Le principali proprietà meccaniche dei metalli. Proprietà tecnologiche dei metalli

Nel nostro tempo, per la produzione di macchine e dispositivi sono principalmente utilizzati materiali, che comprendono metalli, leghe di metalli con altri metalli e non metalli. Pertanto, è molto importante determinare le proprietà meccaniche dei metalli. Non meno importante è la conoscenza di tali leggi generali come la frequenza dei cambiamenti nelle capacità dei loro elementi e dei loro composti, la dipendenza delle proprietà sui tipi e le caratteristiche dei legami chimici in leghe basate su di essi.

Proprietà meccaniche di base dei metalli

I metalli sono sostanze caratterizzate da conduzione del calore, conduttività elettrica, plasticità. Tutti loro, ad eccezione del mercurio, sono solidi a temperatura ambiente. Il punto di fusione è compreso tra -38.78 e +3380 ^o C. Le proprietà meccaniche e tecnologiche dei metalli hanno un'elevata capacità di assorbire la luce e quindi sono opache anche in strati molto sottili. Tuttavia, lo strato superficiale liscio e pulito riflette bene la luce e conferisce una lucentezza caratteristica. La maggior parte delle superfici è bianca e grigia. Solo il rame e l'oro hanno una tonalità gialla. Alcuni metalli hanno un colore grigio con una debole sfumatura bluastra, giallastra o rossastra. Allo stato solido, hanno tutti una forma cristallina. Nello stato di vapore, metalli monoatomici. Secondo il loro peso specifico sono divisi in quelli leggeri e pesanti. C'è un'altra divisione - per metalli ferrosi e non ferrosi.

Metalli in natura e metodi di estrazione

In natura, i metalli si trovano sia allo stato libero (Cu, Au, Ag, Hg, Pt), sia sotto forma di vari composti: ossidi, solfuri, carbonati, solfati, fosfati, cloruri, nitrati e altri composti. Quando li estrai da minerali e minerali, vengono usati vari modi di riduzione. In pratica, questi composti e minerali hanno un valore, di cui l'industria può ottenere il metallo puro in modo semplice e senza grandi spese. Il carbonio è usato per produrre ferro da minerale di ferro. Gli agenti riducenti possono essere idrogeno, alluminio, calcio, sodio, che hanno una maggiore capacità di aggiungere ossigeno. La produzione di ferro dai solfuri avviene in due fasi: prima si ottiene il solfato, poi si brucia e si converte in ossidi, quindi l'ossido risultante viene ridotto secondo la tecnologia di produzione dagli ossidi. Di carbonati, il carbonato viene preparato per primo quando riscaldato. Azioni simili possono essere ottenute da vari tipi di ferro da vari composti naturali. Il metodo di elettrolisi produce attivo metalli, alcalini, terra alcalina, alluminio, magnesio, ecc. Questi ultimi sono prodotti per elettrolisi di fusioni (sali fusi). Passando una corrente elettrica diretta, gli ioni vengono rilasciati al catodo. Le proprietà tecnologiche difficili da sciogliere dei metalli vengono utilizzate per ottenerle sotto forma di polvere o di stato spugnoso, seguito da pressatura ad alta temperatura.

