Чем определяется форма зерен металла


Форма зерен при кристаллизации

В настоящее время в производстве черных и цветных металлов получил широкое распространение процесс искусственного изменения размеров и формы зерен путем введения в расплавленный металл нерастворимых веществ, называемый модифицированием.

Эти вещества распределяются равномерно по всему объему металла и образуют дополнительные центры кристаллизации, благодаря чему зерна металла получаются более мелкими и могут изменять свою форму.

Такими веществами могут быть:

  • порошок окиси алюминия при модифицировании стали,

  • сплавы железа с хромом и железа с кремнием,

  • а также чистый магний при модифицировании чугуна, натрий при модифицировании силумина (алюминиевый сплав) и др.

Свойства сплавов и металлов в сильной степени зависят от размеров и формы зерен.

Металлы и сплавы с мелкозернистым строением обладают более высокой прочностью, особенно ударной прочностью, твердостью, лучшей обрабатываемостью.

§

Как размер зерна металла влияет на операцию гибки

Во второй части этой серии гуру гибки Стив Бенсон описывает, как размер зерна материала влияет на операцию гибки. Getty Images

В прошлом месяце мы погрузились в заросли сорняков, чтобы понять, как зерна материала в листовом металле и листе образуются, а также от того, что определяет их размер и ориентацию. В этом месяце мы рассмотрим, как именно эти зерна влияют на формирование материала на листогибочном прессе.

Мы закончили дихотомией: крупнозернистые материалы более пластичны, мелкозернистые материалы более прочны и менее пластичны, и все же мелкозернистые материалы все же легче формировать на листогибочном прессе, чем некоторые крупнозернистые материалы. Фактически, формируется очень крупнозернистый материал, и вы обнаружите разрыв и апельсиновую корку на внешнем радиусе, особенно если вы делаете резкий изгиб. Что дает? Чтобы узнать, читайте дальше.

Краткий обзор

Сталь и другие металлы состоят из очень небольших групп молекул, и они расположены так, что обычно напоминают куб.Длина этих групп меньше одной десятой миллионной дюйма с каждой стороны. Хотя вы не сможете увидеть эти группы молекул, мы можем увидеть эффекты их присутствия. Эти группы молекул проявляются в виде кристаллов или кристаллических зерен неправильной формы.

Из-за чрезвычайно большого количества молекул, из которых состоит любой материал, эти кристаллические зерна становятся видимыми невооруженным глазом. Когда металл подвергался холодной прокатке или холодной обработке, кристаллы удлиняются и имеют преимущественное направление в направлении прокатки, создавая зерна, которые мы видим.

Размер и количество зерен в материале определяются скоростью затвердевания металла из жидкого состояния. Производство стали начинается с расплавленного металла, который затвердевает по мере охлаждения материала. По мере охлаждения происходит рекристаллизация, при которой более высокотемпературные, новые, свободные от деформации зерна зарождаются и растут внутри старых искаженных зерен и на границах зерен. При рекристаллизации механические свойства материала возвращаются к исходному, более слабому состоянию, становясь намного более пластичным.

Способность кристаллического материала пластически деформироваться зависит от его способности к дислокации; то есть способность зерен свободно перемещаться в материале. Границы зерен - области с избытком молекул, которые не являются частью какого-либо симметричного кристаллического образования - действуют как барьер для этой дислокации, где кристаллы не скользят легко друг по другу. Уменьшение размера зерна увеличивает количество границ (границ зерен), которые должны уступить место, прежде чем может произойти движение. Чем меньше размер зерна, тем прочнее материал.

Замедление движения дислокаций зерна также укрепляет материал. И есть множество способов уменьшить движение вывиха. К ним относятся легирование и деформационное упрочнение.

Контроль размера зерна

Крупные зерна снижают прочность и ударную вязкость материала, и зерна могут расти по разным причинам. Например, если материал слишком долго остается при температуре рекристаллизации выше, размер зерен увеличивается по мере того, как происходит диффузия через границы зерен.

Размер зерна материала влияет на прочность материала, потому что, опять же, граница зерна действует как барьер для дислокации, что приводит к движению вдоль плоскости скольжения . Это потому, что соседние зерна имеют разную ориентацию (см. Рисунок 1 ). В материале с мелкими зернами расстояние, на которое частица может перемещаться по плоскости скольжения, меньше. Это уменьшенное движение между более мелкими зернами увеличивает прочность материала.

Направление зерна и линия изгиба

Лист или листовой материал являются слабым звеном при формовании.Мы всегда должны учитывать как можно больше материальных переменных, прежде чем передавать проект в производство. И размер зерна - одна из основных переменных. В идеале, зернистость материала должна быть тщательно рассмотрена до завершения этапа проектирования и еще раз до выпуска заказа на поставку, то есть, если вы хотите уменьшить количество проблем, которые будут проявляться во время производства.

Рисунок 1
Граница зерен влияет на то, как частицы материала могут перемещаться вдоль плоскости скольжения, действуя как барьер для дислокации.

Если у вас есть трещины или "апельсиновые корки" на внешней поверхности изгибов, проблема может быть в ориентации зерен материала. На листогибочном прессе всегда рекомендуется располагать линии сгиба перпендикулярно направлению волокон материала. Конечно, это не всегда практично или возможно, особенно в деталях с множественными изгибами, которые расположены как по направлению волокон, так и против них. Если сделать линии изгиба перпендикулярно волокнам нецелесообразно, попробуйте изогнуть их по диагонали.

Отжиг и нормализация

Когда деформационно-упрочненный материал подвергается воздействию повышенных температур, упрочнение, возникающее в результате пластической деформации формования, может быть потеряно - плохая ситуация, если металлу требуется эта прочность для выдерживания некоторой нагрузки. Тем не менее упрочнение, вызванное деформационным упрочнением, не всегда желательно, особенно если вам требуется более высокая пластичность для выполнения нескольких изгибов. Термическая обработка может устранить эффекты деформационного упрочнения.

Независимо от размера зерна, производимого на мельнице, вы можете изменять размер зерна при изготовлении, даже после формования на тормозе.Кристаллы материала можно сделать более однородными с помощью таких термических процессов, как отжиг и нормализация.

