Лёгкие металлы (алюминий, магний и др.)

Ім'я файлу: ВВЕДЕНИЕ.docx
Розширення: docx
Розмір: 64кб.
Дата: 05.10.2021
скачати
Пов'язані файли:
Програма Нормування.docx
Тема 4-2__Використання конекторів.docx

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях развития общества одним из основных факторов технического прогресса в машиностроении является совершенствование технологии производства материалов. Важным направлением этого прогресса является создание и широкое использование новых конструкционных материалов, позволяющих резко повысить технический уровень и надежность оборудования. Создавая конструкции машин, обеспечивающих высокую надежность работы, инженер должен хорошо знать способы получения основных машиностроительных материалов – чугунов, сталей и цветных металлов.

Человек научился добывать и использовать металлы несколько тысячелетий назад. В отдаленные времена было известно лишь несколько металлов. Это золото, медь, серебро, олово, свинец, железо, ртуть, сурьма. В настоящее время этот круг значительно расширился. Достаточно отметить, что из известных элементов Периодической системы элементов Менделеева свыше 75% составляют металлы.

По исторически сложившейся классификации все металлы, применяющиеся в промышленности делятся на две основные группы:

черные;
цветные.

К черным металлам относятся железо и его сплавы (чугун, сталь, ферросплавы), хром, марганец.

Группа цветных металлов объединяет все остальные металлы, которая в свою очередь подразделяется на несколько подгрупп:

лёгкие металлы (алюминий, магний и др.);
тяжелые (медь, никель, свинец, цинк и др.);
малые цветные металлы (кобальт, молибден, вольфрам, кадмий и др.);
благородные (золото, серебро, платина и др.);
редкие (лантан, церий, неодим и др.);
радиоактивные (уран, плутоний и др.).

Среди металлов железо по своему значению занимает особое место.

Производство черных металлов в значительной степени определяет уровень технического развития, являясь основой современной техники. В общемировом производстве металлов железо и его сплавы составляют свыше 90 %. Широкому применению в самых разнообразных областях техники черные металлы обязаны своими высокими механическими и физическими свойствами. Преимущественному применению черных металлов способствовало также большое распространение в природе железных руд и сравнительная простота производства чугуна и стали.

Железо было известно человеку еще до нашей эры. Вначале железо получали в обычных кострах, а затем в специально устроенных плавильных ямах - сыродутных горнах. В горн, выложенный из камня, загружали руду и древесный уголь. Воздух (кислород) необходимый для горения угля, подавался в виде дутья снизу горна при помощи мехов. Образующиеся газы (СО) восстанавливали оксиды железа. Из-за невысокой температуры в таких горнах можно было получать только малоуглеродистое железо, притом в тестообразном состоянии.

Постепенно горнсовершенствовался и превратился в небольшую шахтную печь, которая получила название домницы. Увеличение высоты домницы и интенсивная подача дутья привели к повышению температуры и более интенсивному развитию процессов восстановления и науглероживания металла. В домницах получали жидкое углеродистое железо с примесями марганца и кремния, то есть чугун.

Сначала чугун был нежелательным продуктом, так как его не умели использовать для изготовления изделий и орудий труда. Позднее был найден способ передела чугуна в ковкое железо. Способ получил название кричного процесса, при котором чугун переплавляли в кричном горне. В разогретый горн на раскаленный древесный уголь загружали чугун и высокожелезистые шлаки. Плавясь и стекая вниз, чугун подвергался окислительному воздействию дутья и железистого шлака. Происходило окисление его примесей (кремния, марганца, углерода), и чугун превращался в малоуглеродистое ковкое железо.

Кричный передел чугуна давал возможность получать железо более высокого качества, чем сыродутное. При этом оказалось целесообразным сначала выплавлять из руд чугун, а затем перерабатывать его в ковкое железо.

Со временем конструкция домниц изменялась, увеличивались высота и поперечное сечение, улучшался профиль, и домница превратилась в доменную печь.

В дальнейшем прогресс доменного процесса шел в направлении увеличения объёма печей, перехода к более рациональному профилю, совершенствования конструкции доменных печей, механизации и автоматизации процесса.

В 1856 г. Г. Бессемером был предложен способ передела жидкого чугуна путем продувки его воздухом в конвертере, положившего начало высокопроизводительному современному кислородно-конвертерному процессу. В 1864 г. отец и сын Мартены разработали способ производства стали в регенеративной отражательной печи, получившей название мартеновского процесса, и позволившего решить проблему переработки стального лома.

В конце XIX в. возникла новая отрасль металлургии - производство качественных сталей в электрических печах.

Наряду с черными металлами очень важное значение в современном промышленном производстве имеют цветные металлы, которые нашли применение практически во всех отраслях промышленности и особенно в таких как радиотехника и электроника, самолетостроение и ракетостроение.

