом специфических свойств. Сплав может содержать как металлические (пример – дюраль Al + Cu), так и неметаллические компоненты (самый яркий пример – сталь Fe + C).

В основе создания логики сплавов лежит логика композитных материалов. Несколько материалов в группе работают порой лучше, чем один чистый. Но называть сплавы композитами неправильно.

Также важно отметить, что появились сплавы металлов гораздо раньше, чем первые композиты. Бронзы использовались ещё до нашей эры для самых различных целей.

Интересно знать, что инженеры-материаловеды часто разрабатывали сплав для решения какой-то определенной задачи. Формулировалось техническое задание и обозначались условия работы будущего изделия, а специалисты старались “выжать” максимум.

Сплавов существует огромное количество. Именно поэтому была разработана специальная классификация всех имеющихся сплавов. Не будем сейчас останавливаться на этом вопросе, а поговорим о физике самого сплава и его строении.

Что представляет из себя сплав

Нужно осознать процесс появления сплава на физическом уровне. Именно это даст глубокое понимание вопроса.

Представьте себе, что вы взяли две жидкости и слили друг с другом. Получили что-то. Это что-то и можно считать будущим сплавом. Это расплав двух (или более) компонентов. Два расплавленных компонента в одной емкости выглядят также. Ещё больше путаницы, верно? Пример демонстрирует хаос системы в расплавленном состоянии.

Пока в емкости две перемешанных жидкости, мы видим что-то такое в её структуре:

Рисунок 1

Если взять жидкость и какое-нибудь нерастворимое желе, мы получим совсем иной результат. Компоненты могут расслоиться. Условно это выглядит так.

Рисунок 2

В итоге компоненты всё же могут раствориться друг в друге (вернемся к рисунку 1), а могут и не растворится – выйдет смесь. Очевидно, что если такую структуру (рисунок 2) зафиксировать (или кристаллизовать), то получится черти что. Поэтому, для получения сплава нужно добиться определенного состояния расплава.

Всё сказанное справедливо и для расплава. Сплав – это система из двух (или более) компонентов. Значит для того, чтобы их объединить, нужно как-то смешать их друг с другом.

На практике мы имеем один компонент будущего сплава в виде металлического куска и другой кусок второго компонента в виде куска.

Как их объединить? Логично! Нужно их переплавить в одной бочке и перемешать для достижения структуры на рисунке 1. Но это ещё не значит получить готовый сплав.

Как получают сплав

Для получения сплава нужно описанный выше расплав охладить, чтобы произошла кристаллизация и выстроились новые кристаллические решетки.

Но система может вести себя по-разному.

Материалы могут образовать гомогенную (однородную) смесь или сохранять гетерогенность (разнородность). Могут оказаться и вовсе несмешиваемыми.

Это справедливо как для их совместного расплавленного состояния, так и для уже застывшего кристаллизованного состояния.

Каким образом определить, что будет с теми или иными компонентами, объединенными в единую систему при разных температурах и условиях?

Тут нужны экспериментальные данные.

Некоторые основные тенденции можно предсказать по химическому составу и типу решеток исходных компонентов, а некоторые только изучить и зафиксировать.

Все знания об этом отражаются на так называемых диаграммах состояния – графиках, демонстрирующих характер взаимодействия компонентов при разных температурах и взаимных концентрациях.

На диаграмме можно увидеть образование неограниченной растворимости компонентов, механическую смесь или химическое соединение. Выбрали нужное соотношение и температуру, и вуа-ля, все сведения есть. Видим критические точки и фазовый состав. Это как график, только запутанный.

Есть и более сложные состояния, о которых мы в этом выпуске говорить не будем.

Физика процесса кристаллизации в сплаве

Мы переплавляем два компонента в одной емкости с целью изготовить металлический сплав. Погрузили туда компонент один и компонент два. Расплавили. Довели до жидкого состояния. Что такое жидкость с точки зрения физики?

Это неупорядоченный набор частиц – атомы в хаотичном состоянии, находящиеся на определенном расстоянии друг от друга.