Нормализация - это процесс, в котором материал нагревается до точки чуть ниже точки рекристаллизации, а затем ему дают остыть на открытом воздухе. Отжиг осуществляется путем повторного нагрева материала до температуры чуть ниже точки рекристаллизации, но вместо охлаждения на воздухе его медленно доводят до комнатной температуры, не удаляя материал из печи.Из двух различных методов нормализация дает наилучшую зернистую структуру.

Во время термообработки происходят три события: восстановление, когда зерна немного восстанавливаются после холодной обработки; перекристаллизация, когда образуются новые зерна; и, наконец, рост зерен, когда более крупные зерна растут за счет более мелких. Как показано на рис. , рис. 2 , твердость и прочность падают во время рекристаллизации, а по мере роста зерен - пластичность материала.

Деформационно-упрочненный материал, выдержанный при повышенной температуре, может уменьшить внутреннюю энергию деформации.Молекулы не находятся в фиксированных местах и ​​могут перемещаться, когда поступает достаточно энергии, чтобы разорвать связи, удерживающие их на месте. Повышение температуры быстро увеличивает степень диффузии. Это позволяет молекулам, находящимся в чрезвычайно напряженных местах, перемещаться в менее напряженные области.

Это фаза восстановления, которая позволяет отрегулировать деформацию в мизерных масштабах. Он изменяет плотность дислокаций и перемещает местоположения в более низкое энергетическое состояние, уменьшая внутреннее остаточное напряжение в заготовке.

Определение размера зерна

ASTM International указывает числа размера зерна, которые можно использовать для определения количества зерен на квадратный дюйм при 100-кратном увеличении (см. Рисунок 3 ). Чем выше значение размера зерна, тем меньше средний размер зерна. У высокопрочных сталей размер зерна часто составляет от 10 до 12. У традиционных низкопрочных формовочных сталей размер зерна составляет около 6 или 7. Размер зерна 5 и ниже может иметь визуальные поверхностные проблемы, такие как трещины, разрывы и оранжевый цвет. пилинги.

Помните, что границы зерен прочнее, чем их внутренняя часть. Когда сталь растягивается до больших уровней деформации, границы зерен сопротивляются деформации и позволяют сердцевине зерна деформироваться. Очевидно, что это неприемлемо для отделки класса A, поэтому рекомендуется указывать размер зерна 6 или выше.

Ниже 1 ASTM указывает размер зерна 0 и 00, оба из которых имеют менее 1 зерна на квадратный дюйм при 100-кратном увеличении. В результате отжига зерна материала могут вырасти до 00 или даже больше.Любые изгибы этого материала будут подвержены разрывам или трещинам на внешней стороне радиуса изгиба. Внешняя поверхность может напоминать апельсиновую корку или иметь небольшие точки. Если вы столкнулись с одной из этих проблем, причиной является размер зерна, а также слишком маленький внутренний радиус изгиба. Чем глубже вы погружаетесь в область резких изгибов, тем хуже становится эффект.

Рисунок 2
Восстановление, рекристаллизация и рост зерен связаны с размером зерна, твердостью, пластичностью и остаточным напряжением в материале.

Пластичность, размер зерна и формуемость

Механические свойства листа или пластины изменяются с уменьшением размера зерна. По сравнению с мелкозернистыми материалами, крупнозернистые материалы менее твердые, имеют более низкий предел текучести и более пластичны. Пластичный материал формируется лучше, с меньшим растрескиванием, разрывом или апельсиновой коркой. Хотя, как описано ранее, чрезмерно крупные зерна тоже могут создавать проблемы.

Более мелкий размер зерна означает больше границ зерен, а больше границ зерен означает большее сопротивление дислокации.Это измеренная способность материала противостоять серьезной пластической деформации, что делает материал менее пластичным.

Но подождите, как может материал с более мелким размером зерна быть менее пластичным и в то же время выдерживать большую пластическую деформацию без разрушения? По большей части все сводится к вероятности. Чем выше количество зерен, тем больше вероятность того, что некоторые из них будут ориентированы таким образом, что деформации будут приложены к плоскостям скольжения. Чем больше у вас зерен, тем больше плоскостей скольжения ориентировано в одном направлении, и, следовательно, будет больше деформаций без сбоев, таких как растрескивание, раскалывание или отслоение апельсина.(В качестве примечания, это суть анизотропии и изотропии; для получения дополнительной информации посетите thefabricator.com и выполните поиск по запросу «Зернистость материала для работы листогибочного пресса».)

Конечно, это не так просто, как вероятность в одиночестве; играют роль другие факторы. Если зерно или кристаллы достаточно малы, движение дислокаций перестает быть основной модой пластической деформации. В игру вступают и другие компоненты пластического поведения, включая скольжение по границам зерен, , при котором зерна перемещаются относительно друг друга.Скольжение границ зерен может происходить в более крупнозернистом материале, но в ограниченном объеме. Напряжение течения или напряжение, необходимое для поддержания пластической деформации при заданном уровне деформации, также играет важную роль.

Другой движущей силой пластического поведения является локализация сдвига . Если материал предрасположен к локализации сдвига, границы зерен упрочняются. Ориентация зерен может подавить скольжение по границам зерен, позволяя более пластичному металлу легче деформироваться.Опять же, это функция анизотропии и изотропии, которая имеет большое значение для человека, работающего с листогибочным прессом.

Более мелкий размер зерна означает большую плотность границ зерен, что по-разному влияет на пластичность материала. Границы зерен известны своей дислокационной фиксацией, что снижает пластичность. Более мелкие зерна также означают, что границ зерен больше. Чем больше количество границ зерен, тем большая нагрузка требуется для изгиба металла. Это происходит потому, что энергия, необходимая для движения на границах, больше, чем у самого зерна.

В то же время известно, что более тонкая граница зерен повышает пластичность. Когда плотность границ зерен увеличивается, эти дислокации закрепляются и равномерно распределяются в материале.

