Из чего состоит металл


14 различных типов металлов | New-Science.ru

Термин "металл" происходит от греческого слова "metalléuō", что означает выкапываю или добываю из земли. Наша планета содержит много металла. На самом деле из 118 элементов периодической системы порядка 95 являются металлами.

Это число не является точным, потому что граница между металлами и неметаллами довольно расплывчата: нет стандартного определения металлоида, как нет и полного согласия относительно элементов, соответствующим образом классифицированных как таковые.

Сегодня мы используем различные виды металлов, даже не замечая их. Начиная с зажимов в сантехнике и заканчивая устройством, которое вы используете для чтения этой статьи, все они сделаны из определенных металлов. Фактически, некоторые металлические элементы необходимы для биологических функций, таких как приток кислорода и передача нервных импульсов. Некоторые из них также широко используются в медицине в виде антацидов.

Все металлы в периодической таблице можно классифицировать по их химическим или физическим свойствам. Ниже мы перечислили некоторые различные типы металлов вместе с их реальным применением.

Классификация по физическим свойствам

14. Легкие металлы

Сплав титана 6AL-4V

Примеры: Алюминий, титан, магний

Легкие металлы имеют относительно низкую плотность. Формального определения или критериев для идентификации этих металлов нет, но твердые элементы с плотностью ниже 5 г/см³ обычно считаются легкими металлами.

Металлургия легких металлов была впервые развита в середине 19 века. Хотя большинство из них происходит естественным путем, значительная их часть образуется при электротермии и электролизе плавленых солей.

Их сплавы широко используются в авиационной промышленности благодаря их низкой плотности и достаточным механическим свойствам. Например, сплав титана 6AL-4V составляет почти 50 процентов всех сплавов, используемых в авиастроении. Он используется для изготовления роторов, лопастей компрессоров, мотогондол, компонентов гидравлических систем.

13. Тяжелые металлы

Окисленные свинцовые конкреции и кубик размером 1 см3

Примеры: железо, медь, кобальт, галлий, олово, золото, платина.

Тяжелые металлы - это элементы с относительно высокой плотностью (обычно более 5 г/см³ ) и атомным весом. Они, как правило, менее реактивны и содержат гораздо меньше растворимых сульфидов и гидроксидов, чем более легкие металлы.

Эти металлы редки в земной коре, но они присутствуют в различных аспектах современной жизни. Они используются в солнечных батареях, сотовых телефонах, транспортных средствах, антисептиках и ускорителях частиц.

Тяжелые металлы часто смешиваются в окружающей среде из-за промышленной деятельности, ухудшая качество почвы, воды и воздуха, а затем вызывая проблемы со здоровьем у животных и растений. Выбросы транспортных средств, горнодобывающие и промышленные отходы, удобрения, свинцово-кислотные батареи и микропластики, плавающие в океанах, являются одними из наиболее распространенных источников тяжелых металлов в этом контексте.

12. Белый металл

Подшипники из белого металла

Примеры: Обычно изготавливается из олова, свинца, висмута, сурьмы, кадмия, цинка.

Белые металлы - это различные светлые сплавы, используемые в качестве основы для украшений или изделий из серебра. Например, многие сплавы на основе олова или свинца используются в ювелирных изделиях и подшипниках.

Белый металлический сплав изготавливается путем объединения определенных металлов в фиксированных пропорциях в соответствии с требованиями конечного продукта. Основной металл для ювелирных изделий, например, формуется, охлаждается, экстрагируется, а затем полируется, чтобы придать ему точную форму и блестящий вид.

Они также используются для изготовления тяжелых подшипников общего назначения, подшипников внутреннего сгорания среднего размера и электрических машин.

11. Хрупкий металл

Хрупкое разрушение чугуна

Примеры: сплавы углеродистой стали, чугуна и инструментальной стали.

Металл считается хрупким, если он твердый, но не может противостоять ударам или вибрации под нагрузкой. Такие металлы под воздействием напряжения ломаются без заметной пластической деформации. Они имеют низкую прочность на разрыв и часто издают щелкающий звук при поломке.

Многие стальные сплавы становятся хрупкими при низких температурах, в зависимости от их обработки и состава. Чугун, например, твердый, но хрупкий из-за высокого содержания углерода. Напротив, керамика и стекло гораздо более хрупки, чем металлы, из-за их ионных связей.

Галлий, висмут, хром, марганец и бериллий также хрупки. Они часто используются в различных гражданских и военных целях, связанных с высокими деформационными нагрузками. Чугун, устойчивый к повреждениям в результате окисления, используется в машинах, трубах и деталях автомобильной промышленности, таких как корпуса коробок передач и головки цилиндров.

