Міністерство освіти і науки України
Донбаський державний технічний університет
Інститут підвищення кваліфікації
Контрольна робота
по Металознавство
на тему
«Класифікація металів»
Алчевськ 2009
1. Метали
Металеве стан пояснюється електронною будівлею. Елементи металу, вступаючи в хімічну реакцію з елементами, що є неметалами, віддають їм свої зовнішні, так звані валентні електрони. Це є наслідком того, що в металів зовнішні електрони неміцно пов'язані з ядром; крім того, на зовнішніх електронних оболонках небагато (всього 1-2), тоді як у неметалів електронів багато (5-8).
Всі елементи, розташовані лівіше галлііндія і талію - метали, а правіше миш'яку, сурми і вісмуту - неметали.
У техніці під неметалом розуміють речовини, що володіють «металевим блиском» і пластичністю - характерні властивості.
Крім цього всі метали мають високу електропровідність і теплопровідність.
Особливість будови металевих речовин полягає в тому, що всі вони побудовані в основному з легких атомів, які мають зовнішні електрони слабко пов'язані з ядром. Це обумовлює особливий характер взаємодії атомів металу і металеві властивості. Метали є хорошими провідниками електричного струму.
З відомих (до 1985 р .) 106 хімічних елементів 83 - метали.
2. Класифікація металів
Кожен метал відрізняється будовою і властивостями від іншого, тим не менш, за деякими ознаками їх можна об'єднати в групи.
Дана класифікація розроблена російським ученим Гуляєвим А.П. і може не збігатися із загальноприйнятою.
Всі метали можна розділити на дві великі групи - чорні та кольорові метали.
Чорні метали найчастіше мають темно-сірий колір, велику щільність (крім лужно-земельних), високу температуру плавлення, відносно високу твердість. Найбільш типовим металом цієї групи є залізо.
Кольорові метали найчастіше мають характерну забарвлення: червону, жовту і білу. Володіють великою пластичністю, малою твердістю, відносно низькою температурою плавлення. Найбільш типовим елементом цієї групи є мідь.
Чорні метали в свою чергу можна підрозділити таким чином:
1. Залізні метали - залізо, кобальт, нікель (так звані феромагнетики) і близький до них за властивостями марганець. Co, Ni, Mu часто застосовують як добавки до сплавів заліза, а також в якості основи для відповідних сплавів, схожих за своїми властивостями на високолеговані сталі.
2. Тугоплавкі метали, температура плавлення яких вища, ніж заліза (тобто вище 1539С). Застосовують як добавки до легованих сталей, а також в якості основи для відповідних сплавів. До них відносять: Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Tc (технецій), Hf (гафій), Ta (тантал), W, Re (реній).
3. Уранові метали - актинідії, що мають переважне використання у сплавах для атомної енергетики. До них відносять: Ас (актиній), Th (торій), U (уран), Np (нептуній), Pu (плутоній), Bk (берклій), Cf (каліфорній), Md (Менделєвій), No (Нобеля) та ін .
4. Рідкоземельні метали (РЗМ) - La (лантан), Ce (церій), Nd (неодим), Sm (Санарі), Eu (європій), Dy (діспрозій), Lu (лютецій), Y (ітрій), Sc (Ісландії) та ін, що об'єднуються під назвою лантаноїдів. Ці метали мають вельми близькими хімічними властивостями, але досить різними фізичними (Тип. та ін.) Їх застосовують як присадки до сплавів інших елементів. У природних умовах вони зустрічаються разом і важко разделіми на окремі елементи. Зазвичай використовується змішаний сплав - 40-45% Се (церій) і 40-45% всіх інших РЗМ.
5. Лужноземельні метали - у вільному металевому стані не застосовуються, за винятком особливих випадків, наприклад, теплоносії в атомних реакторах. Li (літій), Na, K (калій), Rb (рубідій), Cs (цезій), Fr (францій), Ca (кальцій), Sr (стронцій), Ba (барій), Ra (радій).
Кольорові метали поділяються на:
1. Легкі метали - Ве (берилий), Mg (магній), Al (алюміній), що володіють малою щільністю.
2. Благородні метали - Ag (срібло), Pt (платина), Au (золото), Pd (паладій), Os (осмій), Ir (іридій), та ін Сu - полублагородний метал. Мають високу стійкість проти корозії.
3. Легкоплавкі метали - Zn (цинк), Cd (кадмій), Hg (ртуть), Sn (олово), Bi (вісмут), Sb (сурма), Pb (свинець), As (миш'як), In (індій) і т. д., і елементи з ослабленими металевими властивостями - Ga (галий), Ge (германій).