Размер зерна и пружина

Степень упругости также изменяется в зависимости от размера зерна. В ранее опубликованных исследованиях более крупнозернистый материал требовал минимальной компенсации упругого возврата, если вообще требовал компенсации, в то время как мелкозернистые материалы демонстрировали большую упругость, которую необходимо было компенсировать, будь то посредством мониторинга угла в реальном времени или посредством процесса выбора инструмента.

Ценность хорошего материала

Все это новое понимание кристаллизации, зернистости и направления волокон сводится к следующему: приобретая более качественный материал, вы можете сэкономить большое количество часов производственного времени и затрат.

Конечно, хотя некоторые клиенты не разрешают вам обновлять материал по механическим и конструктивным причинам, большинство не будет жаловаться, особенно если вы не взимаете с них плату за обновление. Правда, ваши затраты на материалы немного увеличатся, но вы компенсируете это и многое другое только за счет экономии рабочей силы.

Рисунок 3
ASTM International определяет размер зерен на основе среднего количества зерен, которое имеет материал на определенной площади.

В качестве бонуса вы улучшите качество продукции, что повысит моральный дух в магазинах, сделает клиентов более счастливыми и может привести к увеличению клиентской базы, даже если это будет молва. Почему? Потому что все любят хорошее качество по разумной цене.

Стив Бенсон - член и бывший председатель Совета по технологиям высокоточного листового металла Международной ассоциации производителей и производителей.Он является президентом ASMA LLC, [email protected] Бенсон также проводит Программу сертификации листогибочных прессов FMA, которая проводится по всей стране. Для получения дополнительной информации посетите fmanet.org/training или позвоните по телефону 888-394-4362. Последняя книга автора «Основы изгиба» теперь доступна в книжном магазине FMA по адресу fmanet.org/store.

.

научных принципов

научных принципов

Структура металлов:

Металлы составляют около двух третей всех элементов и около 24% массы планеты. Они повсюду вокруг нас в таких формах, как стальные конструкции, медная проволока, алюминиевая фольга и золотые украшения. Металлы широко используются благодаря своим свойствам: прочности, пластичности, высокой температуре плавления, тепловой и электрической проводимости и ударной вязкости.

Эти свойства также дают ключ к разгадке структуры металлов.Как и все элементы, металлы состоят из атомов. Прочность металлов предполагает, что эти атомы удерживаются вместе прочными связями. Эти связи также должны позволять атомам двигаться; иначе как металл можно было забивать в листы или вытягивать в проволоку? Разумной моделью будет модель, в которой атомы удерживаются вместе прочными, но делокализованными связями.

Склеивание

Такие связи могут образовываться между атомами металлов, которые имеют низкую электроотрицательность и не сильно притягивают свои валентные электроны.Это позволило бы наиболее удаленным электронам быть общими для всех окружающих атомов, в результате чего положительные ионы ( катионов, ) были окружены морем электронов (иногда называемым электронным облаком).

Рисунок 1: Металлическое соединение .

Поскольку эти валентные электроны являются общими для всех атомов, они не считаются связанными с каким-либо одним атомом. Это сильно отличается от ионных или ковалентных связей, где электроны удерживаются одним или двумя атомами.Таким образом, металлическая связь получается прочной и однородной. Поскольку электроны притягиваются ко многим атомам, они обладают значительной подвижностью, что обеспечивает хорошую теплопроводность и электропроводность металлов.

Выше точки плавления металлы являются жидкостями, их атомы расположены беспорядочно и относительно свободно перемещаются. Однако при охлаждении ниже точки плавления металлы перестраиваются, образуя упорядоченные кристаллические структуры.

Рисунок 2: Расположение атомов в жидкости и твердом теле.

Кристаллы

Чтобы сформировать самые прочные металлические связи, металлы упаковываются как можно плотнее. Возможны несколько вариантов упаковки. Вместо атомов представьте шарики, которые нужно упаковать в коробку. Шарики помещали на дно коробки аккуратными упорядоченными рядами, а затем начинали второй слой. Второй слой шариков не может быть помещен непосредственно поверх других шариков, поэтому ряды шариков этого слоя перемещаются в промежутки между шариками первого слоя.Первый слой мрамора может быть обозначен как A, а второй слой как B, давая двум слоям обозначение AB.

Слой «A» Слой «B» AB упаковка
Рисунок 3: AB упаковка сфер. Обратите внимание, что сферы слоя B помещаются в отверстия в слое A.

Укладка мрамора в третий слой требует решения. Снова ряды атомов будут гнездиться в полостях между атомами во втором слое, но существуют две возможности.Если ряды мрамора уложены так, что они находятся непосредственно над первым слоем (A), то расположение можно описать как ABA. Такое устройство насадки с чередующимися слоями будет обозначено как ABABAB. Такое расположение ABAB называется гексагональной плотной упаковкой (HCP).

Если ряды атомов упакованы в этом третьем слое так, чтобы они не лежали над атомами в слое A или B, то третий слой называется C. Эта последовательность упаковки будет обозначена ABCABC и также известна как гранецентрированный кубик (ГЦК).Оба устройства обеспечивают максимально плотную упаковку сфер, оставляя пустой лишь около четверти доступного пространства.

Наименьший повторяющийся массив атомов в кристалле называется элементарной ячейкой. Третье распространенное устройство упаковки в металлах, элементарная ячейка с объемно-центрированным кубом (ОЦК), имеет атомы в каждом из восьми углов куба плюс один атом в центре куба. Поскольку каждый из угловых атомов является углом другого куба, угловые атомы в каждой элементарной ячейке будут разделены между восемью элементарными ячейками.Элементарная ячейка ОЦК состоит из двух атомов, одного в центре и восьми восьмых от углов.

В схеме FCC также есть восемь атомов в углах элементарной ячейки и по одному центру на каждой из граней. Атом в грани делится с соседней ячейкой. Элементарные ячейки FCC состоят из четырех атомов, восемь восьмых по углам и шесть половин на гранях. В таблице 1 показаны стабильные кристаллические структуры при комнатной температуре для нескольких элементарных металлов.