Если в таком состоянии встретятся разные жидкости, то их атомы перемещаются в одну единую смесь (опять смотрим на рисунок 1 чуть выше).

Пока оно остается жидким, всё просто и понятно.

Теперь начнем охлаждать эту адовую смесь.

Поидее, все вещества должны вернуться к своей конфигурации.

Но мы устроили дестрой и растопили все решетки твердых тел исходных компонентов, которые поместили в чашу для плавления. Получили рисунок 1. Теперь это каша.

При охлаждении такой каши каждое из веществ будет стараться проявить свои свойства.

Будет пытаться образоваться кристаллическая решетка каждого из компонентов.

Одна решетка начнет формироваться, а другая – ещё нет. Свободные частички в расплаве начнут взаимодействовать с уже сформированной структурой. Делать они могут это по-разному – куда-то приклеиться, где-то зафиксироваться.

Мы получим или растворимость одного в другом (так называемый твердый раствор), или механическую смесь, или химическое соединение одного компонента с другим.

Что такое твердый раствор

Название ужасное, но всё просто. Мы имеем факт пересечения одной кристаллической решетки компонента 1 с частицами от другой компонента 2.

В жидком состоянии всё растворилось и частицы компонентов перемешались друг с другом.

Когда система начнет остывать, постепенно начнут формироваться и новые решетки. Начнет формироваться решетка первого компонента, а частички второго компонента начнут занимать место в её узлах, как люди в автобусе. По принципу кто быстрее. На деле всё, конечно же, посложнее.

Выходит, что атомы одного элемента залезут в решетку другого элемента и образуется новая решетка, содержащая как частицы одного компонента, так и другого.

Таким образом, твердыми растворами называют сплавы, в которых атомы растворимого компонента располагаются в кристаллической решетке компонента растворителя.

При этом возможны следующие варианты:

твёрдые растворы внедрения
замещения
вычитания

Внедрение – это когда в имеющуюся решетку одного компонента проникла частица другого компонента. Между всеми частицами появилось взаимодействие и образовался новый материал с новыми свойствами.

Твёрдый раствор замещения образуется в том случае, когда частички при затвердевании обмениваются с частичками в других решетках своим местоположением.

Более редкий случай – твердый раствор вычитания. Когда частички ушли со своих позиций, а на смену им ничего не пришло и сохранилась вакантная позиция.

Что такое химическое соединение

Более интересный случай – образование химического соединения. Возможен этот случай при соблюдении стехиометрии. Или одного и второго компонентов в жидком виде было ровно столько, что они способны создать химическое соединение, или прореагировать. Помимо количества, конечно же, важна и способность к реакции.

Как это представить на практике?

Как смешивание двух вариантов раствора для желе в жидком виде. Смешали апельсиновую основу и яблочную основу, дали образоваться желе и получили новый вкус.

Образовалось новое стойкое вещество с определенными ярко выраженными свойства, если желаете.

В итоге получим новый материал, или новый сплав, содержащий (иногда) интерметаллиды, карбиды, нитриды и другие стойкие соединения.

Что такое механическая смесь

Это один из самых не очевидных вариантов. По логике такая штука должна развалиться на куски в руках или рассыпаться, как сахар после намокания.

Такая штука образуется, если компоненты не могут образовать твёрдый раствор (нет растворимости) и не могут стать совместным новым химическим соединением.

При охлаждении такого расплава выпадают кристаллы одного компонента и кристаллы второго компонента. Ключевое слово ОДНОВРЕМЕННО. Затем они слепляются в общую структуру, но чем-то общим не являются. Нет (как вариант) такой прочности, как у хим.соединения.

Казалось бы, схема никуда не годная и сравнивать свойства такого сплава со сплавом, имеющим химическое соединение, бесполезно. Но мы никогда не говорим слово “плохо”. Мы всегда говорим подходит или нет.

Так, тот же чугун, имеющий в своей структуре чистый графит, имеет отличные антифрикционные свойства, смазывая сам себя графитом при истирании.

Как получают сплавы

Теперь остается ещё один вопрос.

