С незапамятных времен человек познакомился с семеркой металлов: железом, медью, серебром, оловом, золотом, ртутью и свинцом. Два из них — золото и серебро — за красоту и стойкость стали называться благородными. К другим металлам отношение было не менее почтительное. Известны периоды в истории человечества, когда железо ценилось дороже золота. Но главное достоинство так называемых простых металлов в том, что эти великие труженики сыграли решающую роль в развитии цивилизации. В средневековой Европе каждому металлу, входящему в замечательную семерку, была посвящена одна из крупнейших планет. Меди была посвящена Венера, железу — Марс, серебру — Селена (Луна), золоту — Гелиос (Солнце), олову — Юпитер, свинцу — Сатурн и ртути — Меркурий.
История развития искусства и ремесел тесно связана именно с этими металлами. Пройдя долгий путь из глубокой древности до наших дней, они не утратили своего значения и сегодня. Хотя уже открыто почти 60 видов металлов, «старые» металлы по-прежнему остаются незаменимым материалом в скульптуре, декоративно-прикладном искусстве и ювелирном деле. Из простых, сравнительно молодых металлов такое же большое значение имеют алюминий и цинк, ставшие популярными у современных мастеров, занимающихся художественной обработкой металла.
Каждый металл имеет свою биографию, в которой подчас подлинные исторические факты тесно переплетаются с мифами и легендами, а реальные свойства — с суеверными представлениями. По мере освоения различных металлов человек пристально присматривался к ним, вольно или невольно изучая их свойства, которые учитывал при изготовлении орудий труда, оружия, посуды, культовой скульптуры, украшений и многого другого. Заблуждаясь или подчас делая открытия, люди создали сложную символику металлов. Металл вошел в народные пословицы и поговорки как символ твердости и красоты.
Атомы металлов отличаются размерами и свойствами. Когда часть узлов в кристаллической решетке металла-растворителя занимают атомы растворимого металла, происходит искажение кристаллической решетки. В этом и заключается причина ограниченной растворимости. Когда искажения кристаллической решетки достигнут очень, большой величины, решетка становится неустойчивой и наступает предел растворимости. Непременным условием неограниченной растворимости является одинаковый тип кристаллической решетки обоих металлов. Но даже металлы, имеющие одинаковый тип кристаллической решетки, близкие размеры и свойства, не всегда образуют твердые растворы с неограниченной растворимостью.
Химические соединения металлы образуют как с металлами, так и с неметаллами. Химическое соединение характеризуется определенной температурой плавления, скачкообразным изменением свойств при изменении состава. Химические соединения металлов с неметаллами образуются при строго определенных соотношениях входящих в них элементов, соответствующих нормальным валентностям. Атомы металлов в таких соединениях отдают свои валентные электроны неметаллам. Химические соединения металлов с неметаллами не обладают металлическими свойствами. Химические соединения между двумя металлами или металлом и элементом со свойствами, переходными между металлом и неметаллом, обладают металлическими свойствами. Химические соединения дают металлы, далеко стоящие друг от друга в периодической таблице элементов Д.И. Менделеева и сильно отличающиеся по своим свойствам. Металлические свойства у химических соединений выражены слабее, чем у чистых металлов и твердых растворов. Химические соединения обладают повышенной твердостью и пониженной пластичностью.
Для научных целей путем весьма медленного охлаждения можно получить очень крупные кристаллы металла, весящие десятки и сотни граммов. Кусок металла, представляющий собой один кристалл, называется монокристаллом. Металлическое изделие с произвольным расположением зерен называется квазиизотропным.
В некоторых случаях при помощи пластической деформации и последующей термической обработки добиваются преимущественной ориентации кристаллов во всем металлическом изделии. Например, получив в трансформаторной стали определенную преимущественную ориентацию зерен, можно добиться снижения потерь при перемагничивании стального набора трансформатора. Как уже отмечалось выше, металл состоит из большого числа кристаллов неправильной формы — зерен. Границы между отдельными зернами чистого металла служат местами скопления дефектов строения кристаллической решетки. При переходе от одного зерна металла к другому меняется направление кристаллической решетки. По границе между зернами имеется слой из атомов, принадлежащих частично кристаллической решетке одного зерна, частично решетке другого. Причем чем больше разница в ориентировке соседних зерен, тем больше несовершенств по границе между ними. Атомы примесей в чистых металлах стремятся расположиться преимущественно по границам зерен, где кристаллическая решетка уже имеет несовершенства строения и где появление инородного атома вызывает меньшие дополнительные искажения.