La struttura dei metalli e le loro proprietà fisiche

Le proprietà meccaniche dei metalli sono influenzate dalle caratteristiche della loro struttura interna allo stato solido. Il reticolo metallico ha una tale caratteristica che ci sono particelle molecolari nei suoi nodi, cioè, c'è un equilibrio. Gli elettroni di valenza sono in uno stato relativamente libero e non sono fissati rigidamente a ciascun atomo, formando un cosiddetto gas di elettroni. Cioè, il reticolo cristallino è costituito da ioni positivi e gli spazi tra gli ioni sono riempiti di elettroni. Se c'è una differenza di temperatura o sotto l'influenza di una differenza di potenziale esterna, questi elettroni si muovono facilmente e conducono il calore e la corrente elettrica senza spostare le particelle di materiale. Nello stato di vapore, le proprietà meccaniche dei metalli contribuiscono alla conduzione della corrente elettrica solo in forma ionizzata. È caratteristico che con l'aumento della temperatura la conduttività elettrica diminuisce a causa dell'aumento della resistenza del volume. Quando riscaldati o (anche se esposti ai fotoni) l'energia degli elettroni aumenta, di conseguenza, possono anche essere facilmente emessi (l'aspetto dei raggi catodici e delle emissioni di fotoelettroni, viene utilizzato nell'ingegneria radio, nelle valvole elettroniche e nella misurazione dell'intensità della luce mediante fotocellule). Quindi, il reticolo metallico è in realtà un reticolo ionico, nei cui vertici ci sono ioni positivi con lo stesso nome, la cui reciproca repulsione è compensata non dagli anioni caricati opposti, ma dagli sforzi congiunti degli elettroni liberi.

Test delle proprietà meccaniche dei metalli

La dissoluzione può essere effettuata solo quando sono convertiti in composti idrosolubili, cioè con mezzi chimici. Alcuni possono liquefare in mercurio liquido (argento, oro), formando la cosiddetta amalgama. Il ferro può formare sia miscele che composti intermetallici (fasi intermetalliche), che hanno una certa composizione. Per ottenere un'immagine della variazione delle proprietà con la temperatura, vengono utilizzate le curve di raffreddamento ottenute studiando la velocità di raffreddamento. La sostanza preriscaldata viene lasciata raffreddare e la temperatura viene misurata ogni ora. I risultati vengono tracciati su un diagramma, dove il tempo viene tracciato sull'asse delle ascisse e la temperatura viene tracciata sull'asse delle ordinate. Se le proprietà tecnologiche dei metalli, accompagnate dal rilascio di calore, non cambiano durante il raffreddamento, la temperatura diminuisce gradualmente. Se ci sono cambiamenti nel sistema, allora c'è un ritardo nel raffreddamento del sistema, causato dalle transizioni di fase. Utilizzando l'analisi termica sulle curve di raffreddamento è possibile studiare la composizione di composti che possono essere formati tra le parti costituenti delle leghe.

Cambiamenti nelle caratteristiche delle leghe a seconda della composizione

In generale, quando una sostanza passa da un liquido a uno stato solido, la sostanza viene rilasciata sotto forma di particelle più o meno grandi - cristalli o una massa amorfa informe (adesivi, gomma, ecc.). Il più piccolo volume possibile del reticolo cristallino, che riproduce le caratteristiche della sua struttura, è caratterizzato dalla cella unitaria. La forma di una sostanza solida dipende dalla natura della sostanza e dalle condizioni in cui avviene la transizione allo stato solido. Se ai vertici ci sono atomi identici, allora la distanza tra loro nel cristallo è uguale alla somma dei loro raggi, cioè il raggio dell'atomo è uguale alla metà di questa distanza. Il riempimento dei reticoli cristallini con molecole e ioni avviene alla massima densità di impaccamento, cioè, ioni e molecole riempiono lo spazio con il volume minimo. Gli elementi di simmetria di un cristallo solido sono il centro, i piani e gli assi. La loro caratteristica più caratteristica è l'anisotropia, cioè la dissomiglianza delle loro caratteristiche (forza, conduttività termica, velocità di dissoluzione, ecc.) In diverse direzioni. L'assenza di legami strettamente diretti tra gli atomi, le proprietà meccaniche dei metalli rendono possibile posizionare due o più elementi in un reticolo metallico, che sono disposti in un certo ordine, formando strutture intermetalliche.

leghe

Quando si mescolano diversi metalli allo stato fuso, le particelle del componente principale possono essere sostituite da particelle di un altro o più elementi senza modificare il reticolo cristallino, formando soluzioni solide. I materiali che contengono due o più tipi di atomi e hanno proprietà caratteristiche (lucentezza, conduttività termica, conduttività elettrica) sono chiamati leghe. Allo stato fuso, i metalli si dissolvono bene l'uno nell'altro e, di norma, senza restrizioni. Spesso in queste soluzioni possono formarsi un numero di zone eterogenee, indicando la loro limitata solubilità. Le proprietà meccaniche dei metalli, sulla base delle quali si forma una lega, si differenziano dalle proprietà fisiche e meccaniche delle leghe. Quando si dissolvono nel mercurio, si formano i cosiddetti amalgami. In pratica, ci sono tre tipi leghe: dure soluzioni, quelle che hanno il carattere di composti chimici dei metalli e una miscela di cristalli.