Как можно получить сплав? Ну один способ мы уже рассмотрели. Нужно переплавить всё в одной емкости и получить новый сплав литейным способом. Сделать отливку, в процессе кристаллизации которой и образуется новый материал.

Но можно ещё использовать методы порошковой металлургии. Смешать порошки исходных компонентов друг с другом, спрессовать, а затем обработать высокой температурой. В процессе спекания образуется новый сплав.

Есть и другие более сложные и менее распространенные способы – например, осаждение из растворов или напыление. Так или иначе, каждый из способов должен обеспечивать обозначенный выше принцип – дать перемешаться компонентам как следует и образовать собственно то, что мы называем сплавом.

Пару слов о том, от чего зависят свойства сплава

Свойства готового сплава зависят не только от химического состава, но и от условий их получения. Например, однородность готового сплава зависит от скорости охлаждения застывающего расплава.

На этом, наверное всё.

Обязательно подпишитесь на наш канал, чтобы не пропустить новые интересные статьи!

Источник

На чтение 5 мин.

Металлические изделия и детали используются в разных сферах промышленности. Существует множество видов металлов и каждый из них обладает сильными и слабыми сторонами. При изготовлении деталей для машин, самолётов или промышленного оборудования мастера обращают внимание на характеристики материала. Поэтому требуется знать свойства металлов и сплавов.

Крыло самолета Свойства металлов и сплавов

У металлов есть признаки, которые их характеризуют:

Высокие показатели теплопроводности. Металлические материалы хорошо проводят электричество.
Блеск на изломе.
Ковкость.
Кристаллическая структура.

Не все материалы прочные и обладают высокими показателя износоустойчивости. Это же касается плавления при высоких температурах.

Классификация металлов

Металлы разделяются на две большие группы — черные и цветные. Представители обоих видов различаются не только характеристиками, но и внешним видом.

Черные

Представители этой группы считаются самыми распространёнными и недорогими. В большинстве своем имеют серый или тёмный цвет. Плавятся при высокой температуре, обладают высокой твердостью и большой плотностью. Главный представитель этой группы — железо. Эта группа разделяется на подгруппы:

Железные — к представителям этой подгруппы относится железо, никель и кобальт.
Тугоплавкие — сюда входят металлы температура плавления которых начинается с 1600 градусов. Их применяют при создании основ для сплавов.
Редкоземельные — к ним относятся церий, празеодим и неодим. Обладают низкой прочностью.

Существуют урановые и щелочноземельные металлы, однако они менее популярны.

Цветные

Представители этой группы отличаются яркой окраской, меньшей прочностью, твердостью и температурой плавления (не для всех). Разделяется эта группа на следующие подгруппы:

Лёгкие — подгруппа, включающая в себя металлы с плотностью до 5000 кг/м3. Это такие материалы, как литий, натрий, калий, магний и другие.
Тяжёлые — сюда относится серебро, медь, свинец и другие. Плотность превышает 5000 кг/м3.
Благородные — представили этой подгруппы имеют высокую стоимость и устойчивость к коррозийным процессам. К ним относятся золото, палладий, иридий, платина, серебро и другие.

Выделяются тугоплавкие и легкоплавкие металлы. К тугоплавким относится вольфрам, молибден и ниобий, а к легкоплавким все остальные.

Основные виды сплавов

Человечество знакомо с различными металлическими сплавами. Самыми многочисленными из них являются соединения на основе железа. К ним относятся ферриты, стали и чугун. Ферриты имеют магнитные свойства, в чугуне содержится более 2,4% углерода, а сталь — это материал с высокой прочность и твердостью.

Отдельное внимания требуют металлические сплавы из цветных металлов.

Сталь Производство стали

Цинковые сплавы

Соединения металлов, которые плавятся при низких температурах. Смеси на основе цинка устойчивы к воздействию коррозийных процессов. Легко обрабатываются.

Алюминиевые сплавы

Популярность алюминий и сплавы на его основе получили во второй половине 20 века. Этот материал обладает такими преимуществами:

Устойчивость к низким температурам.
Электропроводность.
Малый вес заготовок в сравнении с другими металлами.
Износоустойчивость.

