Hlavní mechanické vlastnosti kovů. Technologické vlastnosti kovů

V naší době se pro výrobu strojů a zařízení používají především materiály, které zahrnují kovy, slitiny kovů s jinými kovy a nekovy. Proto je velmi důležité určit mechanické vlastnosti kovů. Neméně důležitá je znalost takových obecných zákonů jako četnost změn ve schopnostech jejich prvků a jejich sloučenin, závislost vlastností na typech a vlastnostech chemických vazeb v slitinách, které jsou na nich založeny.

Základní mechanické vlastnosti kovů

Kovy jsou látky charakterizované tepelným vodivostí, elektrickou vodivostí, plasticitou. Všichni, s výjimkou rtuti, jsou pevné látky při pokojové teplotě. Teplota tání je v rozmezí od -38,78 do +3380 ^o C. Mechanické a technologické vlastnosti kovů mají vysokou schopnost absorbovat světlo, a proto jsou neprůhledné i ve velmi tenkých vrstvách. Nicméně hladká a čistá povrchová vrstva odráží světlo a dává jí charakteristický lesk. Většina povrchů je bílá a šedá. Jen měď a zlato mají žlutý odstín. Některé kovy mají šedou barvu se slabým modravým, nažloutlým nebo načervenalým odstínem. V pevném stavu mají všechny krystalickou formu. Ve stavu par, monoatomických kovů. Podle jejich specifické hmotnosti jsou rozděleny na lehké a těžké. Existuje další divize - pro železné a neželezné kovy.

Kovy v přírodě a metody jejich extrakce

V přírodě se kovy nacházejí ve volném stavu (Cu, Au, Ag, Hg, Pt) a ve formě různých sloučenin - oxidy, sulfidy, uhličitany, sírany, fosforečnany, chloridy, dusičnany a další sloučeniny. Při jejich extrakci z rud a minerálů se používají různé způsoby redukce. V praxi mají ty sloučeniny a minerály hodnotu, z čehož průmysl může získat čistý kov jednoduše a bez velkých nákladů. Uhlík se používá k výrobě železa z železné rudy. Redukčními činidly mohou být vodík, hliník, vápník, sodík, které mají větší schopnost přidávat kyslík. Výroba železa ze sulfidů probíhá ve dvou fázích: nejdříve se získá síran, pak se vyhoří a převede na oxidy, a výsledný oxid se redukuje podle technologie výroby z oxidů. U karbonátů je uhličitan uhličitan nejdříve vystaven zahřátí. Podobné akce lze získat z různých druhů železa z různých přírodních sloučenin. Metoda elektrolýzy vytváří aktivní kovy, alkalické, alkalické zeminy, hliník, hořčík atd. Tyto látky se vyrábějí elektrolýzou tavenin (roztavených solí). Průchodem přímého elektrického proudu se u katody uvolňují ionty. Obtížně roztavené technologické vlastnosti kovů se používají k jejich získání ve formě prášku nebo houbovitého stavu, po kterém následuje lisování při vysoké teplotě.

Struktura kovů a jejich fyzikální vlastnosti

Mechanické vlastnosti kovů jsou ovlivňovány charakteristikami jejich vnitřní struktury v pevném stavu. Kovová mřížka má takovou vlastnost, že v jejích uzlech jsou molekulové částice, tj. Existuje rovnováha. Valenceové elektrony jsou v relativně volném stavu a nejsou pevně fixovány na každý atom, tvořící takzvaný elektronový plyn. To znamená, že krystalová mřížka se skládá z pozitivních iontů a mezery mezi ionty jsou naplněny elektrony. Pokud je teplotní rozdíl nebo pod vlivem vnějšího potenciálního rozdílu, tyto elektrony se snadno pohybují a vedou teplo a elektrický proud bez přemísťování částic materiálu. Ve stavu par, mechanické vlastnosti kovů přispívají k vedení elektrického proudu pouze v ionizované formě. Je charakteristické, že se zvyšující se teplotou klesá elektrická vodivost vzhledem k tomu, že se zvyšuje jejich objemový odpor. Při zahřátí nebo (i při vystavení fotonům) se energie elektronů zvětšuje, v důsledku toho mohou být dokonce snadno vysílány (vzhled katodových paprsků a emisí fotoelektronů se používá v radiotechnikach, v elektronických trubkách a při měření světelné intenzity pomocí fotobuněk). Kovová mřížka je tedy vlastně iontová mřížka, na jejíž vrcholech jsou kladné ionty stejného jména, jejichž vzájemné odpuzování není kompenzováno protichůdnými nabitými anionty, ale společným úsilím volných elektronů.

Zkoušky mechanických vlastností kovů

Rozpuštění se může provádět pouze v případě, že jsou převedeny na ve vodě rozpustné sloučeniny, tj. Chemicky. Některé mohou zkapalnit v kapalné rtuti (stříbro, zlato), tvořící tzv. Amalgám. Železo může vytvářet jak směsi, tak intermetalické sloučeniny (intermetalické fáze), které mají určité složení. Abychom získali obraz o změně vlastností s teplotou, použijeme chladicí křivky získané studiem rychlosti chlazení. Předehřátá látka se nechá vychladnout a teplota se měří každou hodinu. Výsledky jsou vykresleny na schématu, kde je vynesena časová osa na ose pod úsečky a teplota je vynesena na osy osy. Pokud se technologické vlastnosti kovů spolu s uvolňováním tepla nemění během chlazení, teplota se postupně snižuje. Pokud dojde k jakýmkoliv změnám v systému, dochází ke zpoždění chlazení systému způsobené fázovými přechody. Pomocí tepelné analýzy chladicích křivek je možné zkoumat složení sloučenin, které mohou být vytvořeny mezi složkami slitin.