Таблица 1: Кристаллическая структура некоторых металлов (при комнатной температуре) 900 40
Алюминий FCC
 
Никель FCC
Кадмий HCP
 
Ниобий BCC
Хром BCC
 Platinum 
FCC
Кобальт HCP
 
Серебро FCC
Медь FCC
 
Титан HCP
 Золото 
FCC Ванадий BCC
Железо BCC
 
Цинк HCP
Свинец FCC
 
Цирконий HCP
Магний HCP

Структуры элементарных ячеек определяют некоторые свойства металлов.Например, структуры FCC с большей вероятностью будут пластичными, чем BCC (объемно-центрированная кубическая) или HCP (гексагональная плотноупакованная). На рисунке 4 показаны элементарные ячейки FCC и BCC. (См. Активность кристаллической структуры)

Телоцентрированный кубический Лицоцентрированный кубический
Рисунок 4: элементарных ячеек для BCC и FCC.

Когда атомы расплавленного металла начинают собираться вместе, образуя кристаллическую решетку в точке замерзания, группы этих атомов образуют крошечные кристаллы.Эти крошечные кристаллы увеличиваются в размере за счет постепенного добавления атомов. Получающееся в результате твердое вещество представляет собой не один кристалл, а на самом деле множество более мелких кристаллов, называемых зернами. Эти зерна растут до тех пор, пока не столкнутся с соседними растущими кристаллами. Образовавшаяся между ними граница раздела называется границей зерен. Иногда зерна бывают достаточно большими, чтобы их можно было увидеть под обычным световым микроскопом или даже невооруженным глазом. Блестки, которые видны на недавно оцинкованном металле, представляют собой зерна. (См. Модель активности металлов с помощью частиц). На рисунке 5 показан типичный вид металлической поверхности с множеством зерен или кристаллов.

Рисунок 5: зерен и границ зерен металла.

Дефекты кристалла:

Металлические кристаллы не идеальны. Иногда встречаются пустые места, называемые вакансиями, где отсутствует атом. Другим распространенным дефектом металлов являются дислокации, которые представляют собой линии дефектного соединения. На рисунке 6 показан один тип дислокации.

Рисунок 6: Поперечное сечение краевого дислокации, которое распространяется на страницу. Обратите внимание, как плоскость в центре заканчивается внутри кристалла.

Эти и другие дефекты, а также наличие зерен и границ зерен определяют многие механические свойства металлов. Когда к металлу прикладывается напряжение, возникают дислокации, которые перемещаются, позволяя металлу деформироваться.

Механические свойства:

Когда к металлам прикладываются небольшие нагрузки (напряжения), они деформируются и возвращаются к своей исходной форме при снятии нагрузки. Сгибание стального листа является примером, когда скрепления изгибаются или растягиваются только на небольшой процент.Это называется упругой деформацией и включает временное растяжение или искривление связей между атомами.

Рисунок 7: Упругая деформация металлического стержня.

При приложении более высоких напряжений возникает остаточная (пластическая) деформация. Например, если скрепку сильно согнуть, а затем отпустить, она останется частично согнутой. Эта пластическая деформация включает разрыв связей, часто в результате движения дислокаций. См. Рис. 8. Дислокации легко перемещаются в металлах из-за делокализованной связи, но не перемещаются легко в керамике.Это во многом объясняет, почему металлы пластичны, а керамика - хрупка.

Рисунок 8: Движение дислокации в кристалле.

Если поместить под слишком большое напряжение, металлы будут механически разрушаться или ломаться. Со временем это также может быть результатом множества небольших нагрузок. Самая частая причина (около 80%) выхода металла из строя - усталость. Благодаря приложению и снятию небольших напряжений (до миллионов раз) по мере использования металла в нем образуются небольшие трещины, которые медленно растут.Со временем металл деформируется или ломается (ломается). (См. Деятельность по обработке металлов)

Обработка:

В промышленности расплавленный металл охлаждают для образования твердого тела. Затем твердому металлу механически формируют конкретный продукт. Очень важно, как выполняются эти этапы, поскольку нагрев и пластическая деформация могут сильно повлиять на механические свойства металла.

Влияние размера зерна:

Давно известно, что свойства некоторых металлов можно изменять путем термической обработки.Зерна в металлах имеют тенденцию увеличиваться в размерах по мере нагрева металла. Зерно может увеличиваться в размерах за счет миграции атомов из другого зерна, которые в конечном итоге могут исчезнуть. Дислокации не могут легко пересекать границы зерен, поэтому размер зерен определяет, насколько легко дислокации могут перемещаться. Как и ожидалось, металлы с мелкими зернами прочнее, но менее пластичны. На рис. 5 показан пример зеренной структуры металлов.

Закалка и закалка:

Есть много способов термической обработки металлов.Отжиг - это процесс размягчения, при котором металлы нагревают, а затем дают медленно остыть. Большинство сталей можно закалить путем нагрева и закалки (быстрого охлаждения). Этот процесс использовался довольно рано в истории обработки стали. Фактически, считалось, что биологические жидкости лучше всего гасят жидкости, и иногда использовалась моча. В некоторых древних цивилизациях раскаленные лезвия меча иногда вонзались в тела несчастных заключенных! Сегодня металлы закаливают в воде или масле.На самом деле закалка в растворах соленой воды происходит быстрее, поэтому древние не совсем ошибались.

В результате закалки металл становится очень твердым, но также хрупким. Осторожно нагревая закаленный металл и давая ему медленно остыть, вы получите металл, который останется твердым, но менее хрупким. Этот процесс известен как отпуск. (См. «Обработка металлов»). Это приводит к появлению большого количества мелких выделений Fe 3 C в стали, которые блокируют движение дислокаций, тем самым обеспечивая упрочнение.

Холодная обработка:

Поскольку пластическая деформация возникает в результате движения дислокаций, металлы можно упрочнять, предотвращая это движение. Когда металл изгибается или приобретает форму, возникают и перемещаются дислокации. По мере увеличения количества дислокаций в кристалле они будут запутываться или скрепляться и не смогут двигаться. Это укрепит металл и усложнит его деформацию. Этот процесс известен как холодная обработка. При более высоких температурах дислокации могут перестраиваться, поэтому упрочнение происходит незначительно.