Однако нельзя забывать про то, что алюминий плавится при низких температурах. При температуре около 200 градусов характеристики ухудшаются.

Алюминий применяется при изготовлении комплектующих к машинам, производстве деталей для самолётов, составляющих промышленного оборудования, посуды, инструментов. Не многие знают, что алюминий популярен в сфере производства оружия. Связано это с тем, что детали из алюминия не искрят при сильном трении.

Чтобы увеличить прочность детали, алюминий смешивают с медью. Чтобы заготовка выдерживала давление — с марганцем. Кремний добавляют, чтобы получить обычную отливку.

Медные сплавы

Сплавы на основе меди — марки латуни. Из этого материала изготавливаются детали высокой точности, так как латунь легко обрабатывать. В составе сплава может содержаться до 45% цинка.

Свойства сплавов

Чтобы изготавливать детали и конструкции, нужно знать основные свойства металлов и сплавов. При неправильной обработке готовая деталь может быстро выйти из строя и разрушить оборудование.

Двигатель внутреннего сгорания

Физические свойства

Сюда относятся визуальные параметры и характеристики материала, изменяющиеся при обработке:

Теплопроводность. От этого зависит насколько поверхность будет передавать тепло при нагревании.
Плотность. По этому параметру определяется количество материла, которое содержится в единице объёма.
Электропроводность. Возможность металла проводить электрический ток. Этот параметр называется электрическое сопротивление.
Цвет. Этот визуальный показатель меняется под воздействием температур.
Прочность. Возможность материала сохранять структуру при обработке. Сюда же относится твердость. Эти показатели относятся и к механическим свойствам.
Восприимчивость к действию магнитов. Это возможность материала проводить через себя магнитные лучи.

Физические основы позволяют определить в какой сфере будет использоваться материал.

Химические свойства

Сюда относятся возможности материала противостоять воздействию химических веществ:

Устойчивость к коррозийным процессам. Этот показатель определяет на сколько материал защищён от воздействия воды.
Растворимость. Устойчивость металла к воздействию растворителей — кислотам или щелочным составам.
Окисляемость. Параметр указывает на выделение оксидов металлом при его взаимодействии с кислородом.

Обуславливаются эти характеристики химическим составом материала.

Механические свойства

Механические свойства металлов и сплавов отвечают за целостность структуры материала:

прочность;
твердость;
пластичность;
вязкость;
хрупкость;
устойчивость к механическим нагрузкам.

Технологические свойства

Технологические свойства определяют способность металла или сплава изменяться при обработке:

Ковкость. Обработка заготовки давлением. Материал не разрушается. Структура изменяется.
Свариваемость. Восприимчивость детали к работе сварочным оборудованием.
Усадка. Происходит этот процесс при охлаждении заготовки после её разогрева.
Обработка режущим инструментом.
Ликвация (затвердевание жидкого металла при понижении температуры).

Основной способ обработки металлических деталей — нагревание.

Свойства металлов и сплавов отвечают за то, как себя будет вести готовое изделие при эксплуатации. При обработке материалов также важно знать его характеристики.

Источник

Цели:

Образовательные: Способствовать
запоминанию основной терминологии, формированию
представления о металлах, их свойствах и области
применения.
Развивающие: Способствовать формированию
и развитию познавательного интереса учащихся к
предмету.
Воспитательные: Способствовать
формированию и развитию нравственных,
эстетических, экономических качеств личности.

Тип урока: комбинированный.

Формы организации учащихся на уроке: фронтальная
и групповая работа.

Методы обучения: проблемное изложение,
практическая работа.

Методическое оснащение урока:

Наглядные пособия: презентация “Свойства
металлов и сплавов”, образцы металлов и сплавов.
Раздаточный материал: комплекты металлов и
сплавов (для работы в группах).

Оборудование: Ноутбук, проектор, верстаки
универсальные.

Межпредметные связи: Окружающий мир.

Ход урока

Организационный момент (3 мин.)

Приветствие учащихся
Проверка посещаемости и готовности к уроку.
Домашнее задание: записи в тетради,
исследовательская работа в тетради
“Металлургия в древности”.
Организация рабочего места: распределение по
группам (с учетом возможностей и способностей
учащихся).

