Министерство образования и науки Украины
Донбасский государственный технический университет
Институт повышения квалификации
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
по Металловедению
на тему
«Классификация металлов»
Алчевск 2009
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).
| Металл | Относит. стоимость |
| Fe | 1 |
| Свинец PbЦинк ZnАлюминий AlСурьма SbМедь Cu | 2,5366,57,5 |
| Марганец MnНикель NiОлово SnХром CrРтуть HgВольфрам W | 101722256575 |
| Титан TiМолибден MoСеребро AgВанадий V | 160170290750 |
| Палладий Pd | 5000 |
| Золото AuПлатина PtРадий Rh | 110002700045000 |
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.