Можно попробовать со скрепкой. Разогните скрепку и несколько раз согните одну из прямых частей вперед-назад. Представьте себе, что происходит на атомарном уровне. Обратите внимание, что металл сложнее согнуть в одном месте. Вывихи образовались и запутались, увеличивая прочность. Скрепка со временем сломается на изгибе. Очевидно, что холодная обработка работает только до определенной степени! Слишком большая деформация приводит к спутыванию дислокаций, которые не могут двигаться, поэтому металл вместо этого ломается.

Отопление устраняет последствия холодной обработки. При нагревании холоднодеформированных металлов происходит перекристаллизация. Новые зерна образуются и растут, чтобы потреблять холодно обработанную часть. В новых зернах меньше дислокаций, и восстанавливаются первоначальные свойства.

Сплавы:

Наличие в металле других элементов также может изменить его свойства, иногда резко. Расположение и вид связи в металлах позволяет добавлять другие элементы в структуру, образуя смеси металлов, называемые сплавами.Даже если добавленные элементы являются неметаллами, сплавы могут иметь металлические свойства.

Медные сплавы начали производить в самом начале нашей истории. Бронза, сплав меди и олова, была первым известным сплавом. Его было легко получить, просто добавив олово к расплавленной меди. Орудия и оружие из этого сплава были прочнее, чем из чистой меди. Добавление цинка к меди дает еще один сплав - латунь. Хотя латунь труднее производить, чем бронзу, она была известна и в древние времена.(См. «Золотая» Пенни Активность) Типичный состав некоторых сплавов приведен в Таблице 2.

Таблица 2: Состав нескольких сплавов.
Сплав Состав
Латунь Медь, цинк
Бронза Медь, цинк, олово
Олово Олово, медь
Припой Свинец, олово
Alnico Алюминий, никель, кобальт, железо
Чугун Железо, углерод, марганец, кремний
Сталь Железо, углерод (плюс небольшое количество легирующих элементов)
Нержавеющая сталь Железо, хром, никель

Сплавы представляют собой смеси, и их процентный состав может варьироваться.Это полезно, потому что свойствами сплавов можно управлять, варьируя состав. Например, электрикам нужен припой с другими свойствами, чем у сантехников. Электрический припой очень быстро затвердевает, образуя почти мгновенное соединение. Это будет непрактично для сантехников, которым нужно время, чтобы установить соединение. Электрический припой содержит около 60% олова, тогда как припой для сантехников - около 30%.

Изначально олово содержало свинец, а поскольку олово использовалось для изготовления тарелок и кубков, вероятно, оно было источником отравления свинцом.Изготовленный сегодня олово не содержит свинца. Расширение знаний о свойствах металлов также приводит к созданию новых сплавов. Некоторые латуни образуют сплавы с памятью формы, которые можно сгибать и возвращать к своей исходной форме при осторожном нагревании. Цинковые сплавы, используемые в качестве покрытия на стали, замедляют коррозию (оцинкованная сталь). Сплавы кадмия находят широкое применение в солнечных элементах. Способность мельхиора противостоять образованию отложений делает его полезным в садках в рыбоводстве.

Чугун и сталь:

Углеродистые стали различаются по процентному содержанию углерода.Количество углерода влияет на свойства стали и ее пригодность для конкретного использования. Стали редко содержат более 1% углерода. Конструкционная сталь содержит около 0,1-0,2% углерода по весу; это делает его немного более пластичным и менее склонным к разрушению во время землетрясений. Сталь, используемая для изготовления инструментов, содержит около 0,5-1% углерода, что делает ее более твердой и износостойкой. Чугун содержит от 2,5 до 4% углерода и находит применение в недорогих приложениях, где его хрупкость не является проблемой. Удивительно, но чистое железо чрезвычайно мягкое и используется редко.Увеличение количества углерода приводит к увеличению твердости металла, как показано на следующем графике. В медленно охлаждаемых сталях углерод увеличивает количество твердого Fe 3 C; в закаленных сталях он также увеличивает твердость и прочность материала.

Рисунок 9: Зависимость твердости стали от% углерода. Рисунок 10: BCC железа, показывающее расположение межузельных атомов углерода.

Заколки для бобби и скрепки обрабатываются практически одинаково, но содержат разное количество углерода.Заколки и скрепки изготовлены из холоднокатанной стальной проволоки. Скрепка, содержащая мало углерода, в основном состоит из чистого Fe с некоторым количеством частиц Fe 3 C. Заколка для шкворня имеет больше углерода и, следовательно, содержит большее количество Fe 3 C, что делает ее намного более твердой и прочной.

Свойства стали можно адаптировать для специальных целей путем добавления в сплав других металлов. Титан, ванадий, молибден и марганец входят в число металлов, добавляемых к этим специальным сталям.Нержавеющая сталь содержит минимум 12% хрома, который останавливает дальнейшее окисление, образуя защитный оксид на поверхности.

Коррозия:

Коррозия металлов может быть серьезной проблемой, особенно для долговременных конструкций, таких как автомобили, мосты и корабли. В большинстве случаев коррозия носит электрохимический (гальванический) характер. Для возникновения коррозии должны присутствовать анод (более легко окисляемая область) и катод (менее легко окисляемая область). Это могут быть разные типы металлов или просто разные участки одного и того же металла.Также должен присутствовать какой-то электролит, который может обеспечивать перенос электронов. Коррозия включает высвобождение электронов на аноде из-за высокого окислительного потенциала атомов на аноде. Когда электроны высвобождаются, образуются катионы металлов, и металл распадается. Одновременно катод, который имеет больший восстановительный потенциал, принимает электроны, либо образуя отрицательные ионы, либо нейтрализуя положительные ионы.