10. Тугоплавкий металл

Микроскопическое изображение вольфрамовой нити в лампе накаливания

Примеры: молибден, вольфрам, тантал, рений, ниобий.

Тугоплавкие металлы имеют чрезвычайно высокие температуры плавления (более 2000 °С) и устойчивы к износу, деформации и коррозии. Они являются хорошими проводниками тепла и электричества и имеют высокую плотность.

Другой ключевой характеристикой является их термостойкость: они не расширяются и не растрескиваются при многократном нагревании и охлаждении. Однако они могут деформироваться при высоких нагрузках и окисляться при высоких температурах.

Благодаря своей прочности и твердости они идеально подходят для сверления и резки. Карбиды и сплавы тугоплавких металлов используются почти во всех отраслях промышленности, включая горнодобывающую, автомобильную, аэрокосмическую, химическую и ядерную.

Металлический вольфрам, например, используется в ламповых нитях. Сплавы рения используются в гироскопах и ядерных реакторах. А ниобиевые сплавы используются для форсунок жидкостных ракетных двигателей.

9. Черные и цветные металлы

Валы-шестерни из (черной) нержавеющей стали

Черные металлы: Сталь, чугун, сплавы железа.
Цветные металлы: Медь, алюминий, свинец, цинк, серебро, золото.

Термин "железо" происходит от латинского слова "Ferrum", что переводится как «железо». Таким образом, термин «черный металл» обычно означает "содержащий железо", тогда как "цветной металл" означает металлы и сплавы, которые не содержат достаточного количества железа.

Поскольку черные металлы могут иметь широкий спектр легирующих элементов, которые значительно изменяют их характеристики, очень трудно поместить свойства всех черных металлов под один зонт. Тем не менее, некоторые обобщения могут быть сделаны, например, большинство черных металлов являются твердыми и магнитными.

Черные металлы используются для применения с высокой нагрузкой и низкой скоростью, в то время как цветные металлы предпочтительны для применения с высокой скоростью и нулевой нагрузкой для применения с низкой нагрузкой.

Сталь является наиболее распространенным черным металлом. Она составляет около 80% всего металлического материала благодаря своей доступности, высокой прочности, низкой стоимости, простоте изготовления и широкому спектру свойств. Она широко используется в строительстве и обрабатывающей промышленности. Фактически, рост производства стали показывает общее развитие промышленного мира.

8. Цветные и благородные металлы

Ассортимент благородных металлов

Цветные металлы: медь, алюминий, олово, никель, цинк
Благородные металлы: родий, ртуть, серебро, рутений, осмий, иридий

Цветные металлы - это обычные и недорогие металлы, которые корродируют, окисляются или тускнеют быстрее, чем другие металлы, когда подвергаются воздействию воздуха или влаги. Они в изобилии встречаются в природе и легко добываются.

Они широко используются в промышленных и коммерческих целях и имеют неоценимое значение для мировой экономики благодаря своей полезности и повсеместности. Некоторые цветные металлы обладают отличительными характеристиками, которые не могут быть продублированы другими металлами. Например, цинк используется для гальванизации стали, чтобы защитить ее от коррозии, а никель - для изготовления нержавеющей стали.

Благородные металлы, с другой стороны, устойчивы к окислению и коррозии во влажном воздухе. Согласно атомной физике, благородные металлы имеют заполненный электрон d-диапазона. В соответствии с этим строгим определением, медь, серебро и золото являются благородными металлами.

Они находят применение в таких областях, как орнамент, металлургия и высокие технологии. Их точное использование варьируется от одного элемента к другому. Некоторые благородные металлы, такие как родий, используются в качестве катализаторов в химической и автомобильной промышленности.

7. Драгоценные металлы

Родий: 1 грамм порошка, 1 грамм прессованного цилиндра и 1 г аргонодуговой переплавленной гранулы

Примеры: палладий, золото, платина, серебро, родий.

Драгоценные металлы считаются редкими и имеют высокую экономическую ценность. Химически они менее реакционноспособны, чем большинство элементов (включая благородные металлы). Они также пластичны и имеют высокий блеск.

Несколько веков назад эти металлы использовались в качестве валюты. Но сейчас они в основном рассматриваются как промышленные товары и инвестиции. Многие инвесторы покупают драгоценные металлы (в основном золото), чтобы диверсифицировать свои портфели или победить инфляцию.