В настоящее время металлургия черных и цветных металлов достигла очень высокого технического уровня. В результате упорного труда металлургов многих поколений созданы эффективные технологические схемы переработки руд в черные и цветные металлы.

Особое место среди разнообразных способов производства металлических конструкционных материалов занимает порошковая металлургия, позволяющая производить не только изделия из металлических порошков различных форм и назначений, но и создавать принципиально новые материалы, получить которые иным путем крайне трудно или вообще невозможн

Строение металлов

1.1.1 Типы кристаллических решеток.

Твердые тела по строению делят на 2 вида: кристаллические и аморфные. Кристаллические тела при нагреве остаются твердыми до определенной температуры (температуры плавления), при которой они переходят в жидкое состояние. Аморфные тела при нагреве размягчаются в большом температурном интервале; сначала они становятся вязкими и лишь затем, переходят в жидкое состояние. Все металлы и их сплавы - тела кристаллические.

Металлами называют химические элементы, характерными признаками которых являются непрозрачность, блеск, хорошая электро- и теплопроводность, пластичность, а также способность свариваться. Не потеряло своего научного значения определение металлов, данное более 200 лет назад великим русским ученым М. В. Ломоносовым: "Металлы суть светлые тела, которые ковать можно". Характерной особенностью металлов является то, что, вступая в химические реакции с элементами неметаллического просхождения, они отдают последним свои внешние валентные электроны. Объясняется это непрочной связью внешних электронов атома металла с его ядром. Металлы имеют на наружных оболочках всего 1 -2 электрона, тогда как у неметаллов таких электронов много (5-8).

Чистые химические элементы металлов (например, железо, медь, алюминий и др.) могут образовывать более сложные вещества, в состав которых могут входить несколько элементов-металлов, часто с примесью заметных количеств элементов-неметаллов. Такие вещества называются металлическими сплавами. Простые вещества, образующие сплав, называют компонентами сплава.

Для описания кристаллической структуры металлов пользуются понятием кристаллической решетки. Кристаллическая решетка- это воображаемая пространственная сетка, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие металл. Частицы вещества (ионы, атомы), из которых построен кристалл, расположены в определенном геометрическом порядке, который периодически повторяется в пространстве. В отличие от кристаллов в аморфных телах (стекло, пластмассы) атомы располагаются в пространстве беспорядочно, хаотично.

Формирование кристаллической решетки в металле происходит при переходе металла из жидкого в твердое состояние. При затвердевании металла расстояние между атомами сокращается, а силы взаимодействия между ними возрастают. Характер взаимодействия атомов определяется строением их внешних электронных оболочек. При сближении атомов электроны, находящиеся на внешних оболочках теряют связь со своими атомами вследствие отрыва валентного электрона одного атома положительно заряженным ядром другого и т. д. Происходит образование свободных электронов, так как они не принадлежат отдельным атомам. Таким образом, в твердом состоянии металл представляет собой структуру, состоящую из положительно заряженных ионов, омываемых свободными электронами.

Связь в металле осуществляется электростатическими силами. Между ионами и свободными электронами возникают электростатические силы притяжения, которые стягивают ионы. Такую связь между частицами металла называют металлической.

Силы связи в металлах определяются силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами. Ионы находятся на таком расстоянии друг от друга, при котором потенциальная энергия взаимодействия минимальна. В металле ионы располагаются в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Такое расположение ионов обеспечивает взаимодействие их с валентными электронами, которые связывают ионы в кристаллической решетке.

Типы кристаллических решеток у разных металлов различны (рис. 1.1). Наиболее часто встречаются решетки: объемно-центрированная кубическая (ОЦК) — α-Fе, Сг, W, гранецентрированная кубическая (ГЦК) — γ-Fе, А1, Сu и гексагональная плотноупакованная (ГПУ) - Мg, Zn и др. Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом объеме, называют элементарной кристаллической ячейкой (рис. 1.1).Кристаллическая решетка характеризуется ее параметрами, например длиной ребра куба для ОЦК и ГЦК, которая составляет для металлов 2,8-6 ∙ 10^-8 см.

Рис. 1.1. Элементарные ячейки кристаллических решеток: 1 — кубическая объемно-центрированная (α-железо), II— кубическая гранецентрированная (медь), III — гексагональная плотноупакованная; а и с — параметры решеток.

Кристаллизация

Сущность процесса кристаллизации

Переход из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называют кристаллизацией. Процессы кристаллизации зависят от температуры и протекают во времени, поэтому кривые охлаждения строятся в координатах температура - время (рис. 1.3). Теоретический, т.е. идеальный, процесс кристаллизации металла без переохлаждения протекает при температуре Тs (температура кристаллизации) (рис. 1.3). При достижении идеальной температуры затвердевания Тs падение температуры прекращается. Это объясняется тем, что перегруппировка атомов при формировании кристаллической решетки идет с выделением тепла (выделяется скрытая теплота кристаллизации). Каждый чистый металл кристаллизуется при строго индивидуальной постоянной температуре. По окончании затвердевания металла температура его снова понижается.