Металлические сплавы — вещества, получаемые сплавлением Двух или более элементов, обладающие характерными металлическими свойствами. Металлические сплавы получают сплавлением двух различных металлов или металлов с неметаллами при преимущественном содержании металлов. Строение сплавов сложнее, чем чистых металлов. В технике металлические сплавы применяют шире, чем чистые металлы. Сплавы часто обладают ценными механическими, технологическими, электрическими, магнитными и другими свойствами, которыми не обладают чистые металлы. В жидком состоянии большинство металлов растворяются друг в друге в любых пропорциях. В технике сплавы получают путем взаимного растворения их составляющих в жидком состоянии. При кристаллизации в процессе последующего охлаждения получаются твердые сплавы. Но из этого правила есть исключения. Например, жидкий свинец почти не растворяется в жидкой меди и в жидком железе. Не растворяются друг в друге в жидком состоянии металлы с большой разницей в объемах атомов и температурах плавления.
При кристаллизации жидкого сплава могут получаться твердые металлические сплавы с различным строением. Механическая смесь двух чистых металлов А и В получается в том случае, когда в процессе кристаллизации сплава из жидкого состояния разнородные атомы не входят в общую кристаллическую решетку. В механической смеси каждый металл образует самостоятельные кристаллы. Кристаллы каждого из металлов, находящиеся в этом сплаве, обладают теми же строением и свойствами, которыми они обладают в куске чистого металла.
Твердый раствор — сплав, у которого атомы растворимого элемента размещены в кристаллической решетке растворителя. В кристаллах твердого раствора существует только один тип кристаллической решетки. Растворителем является тот элемент, кристаллическую решетку которого имеет твердый раствор. Растворимый элемент имеет твердый раствор. Растворимьш элемент может либо замещать элемент-растворитель в узлах кристаллической решетки, либо располагаться в междоузлиях. Все металлы растворяются друг в друге в твердом состоянии. Большинство металлов может растворяться друг в друге только до определенных пределов. Например, олово может растворяться в свинце в количестве не более 19, 5 % по весу, а свинец в олове - до 2, 6 %. Если твердый раствор двух металлов может существовать только в определенных пределах концентраций, то такой раствор называют ограниченным. Некоторые пары металлов способны давать твердые растворы при любом соотношении между компонентами, образующими сплав. Такие твердые растворы называют неограниченными.
В промышленности металлы применяются в основном в виде сплавов: черных (чугун, сталь) и цветных (бронза, латунь, дюралюминий и др.)
.
Сталь и чугун — это сплавы железа с углеродом. Но в стали содержание углерода немного меньше, чем в чугуне.
В чугуне содержится от 2 до 4% углерода. В состав чугуна входят также кремний, марганец, фосфор и сера. Чугун — хрупкий твердый сплав. Поэтому его используют в тех изделиях, которые не будут подвергаться ударам. Например, из чугуна отливают радиаторы отопления, станины станков и другие изделия.
Сталь, как и чугун, имеет примеси кремния, фосфора, серы и других элементов, но в меньшем количестве.
Сталь не только прочный, но и пластичный металл. Благодаря этому она хорошо поддается механической обработ ке. Сталь бывает мягкой и твердой.
Более твердая сталь используется для изготовления проволоки, гвоздей, шурупов, заклепок и других изделий.
Из очень твердой стали делают металлические конструкции (конструкционная сталь) и режущие инструменты (инструментальная сталь). Инструментальная сталь имеет большую, чем конструкционная, твердость и прочность.
Добавление в сталь таких элементов, как хром, никель, вольфрам, ванадий, позволяет получить сплавы с особыми физическими свойствами — кислотостойкие, нержавеющие, жаропрочные и т. д.
Чугун выплавляют из железной руды в доменных печах. Руду вместе с коксом (специально обработанным углем, который дает при горении высокую температуру) загружают в доменную печь сверху. Снизу в домну все время вдувают чистый горячий воздух, чтобы кокс лучше горел. Внутри печи образуется высокая температура, руда плавится, и полученный чугун стекает на дно печи. Расплавленный металл вытекает из отверстия домны в ковши. Из смеси чугуна со стальным ломом в мартеновских печах, конверторах и электропечах получают сталь.
