Glavne mehanske lastnosti kovin. Tehnološke lastnosti kovin
V našem času, za proizvodnjo strojev in naprav, se večinoma uporabljajo materiali, ki vključujejo kovine, zlitine kovin z drugimi kovinami in nekovinami. Zato je zelo pomembno določiti mehanske lastnosti kovin. Nič manj pomembno ni poznavanje splošnih zakonov, kot so pogostost sprememb zmogljivosti njihovih elementov in njihovih spojin, odvisnost lastnosti od tipov in značilnosti kemijskih vezi v zlitinah, ki so na njih.
Osnovne mehanske lastnosti kovin
Kovine so snovi, za katere je značilna prevodnost toplote, električna prevodnost, plastičnost. Vsi, razen živega srebra, so trdne snovi pri sobni temperaturi. Tališče je v območju od -38,78 do + 3380 o C. Mehanske in tehnološke lastnosti kovin imajo visoko sposobnost absorbiranja svetlobe, zato so neprozorne tudi v zelo tankih plasteh. Vendar gladka in čista površinska plast dobro odseva svetlobo in ji daje značilen sijaj. Večina površin je belih in sivih. Samo baker in zlato imata rumeni odtenek. Nekatere kovine imajo sivo barvo s šibko modrikasto, rumenkasto ali rdečkasto barvo. V trdnem stanju imajo vsi kristalinično obliko. V parnem stanju, monoatomske kovine. Glede na njihovo specifično težo se delijo na lahke in težke. Obstaja še ena divizija - za železne in neželezne kovine.
Kovine po naravi in metode njihovega pridobivanja
V naravi najdemo kovine tako v prostem stanju (Cu, Au, Ag, Hg, Pt) kot v obliki različnih spojin - oksidov, sulfidov, karbonatov, sulfatov, fosfatov, kloridov, nitratov in drugih spojin. Pri pridobivanju iz rud in mineralov se uporabljajo različni načini zmanjševanja. V praksi imajo te spojine in minerali vrednost, od katere lahko industrija dobi čisto kovino preprosto in brez velikih stroškov. Ogljik se uporablja za proizvodnjo železa iz železove rude. Reducirna sredstva so lahko vodik, aluminij, kalcij, natrij, ki imajo večjo sposobnost dodajanja kisika. Proizvodnja železa iz sulfidov poteka v dveh fazah: najprej se pridobiva sulfat, nato sežge in pretvori v okside, nato se nastali oksid zmanjša glede na tehnologijo proizvodnje iz oksidov. Karbonat se najprej razporedi, ko se segreje. Podobne ukrepe lahko dobimo iz različnih vrst železa iz različnih naravnih spojin. Metoda elektrolize proizvaja aktivno kovine, alkalne, alkalne, aluminijeve, magnezijeve itd. Slednje se proizvajajo z elektrolizo taline (staljene soli). S posredovanjem neposrednega električnega toka se na katodi sproščajo ioni. Tehnološke lastnosti kovin, ki jih je težko taliti, se uporabljajo za pridobivanje v obliki praška ali gobastega stanja, čemur sledi stiskanje pri visoki temperaturi.