В случае серии активности или электродвижущей силы металл, такой как цинк, реагирует с водородом и служит как анодом, так и катодом.(См. Activity Series Activity) Уравнение этой реакции:

2 Zn + 2 H + -> 2 Zn 2+ + H 2

Пузырьки водорода на катоде при разрушении анода. Неровности поверхности, наличие примесей, ориентация зерен, локализованные напряжения и вариации окружающей среды - вот некоторые из факторов, определяющих, почему один кусок металла может служить обоими электродами. Например, головка и острие гвоздя обработаны холодной обработкой и могут служить анодом, а корпус - катодом.(См. Коррозия от активности железа)

Хотя окисление на аноде и восстановление на катоде являются одновременными процессами, коррозия обычно происходит на аноде. Катод почти никогда не разрушается. В 1824 году Дэви разработал метод защиты корпусов кораблей от коррозии с помощью цинка, который можно периодически заменять. Цинк более активен, чем сталь в корпусе, и будет служить анодом и подвергаться коррозии; им приносят в жертву защиту стальной конструкции. Сталь, которая была бы и анодом, и катодом, обычно служит катодом.Это называется катодной защитой. Трубопроводы также защищены более активным металлическим магнием. Иногда электрические токи поддерживаются в коротких отрезках трубопроводов с такой же металлической проволокой, которая используется в качестве жертвенного анода.

Коррозия - серьезная проблема, которую необходимо решить для эффективного использования металлов. Железо соединяется с кислородом воздуха, образуя оксид железа (ржавчину), что в конечном итоге разрушает полезность металла. (См. Дополнительно: действие химического обогрева рук). К счастью, некоторые металлы, такие как алюминий и хром, образуют защитное оксидное покрытие, предотвращающее дальнейшее окисление (коррозию).Точно так же медь соединяется с серой и кислородом, образуя знакомую зеленую патину.

Понимание химии металлов ведет к разработке методов уменьшения и предотвращения коррозии. Атомы хрома примерно того же размера, что и атомы железа, и могут замещать их в кристаллах железа. Хром образует оксидный слой, который позволяет нержавеющей стали противостоять коррозии. Металлы можно окрашивать или покрывать другими металлами; оцинкованная (оцинкованная) сталь является примером. Когда эти два металла используются вместе, более активный цинк корродирует, жертвуя собой ради сохранения стали.

Металлические руды:

Золото, серебро и медь были первыми металлами, которые использовались, поскольку они находятся в свободном или элементарном состоянии. Большинство металлов, встречающихся в природе, сочетаются с другими элементами, такими как кислород и сера. Энергия необходима для извлечения металлов из этих соединений или руд. Исторически сложилось так, что легкость, с которой данный металл может быть извлечена из руды, наряду с доступностью, определялась при его использовании, отсюда и раннее использование меди, олова и железа.Формулы для некоторых руд приведены ниже:

Habgar
Гематит Fe 2 O 3 Рутил TiO 2
Магнетит Fe 3 O 4 Циркон ZrSiO ZrSiO Пирит FeS 2 Касситерит SnO 2
Халькоцит Cu 2 S Боксит Al 2 O
Галена PbS

Эти руды представляют собой ионные соединения, в которых металлы существуют в виде положительных ионов.Например, степень окисления железа в гематите +3; степень окисления меди в халькоците +1. Извлечение металлов из их руд представляет собой окислительно-восстановительную (окислительно-восстановительную) реакцию. В элементарном состоянии металлы состоят из атомов, а не ионов. Поскольку у атомов нет общего заряда, ионы металлов в реакции приобретают электроны; они уменьшены.

Общая реакция восстановления меди из халькоцита:

Cu 2 S + O 2 + Энергия -> 2 Cu + SO 2

Это только общая реакция.Весь процесс не так прост. Восстановление металлов из их руд обычно требует ряда химических и механических процессов. Обычно они энергетически дороги, потребляют большое количество тепла и / или электроэнергии. Например, около пяти процентов электроэнергии, потребляемой в Соединенных Штатах, используется для производства алюминия. Изготовление алюминиевой консервной банки, начиная с руды, стоит примерно в сто раз дороже, чем плавление и формирование переработанного алюминия. Извлечение металлов из руд может также приводить к образованию загрязняющих веществ, таких как диоксид серы, указанный выше.По возможности, переработка и переработка металлов имеет смысл.

Относительная сложность извлечения металлов из руд указывает на то, что это их предпочтительное состояние. После удаления из руд и в элементарном состоянии большинство металлов проявляют значительную тенденцию реагировать с кислородом и серой и возвращаться в свое естественное состояние; они разъедают! При коррозии металл окисляется. Он теряет электроны, становясь положительным ионом. (См. Раздел "Коррозия металлов")

Сводка по металлам

Металлы обладают полезными свойствами, включая прочность, пластичность, высокие температуры плавления, термическую и электрическую проводимость и ударную вязкость.Они широко используются в конструкциях и электротехнике. Понимание структуры металлов может помочь нам понять их свойства.

Атомы металлов связаны друг с другом прочными делокализованными связями. Эти связи образованы облаком валентных электронов, которые разделяются между положительными ионами (катионами) металлов в кристаллической решетке. В таком расположении валентные электроны обладают значительной подвижностью и могут легко проводить тепло и электричество. В кристаллической решетке атомы металлов плотно упакованы вместе, чтобы максимизировать прочность связей.Настоящий кусок металла состоит из множества крошечных кристаллов, называемых зернами, которые касаются границ зерен.

Из-за делокализованной природы связей атомы металла могут скользить мимо друг друга, когда металл деформируется, вместо того, чтобы разрушаться, как хрупкий материал. Это движение атомов осуществляется за счет образования и движения дислокаций в решетке. Методы обработки, которые изменяют связь между атомами или влияют на количество или подвижность дислокаций, могут иметь большое влияние на механические свойства металла.

Упругая деформация металла - это небольшое изменение формы при низком напряжении, которое можно восстановить после снятия напряжения. Этот тип деформации включает растяжение металлических связей, но атомы не скользят друг мимо друга. Пластическая деформация возникает, когда напряжение достаточно для постоянной деформации металла. Этот тип деформации включает разрыв связей, обычно за счет движения дислокаций.

Пластическая деформация приводит к образованию большего количества дислокаций в металлической решетке.Это может привести к снижению подвижности этих дислокаций из-за их тенденции запутываться или скрепляться. Пластическая деформация при температурах, достаточно низких, чтобы атомы не могли перегруппироваться (холодная обработка), может упрочнять металл в результате этого эффекта. Одним из побочных эффектов является то, что металл становится более хрупким. При использовании металла трещины имеют тенденцию к образованию и росту, что в конечном итоге приводит к его разрушению или разрушению.