Změny charakteristik slitin v závislosti na složení

Obecně, když látka prochází z kapaliny do pevného stavu, látka se uvolňuje ve formě více či méně velkých částic - krystalů nebo beztvaré amorfní hmoty (lepidla, pryž atd.). Nejmenší možný objem krystalové mřížky, který reprodukuje vlastnosti své struktury, se vyznačuje jednotkovou buňkou. Forma pevné látky závisí na povaze látky a podmínkách, v nichž dochází k přechodu na pevný stav. Pokud na vrcholcích existují identické atomy, potom je vzdálenost mezi nimi v krystalu rovna součtu jejich poloměrů, to znamená, že poloměr atomu se rovná polovině této vzdálenosti. Plnění krystalových mřížek s molekulami a ionty se vyskytuje při maximálním hustém obalu, tj. Ionty a molekuly vyplňují prostor minimálním objemem. Prvky symetrie pevného krystalu jsou jeho středem, rovinami a osami. Jejich nejcharakterističtějším znakem je anizotropie, tj. Odlišnost jejich vlastností (pevnost, tepelná vodivost, rychlost rozpouštění atd.) V různých směrech. Absence přísně řízených vazeb mezi atomy, mechanické vlastnosti kovů umožňují umístit dva nebo více prvků do kovové mřížky, které jsou uspořádány v určitém pořadí a vytvářejí intermetalické struktury.

Slitiny

Při smíchání různých kovů v roztaveném stavu mohou být částice hlavní složky nahrazeny částicemi jiného nebo několika prvků, aniž by se změnila krystalová mřížka a vznikly tuhé roztoky. Materiály obsahující dva nebo více typů atomů a mají charakteristické vlastnosti (lesk, tepelná vodivost, elektrická vodivost) se nazývají slitiny. V roztaveném stavu se kovy dobře rozpouštějí a zpravidla bez omezení. Často v těchto řešeních může vznikat řada heterogenních zón, což naznačuje jejich omezenou rozpustnost. Mechanické vlastnosti kovů, na jejichž základě se slitina vytváří, se liší od fyzikálních a mechanických vlastností slitin. Když jsou rozpuštěny v rtuti, vytvářejí se tzv. Amalgámy. V praxi existují tři typy slitiny: tvrdé roztoky, ty, které mají charakter chemických sloučenin kovů a směs krystalů.

Vytvoření elementární krystalové mřížky slitin

Různé způsoby výroby slitin umožňují vyrábět s požadovanými vlastnostmi. V praxi se používají sloučeniny na bázi železa, mědi, niklu apod. Fyzikální a mechanické vlastnosti kovů, na jejichž základě se slitina vyrábí, se výrazně liší od vlastností slitin. Přidané atomy mohou tvořit více "tuhých" lokalizovaných vazeb a klesání vrstev atomů klesá. To vede ke snížení tažnosti a zvýšení tuhosti slitin. Proto se síla železa zvyšuje 10krát přidáním 1% uhlíku, niklu nebo manganu. V mosazi, která obsahuje 65-70% chromu a 30-5% zinku, je síla 2krát více než v čisté mědi a 4krát více než u čistého zinku. Průmysl vyrábí velmi mnoho druhů slitin různých kovů s požadovanými vlastnostmi.

Kovová konstrukce

Studiem struktury atomů lze pozorovat, že všichni mají na vnější energii malý počet elektronů a že jsou charakterizovány schopností dát elektronům pouze při vytváření sloučenin. Ve sloučeninách mají kovy vždy pozitivní charakter stupeň oxidace. Při tvorbě sloučenin poskytují částice elektrony, které vykazují vlastnosti redukčního činidla. Schopnost darovat elektrony je odlišná a závisí na struktuře atomu. Čím jednodušší dává elektrony, tím je aktivnější. Kvantitativní charakteristika mechanických vlastností kovů pro uvolnění elektronu je ionizační potenciál. Tím se rozumí minimální napětí elektrického pole (ve voltech), při kterém elektron dostává takové zrychlení, že může způsobit ionizaci atomu. Aktivita ve vodných roztocích je charakterizována standardním potenciálem elektrod a lze je kvantifikovat pomocí standardní vodíkové elektrody, jejíž potenciál je považován za ± 0. Vzácné kovy mají pozitivní standardní potenciál. Chemickými vlastnostmi jsou schopni reagovat s vodou, kyselinami, zásadami, solemi, oxidy, organické látky.

Interakce s nekovy

Ve všech případech tvorby sloučenin s nekovy nastává přechod elektronů z atomů kovu na nekovové atomy. Hydridy jsou sloučeniny s vodíkem. Alkalické a alkalické zeminy jsou tvořeny přímou interakcí s vodíkem. Halidy jsou soli halogenovodíkových kyselin, polární molekuly, které pro kovy 1, 2 skupiny jsou dobře rozpustné ve vodě. Jsou tvořeny přímou interakcí železa s halogeny, halogenovodíkové kyseliny se železem. Ve svém prostředí se s ním velmi aktivně kontaktují kovy. Oxidy mají převážně zásadní povahu, mezi které patří oxidy hliníku, zinku, olova (II), chrómu (III). Mohou být získány z prvků rozkladem solí s hydroxidem, pražení sulfidů. Základní mechanické vlastnosti kovů ve vzduchu přispívají k jejich povlékání oxidovým filmem. Pokud nezakrývá povrch volně, neochrání proti ničení, probíhá chemická koroze. Některé kovy tvoří velmi hustý oxidový film, který nedovoluje, aby kyslík ze vzduchu a další oxidanty pronikl přes něj a chrání kov před korozí.