Struktura kovin in njihove fizikalne lastnosti
Na mehanske lastnosti kovin vplivajo značilnosti njihove notranje strukture v trdnem stanju. Kovinska rešetka ima tako značilnost, da v njenih vozliščih obstajajo molekularni delci, to je ravnovesje. Valenčni elektroni so v relativno prostem stanju in niso fiksirani strogo za vsak atom, tako da tvorijo tako imenovani elektronski plin. To pomeni, da kristalna rešetka sestoji iz pozitivnih ionov in vrzeli med ioni so napolnjene z elektroni. Če pride do temperaturne razlike ali pod vplivom zunanje potencialne razlike, se ti elektroni brez težav premikajo in prenašajo toploto in električni tok, ne da bi premaknili delce materiala. V parnem stanju mehanske lastnosti kovin prispevajo k prevodnosti električnega toka samo v ionizirani obliki. Značilno je, da se z naraščajočo temperaturo električna prevodnost zmanjšuje zaradi povečanja njihove prostorninske upornosti. Pri segrevanju ali (tudi pri izpostavljenosti fotonom) se energija elektronov povečuje, zato se lahko tudi zlahka oddajajo (pojav katodnih žarkov in fotoelektronskih emisij se uporablja v radijski tehniki, elektronskih ceveh in merjenju jakosti svetlobe z uporabo fotocelic). Tako je kovinska rešetka pravzaprav ionska rešetka, v tockah katere so pozitivni ioni z istim imenom, katerih vzajemno odganjanje se ne kompenzira z nasprotnimi naboji, ampak s skupnimi napori prostih elektronov.
Preskušanje mehanskih lastnosti kovin
Raztapljanje se lahko izvede le, če se pretvorijo v vodotopne spojine, to je s kemičnimi sredstvi. Nekateri se lahko utekočinijo v tekočem živem srebru (srebro, zlato) in tvorijo tako imenovani amalgam. Železo lahko tvorijo tako mešanice kot intermetalne spojine (intermetalne faze), ki imajo določeno sestavo. Da bi dobili sliko spremembe lastnosti s temperaturo, se uporabijo krivulje hlajenja, dobljene s preučevanjem hitrosti hlajenja. Predgreto snov pustimo, da se ohladi in temperaturo izmerimo vsako uro. Rezultati se prikažejo na diagramu, kjer se čas prikaže na abscisi, temperatura pa se prikaže na ordinati. Če tehnološke lastnosti kovin, skupaj z sproščanjem toplote, se ne spreminjajo med hlajenjem, se temperatura postopoma zmanjšuje. Če pride do kakršnih koli sprememb v sistemu, pride do zakasnitve pri hlajenju sistema, ki jo povzročijo fazni prehodi. S termično analizo na krivuljah hlajenja je mogoče raziskati sestavo spojin, ki se lahko tvorijo med sestavnimi deli zlitin.
Spremembe lastnosti zlitin glede na sestavo
Na splošno, kadar snov prehaja iz tekočine v trdno stanje, se snov sprošča v obliki več ali manj velikih delcev - kristalov ali brezoblične amorfne mase (lepila, guma itd.). Najmanjši možni volumen kristalne rešetke, ki reproducira značilnosti njegove strukture, je označen z enojno celico. Oblika trdne snovi je odvisna od narave snovi in pogojev, v katerih poteka prehod v trdno snov. Če so v tockih enaki atomi, je razdalja med njima v kristalu enaka vsoti njihovih polmerov, to je polmer atoma enak polovici te razdalje. Polnjenje kristalnih mrež z molekulami in ioni poteka z najbolj gosto embalažo, to je, da ioni in molekule zapolnijo prostor z minimalno prostornino. Elementi simetrije trdnega kristala so njegovo središče, ravnine in osi. Njihova najbolj značilna značilnost je anizotropija, tj. Različnost njihovih značilnosti (moč, toplotna prevodnost, stopnja raztapljanja itd.) V različnih smereh. Odsotnost strogo usmerjenih vezi med atomi, mehanske lastnosti kovin omogočajo postavitev dveh ali več elementov v kovinsko mrežo, ki so razporejeni v določenem vrstnem redu in tvorijo intermetalne strukture.