Дислокации не могут легко пересекать границы зерен. Если металл нагреть, зерна могут стать больше, а материал станет мягче.Нагревание металла и быстрое охлаждение (закалка) с последующим легким нагревом (отпуском) приводит к более твердому материалу из-за образования множества мелких выделений Fe 3 C, которые блокируют дислокации.

Смешивание металлов с другими металлами или неметаллами может привести к получению сплавов с желаемыми свойствами. Сталь, изготовленная из железа и углерода, может существенно различаться по твердости в зависимости от количества добавленного углерода и способа ее обработки. Некоторые сплавы обладают более высокой устойчивостью к коррозии.

Коррозия - основная проблема большинства металлов. Это окислительно-восстановительная реакция, в которой атомы металла образуют ионы, вызывающие ослабление металла. Один из методов, который был разработан для борьбы с коррозией в конструкциях, включает прикрепление расходуемого анода, сделанного из металла с более высоким окислительным потенциалом. В этом случае анод подвергается коррозии, оставляя катод, конструктивную часть, неповрежденным. Образование защитного покрытия на внешней стороне металла также может противостоять коррозии.Стали, содержащие металлический хром, образуют защитное покрытие из оксида хрома. Алюминий также устойчив к коррозии благодаря образованию прочного оксидного покрытия. Медь образует знакомую зеленую патину, реагируя с серой и кислородом в воздухе.

В природе можно найти лишь несколько чистых металлов. Большинство металлов существует в виде руд, соединений металла с кислородом или серой. Для отделения чистого металла от руды часто требуется большое количество энергии в виде тепла и / или электричества. Из-за такого большого расхода энергии имеет смысл по возможности утилизировать металлы.

Вопросы для обсуждения

1. Как руды добываются из земли?

2. Назовите 4 сплава и металлы, из которых они сделаны.

3. Какое влияние оказывает «холодная обработка» на металлы?

4. Какой процесс делает металлы твердыми, но хрупкими?

5. Какой процесс делает металлы более мягкими и удобными в обработке?

6. Назовите три метода уменьшения коррозии.

7. Дайте 2 ценных результата переработки.

Проблема

Предположим, что радиус одного атома железа равен 1,24 Ангстрема (1 Ангстрем = 1 x 10 -8 см). Какой будет плотность объемно центрированного кубического (ОЦК) железа в граммах на кубический сантиметр? Подсказка: найдите массу и объем одной элементарной ячейки. Не забудьте считать только долю каждого атома в ячейке.

Добавочный номер:

Максимальная растворимость углерода в железе ОЦК составляет один атом на каждые 5000 атомов железа.Какой будет плотность стали при максимальном растворении углерода?


Решение

= m / V = ​​# атомов x (масса / атом) / объем ячейки

В ОЦК-железе на элементарную ячейку приходится два атома железа. (8 х 1/8 + 1)

Один атом железа имеет массу 55,85 а.е.м. или 9,27 x 10 -23 граммов.

Общая масса одной элементарной ячейки составляет 1,85 x 10 -22 граммов.

Пусть (r) будет радиус атома железа.Атомы в углах контактируют с атомом в середине, в результате чего диагональ коробки равна (4r).

Если мы назовем одну сторону коробки (L), диагональ грани куба будет равна (квадратный корень из 2) умноженным на (L).

Одна сторона, диагональ грани куба и диагональ прямоугольника образуют прямоугольный треугольник. Используя теорему Пифагора, (L) 2 + (квадратный корень 2 x (L)) 2 = (4r) 2 .

Решая для L и подставляя для (r), мы находим, что L = 2.86 ангстрем или 2,86 x 10 -8 см.

Объем куба (элементарной ячейки) равен (л) 3 = 2,34 x 10 -23 см 3 . Разделив массу на объем, получим:

Плотность = 7,91 г / см 3 .

Следующая тема: Список литературы
Металлы Содержание МАСТ Домашняя страница
.

От чего зависит форма белка?

Биология
Наука
  • Анатомия и физиология
  • Астрономия
  • Астрофизика
  • Биология
  • Химия
  • наука о планете Земля
  • Наука об окружающей среде
  • Органическая химия
  • Физика
Математика
  • Алгебра
  • Исчисление
  • Геометрия
  • Предалгебра
.Плотность

— Поглотитель и поплавок для твердых тел | Глава 3: Плотность

Тебе это нравится? Не это нравится? Пожалуйста, уделите время и поделитесь с нами своим мнением. Спасибо!

Урок 3.4

Ключевые понятия

  • Плотность объекта определяет, будет ли он плавать или тонуть в другом веществе.
  • Объект будет плавать, если он менее плотен, чем жидкость, в которую он помещен.
  • Предмет тонет, если он более плотный, чем жидкость, в которую он помещен.

Сводка

Учащиеся исследуют восковую свечу и кусок глины, чтобы понять, почему свеча плавает, а глина тонет, даже если свеча тяжелее, чем кусок глины. Учащиеся обнаружат, что не вес объекта, а его плотность по сравнению с плотностью воды определяет, будет ли объект тонуть или плавать в воде.

Объектив

Учащиеся смогут определить, утонет ли объект или будет плавать, сравнив его плотность с плотностью воды.

Оценка

Загрузите лист активности учащегося и раздайте по одному учащемуся, если это указано в упражнении. Лист упражнений будет служить компонентом «Оценить» каждого плана урока 5-E.

Безопасность

Убедитесь, что вы и ваши ученики носите правильно подогнанные очки.

Материалы для каждой группы

  • 2 чайные свечи в металлических контейнерах
  • Глина
  • Вода в стакане
  • Весы малые
  • Лента
  • Капельница

Примечания к материалам

Для демонстрации требуются простые весы.Одним из наименее дорогих является Delta Education, наращиваемые весы (21 дюйм), продукт № 020-0452-595. Учащиеся могут использовать меньшую версию тех же весов, Delta Education, Primary Balance (12 дюймов), продукт № WW020-0452. Вам понадобятся чайные свечи для демонстрации и для каждой студенческой группы. Ищите свечи, в которых воск полностью заполняет металлическую емкость.

