Значение металлов в народном хозяйстве. Предмет металловедения

Тема 1. ВВЕДЕНИЕ. СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ.

Металловедение это наука о взаимосвязи электронного строения, структуры металлов и сплавов с их составом, физическими, химическими, технологическими и другими свойствами.

Создание научных основ металловедения по праву принадлежит Д. К. Чернову, который установил критические температуры фазовых превращений в сталях и их связь с количеством углерода в стали. Этим были заложены основы для важнейшей в металловедении диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов. Огромное влияние на изучение металлов имело открытие периодического закона Д. И. Менделеева. Большое значение для развития металловедения имеют труды Н. С. Курнакова, А. М. Бочвара, А. А. Бочвара, А. А. Байкова, С. С. Штейнберга, Г. В. Курдюмова и многих других ученых нашей страны. Среди зарубежных ученых большой вклад в развитие металловедения внесли Ле Шателье, Аустен, Осмонд, Юм-Розери, Зейц, Котрелл и другие.

Особенно интересно развивается металловедение в последние десятилетия. Это объясняется потребностью в новых материалах для исследования космоса, развития экономики, атомной энергетики. Для этого понадобилось включение в число промышленных материалов почти всех элементов периодической системы.

Основными направлениями в развитии теоретического металловедения на ближайшее десятилетие является разработка способов производства чистых и сверхчистых металлов, свойства которых сильно отличаются от свойств металлов технической чистоты, с которыми преимущественно работают ученые. Генеральной задачей металловедения конца XX века является создание сплавов с заранее рассчитанными свойствами применительно к заданным параметрам и условиям работы на основе данных квантовой физики, физики твердого тела, физикохимии металлов и накопленных экспериментальных закономерностей. Большое внимание уделяется изучению металлов в экстремальных условиях: при очень низких и очень высоких температурах и давлениях.

До сего времени основной материальной базой машиностроения служит черная металлургия, производящая стали и чугуны. Эти материалы имеют много положительных качеств и в первую очередь обеспечивают высокую конструкционную прочность деталей машин. Однако эти классические материалы имеют такие недостатки, как большая плотность, низкая коррозионная стойкость. Потери от коррозии составляют 20% годового производства, изделий из стали и чугуна. Поэтому, по данным научных исследований, через 20 – 40 лет все развитые страны перестроятся на массовое использование металлических сплавов на базе титана, алюминия, магния. Эти легкие и прочные сплавы позволяют в 2…3 раза облегчить станки и машины, в 10 раз уменьшить расходы на ремонт. По данным института им. Байкова АН России в нашей стране есть все условия, чтобы в течение 10…15 лет машиностроение смогло перейти на выпуск алюминиево-титановой техники, которая отличается легкостью, коррозионной стойкостью и большим безремонтным ресурсом.

Приступая к изучению предмета металловедения прежде всего следует ответить на вопрос: что такое металл?

В химии под металлами понимают определенную группу элементов периодической системы Д. И. Менделеева. Элементы этой группы, вступая в химическую реакцию с элементами, являющимися неметаллами, отдают им свои внешние, так называемые валентные электроны.

В технике под металлом понимают вещества, обладающие «металлическим блеском», в той или иной мере присущим всем металлам, и пластичностью. По этому признаку металлы можно легко отличить от неметаллов, например, дерева, камня, стекла или фарфора.

«Металлы суть светлые тела, которые ковать можно». Это определение металлов, данное М. В. Ломоносовым, не потеряло своего научного значения и теперь, через 200 лет. Этими свойствами обладают не только чистые элементы, например, алюминий, медь, железо и другие, но и более сложные вещества, в состав которых может входить несколько элементов-металлов, часто с примесью заметных количеств элементов – неметаллов. Такие вещества называются металлическими сплавами. Следовательно, в более широком толковании металлические сплавы также могут быть названы металлами.

Кроме металлического блеска и пластичности, все металлы обладают высокой электропроводностью и теплопроводностью.

Теория металлического состояния рассматривает металл как вещество, состоящее из положительно заряженных ионов, окруженных отрицательно заряженными частицами – электронами, слабо связанными с ядром. Эти электроны непрерывно перемещаются внутри металла и принадлежат не одному какому – то атому, а всей совокупности атомов.

Таким, образом, характерной особенностью атомно-кристаллического строения металлов является наличие электронного газа внутри металла слабо связанного с положительно заряженными ионами. Легкое перемещение этих электронов внутри металла и малая связь их с атомами обусловливают наличие у металлов определенных металлических свойств: высокая электро- и теплопроводность, металлический блеск, пластичность и др.

Каждый металл отличается строением и свойствами от другого, тем не менее по некоторым признакам их можно объединить в группы.

Прежде всего все металлы можно разделить на две большие группы: черные и цветные металлы.

Черные металлы имеют темно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочноземельных), высокую температуру плавления, относительно высокую твердость и во многих случаях обладают полиморфизмом. Наиболее типичным металлом этой группы является железо.

Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую, белую. Обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления, для них характерно отсутствие полиморфизма. Наиболее типичным металлом этой группы является медь.

Черные металлы подразделяются на:

1. Железные металлы - железо, кобальт, никель (так называемые ферромагнетики) и близкий к ним по свойствам марганец. Кобальт, никель и марганец часто применяют как добавки к сплавам железа, а также в качестве основы для соответствующих сплавов, похожих по свойствам на высоколегированные стали.

2. Тугоплавкие металлы, температура плавления которых выше, чем железа (т.е. выше 1539ºС). Применяют как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов.

3. Урановые металлы – актиниды, имеющие преимущественное применение в сплавах для атомной энергетики.

4. Редкоземельные металлы (РЗМ) – лантан, церий, неодим, празеодим и другие лантаноиды. Применяют как присадки к сплавам других элементов.

5. Щелочноземельные металлы в свободном металлическом состоянии не применяются, за исключением специальных случаев.

Цветные металлы подразделяются на:

1. Легкие металлы – бериллий, магний, алюминий, обладающие малой плотностью.

2. Благородные металлы – серебро, золото, металлы платиновой группы. К ним может быть отнесена и «полублагородная медь». Обладают высокой устойчивостью против коррозии.

3. Легкоплавкие металлы – цинк, кадмий, ртуть, олово, свинец, висмут, таллий, сурьма и элементы с ослабленными металлическими свойствами – галлий, германий.

Дата добавления: 2014-01-11