Formazione di un reticolo cristallino elementare di leghe

Una varietà di metodi per la produzione di leghe consente di produrli con le proprietà desiderate. In pratica sono ampiamente utilizzati composti a base di ferro, rame, nichel, ecc .. Le proprietà fisiche e meccaniche dei metalli, sulla base dei quali viene prodotta una lega, differiscono significativamente dalle proprietà delle leghe. Gli atomi aggiunti possono formare più legami localizzati "rigidi", e lo scorrimento degli strati di atomi diminuisce. Ciò comporta una diminuzione della duttilità e un aumento della rigidità delle leghe. Pertanto, la forza del ferro aumenta di 10 volte con l'aggiunta di carbonio all'1%, nickel o manganese. In ottone, che contiene il 65-70% di cromo e il 30-5% di zinco, la resistenza è 2 volte superiore rispetto al rame puro e 4 volte superiore rispetto allo zinco puro. L'industria produce moltissime varietà di leghe di vari metalli con le proprietà desiderate.

Struttura metallica

Studiando la struttura degli atomi, si può osservare che tutti hanno un piccolo numero di elettroni a livello di energia esterna, e sono caratterizzati dalla capacità di dare via solo elettroni quando si formano composti. Nei composti, i metalli hanno sempre un positivo grado di ossidazione. Nella formazione di composti, le particelle donano elettroni, esibendo le proprietà di un agente riducente. La capacità di donare elettroni è diversa e dipende dalla struttura dell'atomo. Più è facile da dare agli elettroni, più è attivo. La caratteristica quantitativa delle proprietà meccaniche dei metalli di dare via un elettrone è un potenziale di ionizzazione. Con questo si intende la tensione minima del campo elettrico (in volt) in cui l'elettrone riceve tale accelerazione da provocare la ionizzazione dell'atomo. L'attività in soluzioni acquose è caratterizzata da un potenziale elettrodo standard e può essere quantificata utilizzando un elettrodo di idrogeno standard, il cui potenziale è considerato pari a ± 0. I metalli nobili hanno un potenziale standard positivo. Per proprietà chimiche, sono in grado di interagire con acqua, acidi, alcali, sali, ossidi, materia organica.

Interazione con non metalli

In tutti i casi di formazione di composti con non metalli, si verifica la transizione di elettroni da atomi di metallo a atomi non metallici. Gli idruri sono composti con idrogeno. Le terre alcaline e alcaline sono formate dall'interazione diretta con l'idrogeno. Gli alogenuri sono sali di acidi idroalici, molecole polari, che per i metalli 1, 2 gruppi sono ben solubili in acqua. Sono formati dall'interazione diretta del ferro con alogeni, acidi idrosolici con ferro. Nel loro ambiente, i metalli interagiscono con lui molto attivamente. Gli ossidi sono prevalentemente di natura fondamentale, questi includono ossidi di alluminio, zinco, piombo (II), cromo (III). Possono essere ottenuti dagli elementi mediante la decomposizione dei sali con idrossido, la tostatura dei solfuri. Le proprietà meccaniche di base dei metalli nell'aria contribuiscono al loro rivestimento con un film di ossido. Se non copre la superficie liberamente, non protegge dalla distruzione, è in corso una corrosione chimica. Alcuni metalli formano un film di ossido molto denso che non consente all'ossigeno dell'aria e ad altri ossidanti di penetrare attraverso di esso e protegge il metallo dalla corrosione.