Zlitine
Pri mešanju različnih kovin v staljenem stanju lahko delce glavne komponente nadomestimo z delci drugega ali več elementov, ne da bi spremenili kristalno rešetko in tako tvorili trdne raztopine. Materiali, ki vsebujejo dva ali več vrst atomov in imajo značilne lastnosti (sijaj, toplotna prevodnost, električna prevodnost), se imenujejo zlitine. V staljenem stanju se kovine dobro raztopijo druga v drugo in praviloma brez omejitev. Pogosto lahko v teh raztopinah tvorijo številne heterogene cone, kar kaže na njihovo omejeno topnost. Mehanske lastnosti kovin, na podlagi katerih se tvori zlitina, se razlikujejo od fizikalnih in mehanskih lastnosti zlitin. Ob raztopitvi v živem srebru nastanejo tako imenovani amalgami. V praksi obstajajo tri vrste zlitine: trde rešitve, ki imajo naravo kemičnih spojin kovin, in mešanico kristalov.
Nastanek elementarne kristalne rešetke zlitin
Različne metode za izdelavo zlitin omogočajo njihovo proizvodnjo z želenimi lastnostmi. V praksi se pogosto uporabljajo spojine na osnovi železa, bakra, niklja itd., Fizikalne in mehanske lastnosti kovin, na podlagi katerih se izdeluje zlitina, se bistveno razlikujejo od lastnosti zlitin. Dodane atome lahko tvorijo bolj "toge" lokalizirane vezi in zdrs plasti atomov se zmanjša. To vodi do zmanjšanja duktilnosti in povečanja togosti zlitin. Tako se trdnost železa poveča 10-krat z dodatkom 1% ogljika, niklja ali mangana. V medeninah, ki vsebujejo 65-70% kroma in 30-5% cinka, je jakost 2-krat večja kot pri čistem bakru in 4-krat večja kot pri čistem cinku. Industrija proizvaja veliko sort zlitin različnih kovin z želenimi lastnostmi.
Kovinska struktura
Če proučujemo strukturo atomov, lahko opazimo, da imajo vsi na majhnem številu elektronov na zunanji energijski ravni in da imajo sposobnost, da ob tvorbi spojin oddajo samo elektrone. V spojinah imajo kovine vedno pozitivno stopnja oksidacije. Pri tvorbi spojin delci podarjajo elektrone, ki kažejo lastnosti reducenta. Sposobnost darovanja elektronov je drugačna in je odvisna od strukture atoma. Lažje je dati elektrone, bolj aktivna je. Kvantitativna značilnost mehanskih lastnosti kovin za oddajanje elektrona je ionizacijski potencial. S tem je mišljena minimalna električna napetost polja (v voltih), pri kateri elektron prejme takšen pospešek, da lahko povzroči ionizacijo atoma. Aktivnost v vodnih raztopinah je označena s standardnim elektrodnim potencialom in se lahko kvantificira z uporabo standardne vodikove elektrode, katere potencial je vzet kot ± 0. Plemenite kovine imajo pozitiven standardni potencial. S kemičnimi lastnostmi lahko medsebojno delujejo z vodo, kislinami, bazami, solmi, oksidi, organske snovi.
Interakcija z nekovinami
V vseh primerih nastajanja spojin z nekovinami pride do prehoda elektronov iz atomov kovin v nekovinske atome. Hidridi so spojine z vodikom. Alkalne in alkalno zemljo tvorita neposredna interakcija z vodikom. Halogenidi so soli halogenovodikovih kislin, polarne molekule, ki so za kovine 1 in 2 dobro topne v vodi. Oblikujejo jih neposredna interakcija železa s halogeni, halogenovodikove kisline z železom. V svojem okolju kovine vzajemno sodelujejo z njim. Oksidi so pretežno temeljne narave, med njimi so oksidi aluminija, cinka, svinca (II), kroma (III). Iz elementov jih lahko dobimo z razgradnjo soli s hidroksidom, praženjem sulfidov. Osnovne mehanske lastnosti kovin v zraku prispevajo k premazu z oksidnim filmom. Če površina ne pokriva ohlapno, ne ščiti pred uničenjem, v teku je kemijska korozija. Nekatere kovine tvorijo zelo gosto oksidno folijo, ki ne dopušča, da bi kisik iz zraka in drugih oksidantov prodrl skozi njega in ščiti kovino pred korozijo.