Застосування металів почалося з міді, срібла і золота. Так як вони зустрічаються в природі в чистому (самородному) вигляді.
Пізніше почали відновлювати метали з руд - Sn, Pb, Fe і ін
Найбільшого поширення в техніці отримали сплави заліза з вуглецем: сталь (0,025-2,14% С) чавун (2,14-6,76% С); причина широкого використання Fe-C сплавів пов'язано з рядом причин: малою вартістю, найкращими механічними властивостями, можливістю масового виготовлення і великою поширеністю руд Fe в природі.
Більше 90% виготовлених металів становить сталь.
Виробництво металів на 1980 р .:
Залізо - 718 000 тис. тонн (в СРСР до 150 млн тонн на рік)
Марганець -> 10 000 тис. тонн
Алюміній - 17 000 тис. тонн
Мідь - 9 400 тис. тонн
Цинк - 6200 тис. тонн
Олово - 5400 тис. тонн
Нікель - 760 тис. тонн
Магній - 370 тис. тонн
Золото -> 1,2 тис. тонн
Вартість металу - чинник можливості та доцільності його застосування. У таблиці наведено відносна вартість різних металів (за одиницю прийнята вартість заліза, точніше простий вуглецевої сталі).
Благородні метали:
Au, Ag, Pt та їх сплави.
Свою назву отримали з-за високої корозійної стійкості. Ці метали пластичні. Мають високу вартість.
Застосовують в ювелірному і зуболікарському справі. Чисте золото з-за його м'якості не застосовують. Для підвищення твердості золото легують (додають інші елементи). Зазвичай використовуються потрійні сплави: Au - Ag - Cu.
Найбільш поширеними є сплави 375, 583, 750 і 916-й проб - це значить, що в цих сплавах на 1000 г . сплаву доводиться 375, 583, 750 і 916 г . золота, а інше - мідь, срібло, співвідношення яких може бути різним.
Сплави 916-ї проби найбільш м'які, але і найбільш коррозионостойкие. Зі зменшенням індексу проби корозійна стійкість зменшується.
Найбільшою твердістю (отже зносостійкістю) мають сплави 583-ої проби, при співвідношенні Cu і Ag близько 1:1.
Сплави вказаних проб мають колір золота.
Індійський булат
Кінець IV століття до н.е., війська Олександра Македонського вперше зустрілися з незвичайною індіанської сталлю при поході через Месопотамію (Ірак) і Афганістан до Індії.
«Чакра» - важке плоске сталеве кільце заточене як лезо, розкручувалося на двох пальцях, і жбурлялися на ворога. Оберталося зі страшною швидкістю і зрізало голови македонців як голови квітів.
Параметри меча:
довжина - 80-100 см
ширина біля перехрестя - 5-6 см
товщина - 4 мм
вага - 1,2-1,8 кг
Властивості клинків:
Висока твердість, міцність і при цьому одночасно велика пружність і в'язкість. Клинки вільно перерубав цвяхи і при цьому легко згиналися в дугу. Легко перерізали газові легкі хустки.
При оцінці якості булатної зброї велику роль грав малюнок на клинку. У візерунку мали значення форма, величина і колір основного металу (фону).
За формою малюнок підрозділяється на смугастий, струменистий, хвилястий, сітчастий і колінчастий. Найбільш високо цінувався колінчастий булат.
Випробовували булатний клинок і на пружність: його клали на голову, після чого обидва кінці притягували до вух і відпускали. Після цього залишкової деформації не спостерігалося.
Справжній булат виготовлявся куванням з литої сталі, що має природні візерунки.
Зварювальний булат (підробка) - отримували проковуванням скручених в канат шматків дроту з різним вмістом вуглецю і тому різну твердість. Після травлення з'являвся малюнок.
Також розковували булат з пакетів листової сталі - до 320 шарів: або: розсіяна в різних рівнях мають різний малюнок.
Донські козаки користувалися зброєю всього світу - захоплювали в боях. Зброя виготовлено було в основному майстрами Кавказу.
Прибалтійський булат:
Вістрям був м'який метал, а вже далі йшов твердий сплав. Секрет довго не могли розкрити.
Розкрив його проф. Іванов Г.П., а адмірал Макаров С.О. знайшов нове застосування: при випробуванні броньових плит
Плита легко пробивалася з м'якою маловуглецевої боку, тоді винайшли бронебійний снаряд з м'яким наконечником:
Отже, через це старі майстри-ковалі нашивали на дуже тверде лезо м'яку смужку, щоб пробити сталеві лати.