Из цветных сплавов наиболее широко применяются бронза, латунь и дюралюминий.
Бронза — желто-красный сплав на основе меди с добавлением олова, алюми ния и других элементов. Отличается высокой прочностью, стойкостью против коррозии. Из бронзы отливают художественные изделия, делают сантехническую арматуру, трубопроводы, детали, работающие в условиях трения и повышенной влажности.
Латунь — сплав меди с цинком, желтого цвета. Имеет высокую твердость, пластичность, коррозийную стойкость. Выпускается в виде листов, проволоки, шестигранного проката и применяется чаще всего для изготовления деталей, работающих в условиях повышенной влажности.
Дюралюминий — сплав алюминия с медью, цинком, магнием и другими металлами, серебристого цвета. Обладает высокими антикоррозийными свойствами, хорошо обрабатывается. Дюралюминий широко применяют в авиастроении, машиностроении и строительстве, где требуются легкие и прочные конструкции.
Основные свойства металлов
Вы знаете, что металлы обладают различными свойствами. Одни из них мягкие, вязкие, другие твердые, упруг ие или хрупкие. Знать свойства металлов необходимо для того, чтобы правильно определить наиболее подходящий для того или иного изделия материал.
Физические свойства.
К этим свойствам относятся: цвет, удельный вес, теплопроводность, электропроводность, температура плавления.
Цвет металла или сплава является одним из признаков, позволяющих судить о его свойствах.
Металлы различаются по цвету. Например, сталь — сероватого цвета, цинк — синевато-белого, медь — розовато-красного.
При нагреве по цвету поверхности металла можно примерно определить, до какой температуры он нагрет, что особо важно для сварщиков. Однако некоторые металлы (алюминий) при нагреве не меняют цвета.
Поверхность окисленного металла имеет иной цвет, чем не окисленного.
Удельный вес — вес одного кубического сантиметра вещества, выраженный в граммах. Например, углеродистая сталь имеет удельный вес, равный 7, 8 г/см3. В авто- и авиастроении вес деталей является одной из важнейших характеристик, поскольку конструкции должны быть не только прочными, но и легкими. Чем больше удельный вес металла, тем более тяжелым (при равном объеме) получается изделие.
Теплопроводность — способность металла проводить тепло — измеряется количеством тепла, которое проходит по металлическому стержню сечением в 1 см2 за 1 мин. Чем больше теплопроводность, тем труднее нагреть кромки свариваемой детали до нужной температуры.
Температура плавления — температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. У стали, например, температура плавления гораздо более высокая, чем у олова.
Чистые металлы плавятся при одной постоянной температуре, а сплавы — в интервале температур.
Механические свойства.
К механическим свойствам металлов и сплавов относятся прочность, твердость, упругость, пластичность, вязкость.
Эти свойства обычно являются решающими показателями, по которым судят о пригодности металла к различным условиям работы.
Прочность — способность металла сопротивляться разрушению при действии на него нагрузки.
Твердость — способность металла сопротивляться внедрению в его поверхность другого более твердого тела. Если ударить молотком по кернеру, поставленному на стальную пластинку, образуется небольшая лунка. Если то же самое сделать с пластинкой из меди, лунка будет больше. Это свидетельствует о том, что сталь тверже меди.
Упругость — свойство металла восстанавливать свою форму и размеры после прекращения действия нагрузки. Высокой упругостью должна обладать, например, рессоры и пружины, поэтому они изготовляются из специальных сплавов. Попробуйте одновременно растянуть и отпустить пружины из стальной и медной проволоки. Вы увидите, что первая вновь сожмется, а вторая останется в том же положении. Значит, сталь более упругий материал, чем медь.
Пластичность — способность металла изменять форму и размеры под действием внешней нагрузки и сохранять новую форму и размеры после прекращения действия сил. Пластичность — свойство, обратное упругости. Чем больше пластичность, тем легче металл куется, штампуется, прокатывается.
Вязкость — способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) нагрузкам. Например, если наносить удары по чугунной плите, она разрушится. Чугун — хрупкий металл. Вязкость — свойство, обратное хрупкости. Вязкие металлы применяются в тех случаях, когда детали при работе подвергаются ударной нагрузке (детали вагонов, автомобилей и т. п.).
Раздел 4 Органические соединения