  1. Проведите демонстрацию, чтобы показать, что воск тяжелее глины, но что воск плавает, а глина тонет.

    Материалы для демонстрации

    • 1 свеча чайная
    • Глина
    • Прозрачный пластиковый контейнер
    • Вода
    • Большой баланс

    Подготовка учителей

    • Возьмите достаточно небольшой кусок глины, чтобы вы были уверены, что свеча весит больше, чем глина.
    • Налейте воду в прозрачный пластиковый контейнер (или большую чашку), пока он не наполнится примерно на ½.

    Процедура

    1. Поместите кусок глины, который весит меньше чайной свечи, на один конец весов.
    2. Выньте свечу из металлического контейнера и поместите свечу на другой конец весов.
    3. Спросите студентов, что тяжелее: глина или свеча. Попросите их угадать, кто утонет, а какой всплывет. Затем поместите глину и свечу в чистую емкость с водой.

    Ожидаемые результаты

    Хотя свеча весит больше глины, она плавает, а глина тонет.

  2. Попросите учащихся сравнить плотность воды, воска и глины.

    Вопрос для расследования

    Почему более тяжелая свеча плавает, а более легкий кусок глины тонет?

    Материалы для каждой группы

    • 2 чайные свечи в металлических контейнерах
    • Глина
    • Вода в стакане
    • Весы малые
    • Лента
    • Капельница

    Процедура

    1. Сравните плотность воска и воды
      1. Сверните два куска ленты и приклейте их к центру чаши на каждом конце весов.
      2. Прикрепите каждую чайную свечу к ленте так, чтобы каждая свеча находилась в центре кастрюли.
      3. Используйте фитиль, чтобы вытащить одну свечу из контейнера.
      4. Осторожно налейте воду в пустой металлический контейнер, пока она не наполнит емкость до уровня свечи в другой емкости. Вы можете использовать пипетку, чтобы добавить последнюю каплю воды и предотвратить проливание. Цель состоит в том, чтобы сравнить массу равных объемов воска и воды.

    Ожидаемые результаты

    Вода имеет большую массу, чем равный объем воска. Итак, плотность воды должна быть больше плотности воска.

    Спросите студентов:

    Что весит больше: воск или равный объем воды?
    Вода весит больше, чем равный объем воска.
    Что плотнее, воск или вода?
    Вода более плотная.

    Если учащиеся не могут понять эту взаимосвязь между массой и плотностью равных объемов, предложите им подумать о демонстрации алюминиевых и медных кубов из главы 3, урок 1. Оба имели одинаковый объем, но медный куб весил больше. Поскольку медь имела большую массу, она также имела большую плотность.

    1. Сравните плотность глины и воды
      1. Убедитесь, что в центре каждой чаши весов есть кусок ленты.
      2. Наполните одну емкость глиной и поместите ее на ленту так, чтобы она оказалась в центре сковороды.

      3. Поместите пустую емкость на ленту на противоположном конце весов.
      4. Медленно и осторожно долейте воду в пустой контейнер до полного заполнения.

    Ожидаемые результаты

    Глина имеет большую массу, чем равный объем воды.Итак, плотность глины больше плотности воды.

    Спросите студентов:

    Что весит больше: глина или равный объем воды?
    Глина весит больше, чем равный объем воды.
    Что плотнее, глина или вода?
    Глина более плотная.
    Зная плотность объекта, можно предсказать, утонет он в воде или будет плавать.Если объект плотнее воды, вы ожидаете, что он утонет или поплывет?
    Предметы плотнее, чем раковина.
    Если объект менее плотный, чем вода, вы ожидаете, что он утонет или поплывет?
    Объекты меньшей плотности, чем плавучая вода.
  3. Сравните плотность воска, воды и глины на молекулярном уровне.

    Спроецируйте изображение Воск.

    Воск состоит из атомов углерода и водорода, соединенных вместе в длинные цепи. Эти длинные цепи переплетены, переплетены и упакованы вместе, чтобы получился воск.

    Спроецируйте изображение Вода.

    Несмотря на то, что оба они имеют много атомов водорода, вода более плотная, чем воск, потому что кислород в воде тяжелее и меньше углерода в воске. Кроме того, длинные цепочки воска не упаковываются так эффективно, как небольшие молекулы воды.

    Проецировать изображение Глина.

    Глина содержит атомы кислорода, такие как вода, но также имеет более тяжелые атомы, такие как кремний и алюминий. Атомы кислорода связаны с кремнием и алюминием, образуя молекулы с большой массой. Они плотно упакованы, что делает глина более плотной, чем вода.

  4. Попросите учащихся объяснить в терминах плотности, почему плавает очень тяжелый объект, например большое бревно, и почему тонет очень легкий объект, например, крошечная песчинка.

    Спросите студентов:

    Гигантское бревно может плавать по озеру, а крошечная песчинка опускается на дно. Объясните, почему такой тяжелый предмет, как бревно, плавает, а очень легкая песчинка тонет.
    Студенты должны понимать, что бревно будет плавать, потому что древесина менее плотная, чем вода. Если вы можете взвесить большое количество воды того же объема, что и бревно, бревно будет весить меньше воды. Следовательно, бревно плавает.Песчинка утонет, потому что песок плотнее воды. Если бы вы могли взвесить небольшое количество воды, имеющее тот же объем, что и песчинка, песок будет весить больше, чем вода. Поэтому песок тонет.

    Ученики должны понимать, что если объект весит больше, чем равный объем воды, он более плотный и будет тонуть, а если он весит меньше, чем равный объем воды, он станет менее плотным и будет плавать.

    Помните, что плотность воды около 1 г / см 3 .Предскажите, утонут ли следующие объекты или будут плавать.

    Таблица 1. Плавучесть нескольких материалов.
    Объект Плотность (г / см 3 ) Раковина или поплавок
    Пробка 0,2–0,3 Поплавок
    Анк
.

Смотрите также