Виробництво булату пов'язано з традиціями та секретами. Дуже важко зварити смуги і прутки різного складу між собою і забезпечити необхідні властивості: гнучкість твердість, гостроту леза. Необхідно витримувати температуру, швидкість кування, порядок з'єднання смуг, видалення окислів, застосування флюсів.
Японський булат
Японський булат був твердіше й міцніше дамаської сталі. Це пов'язано з присутністю у складі стали молібдену (Мо). Мо - один з небагатьох елементів, добавка якого в сталь викликає підвищення її в'язкості і твердості одночасно. Всі інші елементи, збільшуючи міцність і твердість, збільшують і крихкість.
Виготовлення: відлив залізо (з Мо) проковували в прути і гартувати на 8-10 років в землю. У процесі корозії з металу виїдати, випадали частинки, збагачені шкідливими домішками. Заготівлі нагадували сир з дірками. Потім прутки насичуватися вуглецем і проковували багаторазово. Кількість найтонших шарів сягала кількох десятків тисяч.
Сталеві матеріали, конструкції, деталі, повинні мати високу корозійну стійкість. Цьому сприяє наявність у складі стали: міді, Cr, Ni, особливо фосфору. (Приклад: атмосферостійка низьковуглецевий будівельна сталь - «Корт» - має благородний колір через поверхневих оксидів. Але ця сталь має підвищеною крихкістю, особливо при низьких температурах).
Корозія - найнебезпечніший ворог сталевих конструкцій. За даними вчених, до сьогоднішнього дня людина виплавив не менше 20 млрд. тонн заліза і сталі, 14 млрд. тонн цього металу «з'їдено» іржею і розсіяно в біосфері ...
Ейфелева вежа - 1889 р . - Передбачали, що вона простоїть не більше 25 років (Ейфель вважав 40 років по міцності). Вежа стоїть у Парижі вже більше 100 років, але це тільки тому, що вона постійно покривається товстим шаром фарби. На фарбування башти йде 52 тонни фарби. Вартість її давно перевищила вартість самої споруди.
Є велика кількість прикладів сталевих і залізних конструкцій, які з плином довгого часу не піддаються корозії: балки в церкві Катав-Іванівське, перила сходів річки Фонтанки в Ленінграді, залізна колона в Делі (1500 років). Протистоять корозії поверхневі оксиди і підвищений вміст Cu і P, а також природним легуванням.
Донбаський державний технічний університет
Інститут підвищення кваліфікації
Контрольна робота
по Металознавство
на тему
«Класифікація металів»
Алчевськ 2009
1. Метали
Металеве стан пояснюється електронною будівлею. Елементи металу, вступаючи в хімічну реакцію з елементами, що є неметалами, віддають їм свої зовнішні, так звані валентні електрони. Це є наслідком того, що в металів зовнішні електрони неміцно пов'язані з ядром; крім того, на зовнішніх електронних оболонках небагато (всього 1-2), тоді як у неметалів електронів багато (5-8).
Всі елементи, розташовані лівіше галлііндія і талію - метали, а правіше миш'яку, сурми і вісмуту - неметали.
У техніці під неметалом розуміють речовини, що володіють «металевим блиском» і пластичністю - характерні властивості.
Крім цього всі метали мають високу електропровідність і теплопровідність.
Особливість будови металевих речовин полягає в тому, що всі вони побудовані в основному з легких атомів, які мають зовнішні електрони слабко пов'язані з ядром. Це обумовлює особливий характер взаємодії атомів металу і металеві властивості. Метали є хорошими провідниками електричного струму.
З відомих (до
2. Класифікація металів
Кожен метал відрізняється будовою і властивостями від іншого, тим не менш, за деякими ознаками їх можна об'єднати в групи.
Дана класифікація розроблена російським ученим Гуляєвим А.П. і може не збігатися із загальноприйнятою.
Всі метали можна розділити на дві великі групи - чорні та кольорові метали.
Чорні метали найчастіше мають темно-сірий колір, велику щільність (крім лужно-земельних), високу температуру плавлення, відносно високу твердість. Найбільш типовим металом цієї групи є залізо.
Кольорові метали найчастіше мають характерну забарвлення: червону, жовту і білу. Володіють великою пластичністю, малою твердістю, відносно низькою температурою плавлення. Найбільш типовим елементом цієї групи є мідь.
Чорні метали в свою чергу можна підрозділити таким чином:
1. Залізні метали - залізо, кобальт, нікель (так звані феромагнетики) і близький до них за властивостями марганець. Co, Ni, Mu часто застосовують як добавки до сплавів заліза, а також в якості основи для відповідних сплавів, схожих за своїми властивостями на високолеговані сталі.