Мотивация учебной деятельности (5 мин.)

За время обучения в школе вы узнали много
нового.

Вопрос: Давайте попробуем перечислить что вы
узнали в 6 классе.

Ответы обучающихся.

На уроках технологии мы изучили технологию
обработки древесины и металла, научились
работать инструментами для их обработки. Мы
теперь можем пилить, строгать, наносить разметку,
сверлить править и гнуть металл, обрабатывать
его. Но что общего между металлом и древесиной? А
чем они различаются между собой? Почему в
современном обществе металл стал более
распространённым чем древесина.

Вопрос: давайте попробуем вспомнить где металл
заменил древесину?

Ответы обучающихся.

Вопрос: Скажите, а что нам необходимо для того
знать чтобы была возможна замена одного
материала другим?

Ответы обучающихся.

Вот поэтому сегодня мы и познакомимся со
свойства металлов и их сплавов. (сообщение темы и
цели урока).

Демонстрация презентации (слайд №1)

III. Активизация познавательной
деятельности обучающихся (10 мин.)

Учащиеся, работая в группах, получают задание:
перечислить изделия изготовленные из различных
металлов и сплавов.. Учитывается количество
названных изделий с указанием материала его
изготовления. Проверка проводится поочередным
названием изделий. Победившая группа получает
дополнительный бал к итоговой оценке.

IV. Теоретическая часть (22 мин .)

Изложение программного материала.

Учитель: Сейчас мы перечислили
изделия и материалы из которых они были
изготовлены. А как вы думаете почему в одних
изделия были применены цветные металлы, в других
сплавы? И почему наиболее распространены черные
сплавы.

Ответы обучающихся.

Учитель: Попробуем разобраться в этом.

Свойство – сторона предмета, которая
обусловливает его различие или сходство с
другими предметами и обнаруживается в его
отношении к ним.

Физические – отличительные стороны материалов,
которые проявляются при взаимодействии их с
окружающей средой.
Механические – отличительные стороны
материалов, которые проявляются в способности
сопротивляться воздействию внешних
механических усилий.
Технологические – способность материалов
подвергаться обработке.
Химические – способность материалов
взаимодействовать с окружающей средой при
различных температурах (окисляемость,
растворимость, коррозионная стойкость и др.)

(слайд №2)

Термины “физический” и “механический”
происходят от греческих слов, означающих
соответственно “природа” и “орудие, машина”.
Термин “химический” произошёл от
древнелатинского слова “алхимия” (наука о
веществах и их превращениях). (слайд №3)

Физические свойства (слайд №4 )

Учитель: Какими свойствами обладает
древесина и металлы? Давайте попробуем их найти.

Ответы обучающихся.

Работа проводится с помощью интерактивной
доски, где учащимся предлагают, определить
какими физическими свойствами обладают металлы
и древесина (соединить при помощи маркера)

Правильные ответы на слайде №5.

Рассмотрим более подробно физические свойства
металлов и их сплавов (слайд №6 )

Цвет	Способность материалов вызывать определенные зрительные ощущения.
Блеск	Способность материалов отражать свет
Плотность	Количество массы материала в единице объёма (измеряется в кг/м 3, гр/см 3)
Теплопроводность	Способность материалов передавать теплоту от более нагретых частей тела к менее нагретым.
Электропроводность	Способность материалов проводить электрический ток.
Температура плавления	Тепловое состояние металлов и сплавов, при котором они из твердых становятся жидкими.
Тепловое расширение	Увеличение размеров (объёма) металлов и сплавов при нагревании
Намагничиваемость	Способность материалов и сплавов намагничиваться под действием магнитного поля.

Высокой плотностью обладает свинец ( плотнее
железа в 1.43 раза), низкой- магний и алюминий (
плотность по сравнению с железом ниже
соответственно в 4,51 и 2,91 раза). Медь плотнее
железа в 1,13 раза.

