Министерство образования и науки Украины
Донбасский государственный технический университет
Институт повышения квалификации
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
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).
В технике под неметаллом понимают вещества, обладающие «металлическим блеском» и пластичностью – характерные свойства.
Кроме этого все металлы обладают высокой электропроводностью и теплопроводностью.
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.
железо.
этой группы является медь.
1. Железные металлы 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 No(нобелий) и др.
4. Редкоземельные металлы 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).
1. Легкие металлы – Ве(берилий), Mg(магний), Al(аллюминий), обладающие малой плотностью.
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.:
Марганец – > 10 000 тыс. тонн
Алюминий – 17 000 тыс. тонн
Цинк – 6200 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 Pb
Цинк Zn
Алюминий Al
Сурьма Sb
Медь Cu
|
2,5
3
6
6,5
7,5
|
Марганец Mn
Никель Ni
Олово Sn
Хром Cr
Ртуть Hg
Вольфрам W
|
10
17
22
25
65
75
|
Титан Ti
Молибден Mo
Серебро Ag
Ванадий V
|
160
170
290
750
|
| Палладий Pd |
5000 |
Золото Au
Платина Pt
Радий Rh
|
11000
27000
45000
|
Благородные металлы:
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.
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
вес – 1,2–1,8 кг
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.
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)
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.
| 