2. Тугоплавкі метали, температура плавлення яких вища, ніж заліза (тобто вище 1539С). Застосовують як добавки до легованих сталей, а також в якості основи для відповідних сплавів. До них відносять: Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Tc (технецій), Hf (гафій), Ta (тантал), W, Re (реній).
3. Уранові метали - актинідії, що мають переважне використання у сплавах для атомної енергетики. До них відносять: Ас (актиній), Th (торій), U (уран), Np (нептуній), Pu (плутоній), Bk (берклій), Cf (каліфорній), Md (Менделєвій), No (Нобеля) та ін .
4. Рідкоземельні метали (РЗМ) - La (лантан), Ce (церій), Nd (неодим), Sm (Санарі), Eu (європій), Dy (діспрозій), Lu (лютецій), Y (ітрій), Sc (Ісландії) та ін, що об'єднуються під назвою лантаноїдів. Ці метали мають вельми близькими хімічними властивостями, але досить різними фізичними (Тип. та ін.) Їх застосовують як присадки до сплавів інших елементів. У природних умовах вони зустрічаються разом і важко разделіми на окремі елементи. Зазвичай використовується змішаний сплав - 40-45% Се (церій) і 40-45% всіх інших РЗМ.
5. Лужноземельні метали - у вільному металевому стані не застосовуються, за винятком особливих випадків, наприклад, теплоносії в атомних реакторах. Li (літій), Na, K (калій), Rb (рубідій), Cs (цезій), Fr (францій), Ca (кальцій), Sr (стронцій), Ba (барій), Ra (радій).
Кольорові метали поділяються на:
1. Легкі метали - Ве (берилий), Mg (магній), Al (алюміній), що володіють малою щільністю.
2. Благородні метали - Ag (срібло), Pt (платина), Au (золото), Pd (паладій), Os (осмій), Ir (іридій), та ін Сu - полублагородний метал. Мають високу стійкість проти корозії.
3. Легкоплавкі метали - Zn (цинк), Cd (кадмій), Hg (ртуть), Sn (олово), Bi (вісмут), Sb (сурма), Pb (свинець), As (миш'як), In (індій) і т. д., і елементи з ослабленими металевими властивостями - Ga (галий), Ge (германій).
Застосування металів почалося з міді, срібла і золота. Так як вони зустрічаються в природі в чистому (самородному) вигляді.
Пізніше почали відновлювати метали з руд - Sn, Pb, Fe і ін
Найбільшого поширення в техніці отримали сплави заліза з вуглецем: сталь (0,025-2,14% С) чавун (2,14-6,76% С); причина широкого використання Fe-C сплавів пов'язано з рядом причин: малою вартістю, найкращими механічними властивостями, можливістю масового виготовлення і великою поширеністю руд Fe в природі.
Більше 90% виготовлених металів становить сталь.
Виробництво металів на
Залізо - 718 000 тис. тонн (в СРСР до 150 млн тонн на рік)
Марганець -> 10 000 тис. тонн
Алюміній - 17 000 тис. тонн
Мідь - 9 400 тис. тонн
Цинк - 6200 тис. тонн
Олово - 5400 тис. тонн
Нікель - 760 тис. тонн
Магній - 370 тис. тонн
Золото -> 1,2 тис. тонн
Вартість металу - чинник можливості та доцільності його застосування. У таблиці наведено відносна вартість різних металів (за одиницю прийнята вартість заліза, точніше простий вуглецевої сталі).
| Метал | Відносить. вартість |
| Fe | 1 |
| Свинець Pb Цинк Zn Алюміній Al Сурма Sb Мідь Cu | 2,5 3 6 6,5 7,5 |
| Марганець Mn Нікель Ni Олово Sn Хром Cr Ртуть Hg Вольфрам W | 10 17 22 25 65 75 |
| Титан Ti Молібден Mo Срібло Ag Ванадій V | 160 170 290 750 |
| Паладій Pd | 5000 |
| Золото Au Платина Pt Радій Rh | 11000 27000 45000 |
Au, Ag, Pt та їх сплави.
Свою назву отримали з-за високої корозійної стійкості. Ці метали пластичні. Мають високу вартість.
Застосовують в ювелірному і зуболікарському справі. Чисте золото з-за його м'якості не застосовують. Для підвищення твердості золото легують (додають інші елементи). Зазвичай використовуються потрійні сплави: Au - Ag - Cu.
Найбільш поширеними є сплави 375, 583, 750 і 916-й проб - це значить, що в цих сплавах на
Сплави 916-ї проби найбільш м'які, але і найбільш коррозионостойкие. Зі зменшенням індексу проби корозійна стійкість зменшується.