Практически кристаллизация протекает при более низкой температуре, т.е. при переохлаждении металла до температур Тn, Тn₁, Тn₂, (например, кривые 1,2). Степень переохлаждения (ΔТ=Тs-Тn) зависит от природы и чистоты металла и скорости охлаждения. Чем чище жидкий металл, тем он более склонен к переохлаждению. При увеличении скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает, а зерна металла становятся мельче, что улучшает его качество. Для большинства металлов степень переохлаждения при кристаллизации в производственных условиях составляет от 10 до 30°С. При больших скоростях охлаждения она может достигать сотен градусов.

Рис. 1.3. Кривые кристаллизации металла при охлаждении с разной скоростью

Процесс кристализации состоит из двух стадий: зарождения кристаллов (зародышей или центров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров. При переохлаждении сплава ниже Тп на многих участках жидкого металла (рис. 1. 4, а, б) образуются способные к росту кристаллические зародыши. Сначала образовавшиеся кристаллы растут свободно и имеют более или менее правильную геометрическую форму (рис. 1.4, в, г, д). Затем при соприкосновении растущих кристалов их правильная форма нарушается, так как на этих участках рост граней прекращается.

Последовательные этапы процесса кристаллизации металла

Рост кристалла продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ жидкого металла. В результате кристаллы, имевшие сначала геометрически правильную форму, после затвердевания получают неправильную форму, их называют кристаллитами или зернами (рис.1.4, е).

Величина зерен зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем мельче зерно металла.

Величина зерен, образующихся при кристаллизации, зависит не только от количества самопроизвольно зарождающихся центров кристаллизации, но также и от количества нерастворимых примесей, всегда имеющихся в жидком металле. Такие нерастворимые примеси являются готовыми центрами кристаллизации. Ими являются оксиды (например, Аl₂O₃,), нитриды, сульфиды и другие соединения. Центрами кристаллизации в данном металле или сплаве могут быть только такие твердые частицы, которые соизмеримы с размерами атомов основного металла. Кристаллическая решетка таких твердых частиц должна быть близка по своему строению и параметрам решетке кристаллизующегося металла. Чем больше таких частичек, тем мельче будут зерна закристаллизовавшегося металла.

На образование центров кристаллизации влияет и скорость охлаждения. Чем выше скорость охлаждения, тем больше возникает центров кристаллизации и, следовательно, мельче зерно металла. Чтобы получить мелкое зерно, создают искусственные центры кристаллизации. Для этого в расплавленный металл (расплав) вводят специальные вещества, называемые модификаторами. Так, при модифицировании магниевых сплавов зерно уменьшается от 0,2—0,3 до 0,01-0,02 мм, т.е. в 15-20 раз. Модифицирование отливок проводят введением в расплав добавок, которые образуют тугоплавкие соединения (карбиды, оксиды). При модифицировании, например стали, применяют алюминий, титан, ванадий; алюминиевых сплавов — марганец, титан, ванадий.

Иногда в качестве модификаторов применяют поверхностно-активные вещества. Они растворяются в жидком металле. Эти модификаторы осаждаются на поверхности растущих кристаллов, образуя очень тонкий слой. Этот слой препятствует дальнейшему росту кристаллов, придавая металлу мелкозернистое строени

ллотропия металлов.

Аллотропией, или полиморфизмом, называют способность металла в твердом состоянии иметь различные, кристаллические формы. Процесс перехода из одной кристаллической формы в другую называют аллотропическим превращением. При нагреве чистого металла такое превращение сопровождается поглощением тепла и происходит при постоянной температуре, что связано с необходимостью затраты определенной энергии на перестройку кристаллической решетки. Аллотропические превращения имеют многие металлы: железо, олово, титан и др. Например, железо в интервале температур 911—1392°С имеет гранецентрированную кубическую решетку (ГКЦ) γ-Fе (рис.1.7). В интервалах до 911˚С и от 1392 до 1539˚С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК) — α-Fе. Аллотропические формы металла обозначаются буквами α, β, γ и т. д. Существующая при самой низкой температуре аллотропическая форма металла обозначается через б

укву а, которая в виде индекса добавляется к символу химического элемента металла и т. д.

1.7. Аллотропические превращения в железе.

При аллотропических превращениях происходит изменение свойств металлов — изменение объема металлов (особенно характерно для олова) и растворимости углерода (характерно для железа).
скачати

© Усі права захищені
написати до нас