Высокая теплопроводность у меди и алюминия
(выше по сравнению с железом соответственно в 7,00
и 3,42 раза), низкая у свинца (ниже чем у железа в 1,66
раза).

Учитель: Какие физические свойства
присущи только древесине? Давайте попробуем их
найти.

Ответы обучающихся.

Учитель: В ходе ответов были озвучены
механические свойства. (слайд №7)

Они учитываются при обработке материалов и их
практическом использовании. Показатели
механических свойств – предел прочности при
растяжении (временное сопротивление) –
отношение наибольшей нагрузки на материал к
площади его поперечного сечения, измеряется в Па
или МПа;

– относительное удлинение – отношение
увеличения длины образца после разрыва (при
испытаниях на растяжение) к его первоначальной
длине (в%).

(слайд №8)

Прочность	Способность материалов выдерживать нагрузки без разрушения.
Твёрдость	Способность материалов сопротивляться проникновению других, более твёрдых тел.
Упругость	Способность материалов восстанавливать первоначальную форму после прекращения действия внешних сил.
Вязкость	Способность материалов необратимо поглощать энергию при мгновенном на них воздействии.
Хрупкость	Способность металлов и сплавов разрушаться под действием ударных нагрузок. Хрупкость – свойство, обратное вязкости.
Пластичность	Способность металлов и сплавов изменять свою форму и размеры под действием внешних сил, не разрушаясь, и оставаться в этом состоянии после прекращения действия этих сил.

Происхождение терминов: Термин “упругость”
впервые ввел в употребление великий русский
ученый М.В.Ломоносов. Термин “пластичность”
происходит от греческого слова, означающего
“лепной, скульптурный”.

Учитель: Давай те попробуем
определить какие предметы обладают данными
свойствами ?

Ответы обучающихся.

Закрепление полученных знаний по разделу
механические свойства металлов и сплавов проводится
с помощью интерактивной доски (слайд№ 14), где
учащимся предлагают, определить какие предметы
обладают данными свойствами. ( сортируя предметы
при помощи маркера).

Правильные ответы на слайде №15.

Учитель: Ребята, давайте попробуем
определить какими технологическими свойствами
обладают металлы и их сплавы.

VI. Практическая работа по изучению
технологических свойств. (25 минут) (слайд №16)

В данном разделе необходимо объяснить
учащимся, с какой целью в стадии выплавки
формируют технологические свойства металлов и
их сплавов.

Учащиеся работают в группах и заполняют
таблицу в процессе ознакомлением с
технологическими свойствами пробуют
самостоятельно дать определения.

Образец таблицы

Технологические свойства	Определения	Изделия, в которых используется данное свойство

Ответы обучающихся.

Демонстрация презентации (слайд 17-21).

Ответы учащихся:

Ковкость	Свойство металла или сплава получать новую форму под действием удара
Жидкотекучесть	Свойство металла в расплавленном состоянии хорошо заполнять литейную форму и получать плотные отливки
Обрабатываемость резанием	Свойство металла или сплава подвергаться обработке резанием различными инструментами
Свариваемость	Свойство металлов соединяться в пластичном или расплавленном состоянии
Коррозионная стойкость	Свойство металлов или сплавов противостоять коррозии

VI. Контроль усвоения нового теоретического
материала (5 мин.)

Учитель: Давайте ребята попробуем
теперь подвести итог нашей работы.

Закрепление материала (слайд №28)

Какие свойства называются “Физическими”?
Какие свойства называются “Механическими”?
Какие свойства называются “Химическими”?
Какие свойства называются “Технологическими”?
Перечислите основные физические свойства
металлов.
Перечислите основные механические свойства
металлов.
Перечислите основные технологические свойства
металлов.
Как можно повысить коррозионную стойкость
металлов?

VII. Заключительный инструктаж (5 мин.)

Задание на дом:
Уборка рабочих мест

VIII. Подведение итогов (5 мин.)

Команде набравшей большее количество баллов
выставляю оценки за теоретический материал в
журнал.
Сообщение о достижении цели урока.
Обратить внимание учащихся на допущенные
ошибки, объяснить их причины.
Отметить наиболее активных учащихся

Источник