Найбільшою твердістю (отже зносостійкістю) мають сплави 583-ої проби, при співвідношенні Cu і Ag близько 1:1.
Сплави вказаних проб мають колір золота.
Індійський булат
Кінець IV століття до н.е., війська Олександра Македонського вперше зустрілися з незвичайною індіанської сталлю при поході через Месопотамію (Ірак) і Афганістан до Індії.
«Чакра» - важке плоске сталеве кільце заточене як лезо, розкручувалося на двох пальцях, і жбурлялися на ворога. Оберталося зі страшною швидкістю і зрізало голови македонців як голови квітів.
Параметри меча:
довжина - 80-100 см
ширина біля перехрестя - 5-6 см
товщина -
вага - 1,2-1,8 кг
Властивості клинків:
Висока твердість, міцність і при цьому одночасно велика пружність і в'язкість. Клинки вільно перерубав цвяхи і при цьому легко згиналися в дугу. Легко перерізали газові легкі хустки.
При оцінці якості булатної зброї велику роль грав малюнок на клинку. У візерунку мали значення форма, величина і колір основного металу (фону).
За формою малюнок підрозділяється на смугастий, струменистий, хвилястий, сітчастий і колінчастий. Найбільш високо цінувався колінчастий булат.
Випробовували булатний клинок і на пружність: його клали на голову, після чого обидва кінці притягували до вух і відпускали. Після цього залишкової деформації не спостерігалося.
Справжній булат виготовлявся куванням з литої сталі, що має природні візерунки.
Зварювальний булат (підробка) - отримували проковуванням скручених в канат шматків дроту з різним вмістом вуглецю і тому різну твердість. Після травлення з'являвся малюнок.
Також розковували булат з пакетів листової сталі - до 320 шарів: або: розсіяна в різних рівнях мають різний малюнок.
Донські козаки користувалися зброєю всього світу - захоплювали в боях. Зброя виготовлено було в основному майстрами Кавказу.
Прибалтійський булат:
Вістрям був м'який метал, а вже далі йшов твердий сплав. Секрет довго не могли розкрити.
Розкрив його проф. Іванов Г.П., а адмірал Макаров С.О. знайшов нове застосування: при випробуванні броньових плит
Плита легко пробивалася з м'якою маловуглецевої боку, тоді винайшли бронебійний снаряд з м'яким наконечником:
Отже, через це старі майстри-ковалі нашивали на дуже тверде лезо м'яку смужку, щоб пробити сталеві лати.
Виробництво булату пов'язано з традиціями та секретами. Дуже важко зварити смуги і прутки різного складу між собою і забезпечити необхідні властивості: гнучкість твердість, гостроту леза. Необхідно витримувати температуру, швидкість кування, порядок з'єднання смуг, видалення окислів, застосування флюсів.
Японський булат
Японський булат був твердіше й міцніше дамаської сталі. Це пов'язано з присутністю у складі стали молібдену (Мо). Мо - один з небагатьох елементів, добавка якого в сталь викликає підвищення її в'язкості і твердості одночасно. Всі інші елементи, збільшуючи міцність і твердість, збільшують і крихкість.
Виготовлення: відлив залізо (з Мо) проковували в прути і гартувати на 8-10 років в землю. У процесі корозії з металу виїдати, випадали частинки, збагачені шкідливими домішками. Заготівлі нагадували сир з дірками. Потім прутки насичуватися вуглецем і проковували багаторазово. Кількість найтонших шарів сягала кількох десятків тисяч.
Сталеві матеріали, конструкції, деталі, повинні мати високу корозійну стійкість. Цьому сприяє наявність у складі стали: міді, Cr, Ni, особливо фосфору. (Приклад: атмосферостійка низьковуглецевий будівельна сталь - «Корт» - має благородний колір через поверхневих оксидів. Але ця сталь має підвищеною крихкістю, особливо при низьких температурах).
Корозія - найнебезпечніший ворог сталевих конструкцій. За даними вчених, до сьогоднішнього дня людина виплавив не менше 20 млрд. тонн заліза і сталі, 14 млрд. тонн цього металу «з'їдено» іржею і розсіяно в біосфері ...
Ейфелева вежа -
Є велика кількість прикладів сталевих і залізних конструкцій, які з плином довгого часу не піддаються корозії: балки в церкві Катав-Іванівське, перила сходів річки Фонтанки в Ленінграді, залізна колона в Делі (1500 років). Протистоять корозії поверхневі оксиди і підвищений вміст Cu і P, а також природним легуванням.