Серебро - второй по популярности драгоценный металл для ювелирных изделий (после золота). Однако его значение выходит далеко за рамки красоты. Оно обладает исключительно высокой тепло- и электропроводностью и чрезвычайно низким контактным сопротивлением. Именно поэтому серебро широко используется в электронике, батареях и противомикробных препаратах.

Классификация по химическим свойствам

6. Щелочные металлы

Твердый металлический натрий

Примеры: натрий, калий, рубидий, литий, цезий и франций.

Щелочь относится к основной природе гидроксидов металлов. Когда эти металлы реагируют с водой, они образуют сильные основания, которые легко нейтрализуют кислоты.

Они настолько реактивны, что обычно встречаются в природе в слиянии с другими веществами. Карналлит (хлорид калия-магния) и сильвин (хлорид калия), например, растворимы в воде и, таким образом, легко извлекаются и очищаются. Нерастворимые в воде щелочи, такие как фторид лития, также существуют в земной коре.

Одно из самых популярных применений щелочных металлов - использование цезия и рубидия в атомных часах, наиболее точных из известных эталонов времени и частоты. Литий используется в качестве анода в литиевых батареях, композиты калия используются в качестве удобрений, а ионы рубидия используются в фиолетовых фейерверках. Чистый металлический натрий широко используется в натриевых лампах, которые очень эффективно излучают свет.

5. Щелочноземельные металлы

Изумрудный кристалл, основной минерал бериллия.

Примеры: бериллий, кальций, магний, барий, стронций и радий.

Щелочноземельные металлы в стандартных условиях мягкие и серебристо-белые. Они имеют низкую плотность, температуру кипения и температуру плавления. Хотя они не так реакционноспособны, как щелочные металлы, они очень легко образуют связи с элементами. Как правило, они вступают в реакцию с галогенами, образуя галогениды щелочноземельных металлов.

Все они встречаются в земной коре, кроме радия, который является радиоактивным элементом. Радий уже распадался в ранней истории Земли из-за относительно короткого периода полураспада (1600 лет). Современные образцы поступают из цепочки распада урана и тория.

Щелочноземельные металлы имеют широкий спектр применения. Бериллий, например, используется в полупроводниках, теплопроводниках, электрических изоляторах и в военных целях. Магний часто сплавляют с цинком или алюминием для получения материалов со специфическими свойствами. Кальций в основном используется в качестве восстановителя, а барий используется в вакуумных трубках для удаления газов.

4. Переходные металлы

Примеры: титан, ванадий, хром, никель, серебро, вольфрам, платина, кобальт.

Большинство элементов используют электроны из своей внешней оболочки для связи с другими элементами. Переходные металлы, однако, могут использовать две крайние оболочки для соединения с другими элементами. Это химическая особенность, которая позволяет им связываться со многими различными элементами в различных формах.

Они занимают среднюю часть таблицы Менделеева, служа мостом между (или переходом) между двумя сторонами таблицы. Более конкретно, есть 38 переходных металлов в группах с 3 по 12 периодической таблицы. Все они являются пластичными, податливыми и хорошими проводниками тепла и электричества.

Многие из этих металлов, такие как медь, никель, железо и титан, используются в конструкциях и в электронике. Большинство из них образуют полезные сплавы друг с другом и с другими металлическими веществами. Некоторые из них, включая золото, серебро и платину, называются благородными металлами, потому что они крайне инертны и устойчивы к кислотам.

3. Постпереходные металлы

Висмут в виде синтетических кристаллов

Примеры: алюминий, галлий, олово, свинец, таллий, индий, висмут.

Постпереходные металлы в периодической таблице - это элементы, расположенные справа от переходных металлов и слева от металлоидов. Из-за своих свойств они также называются "бедными" или "другими" металлами.

Физически они хрупки (или мягки) и имеют более низкую температуру плавления и механическую прочность, чем переходные металлы. Их кристаллическая структура довольно сложна: они проявляют ковалентные или направленные эффекты связи.

Различные металлы этого семейства имеют различное применение. Алюминий, например, используется для изготовления оконных рам, кухонной посуды, банок, фольги, деталей автомобилей. Оловянные сплавы используются в мягких припоях, оловянных и сверхпроводящих магнитах.

Индиевые сплавы используются для изготовления плоских дисплеев и сенсорных экранов, а галлий - в топливных элементах и полупроводниках.

2. Лантаноиды

1-сантиметровый кусок чистого лантана

Примеры: лантан, церий, прометий, гадолиний, тербий, иттербий, лютеций.

Лантаноиды - это редкоземельные металлы с атомными номерами от 57 до 71. Впервые они были обнаружены в 1787 году в необычном черном минерале (гадолините), обнаруженном в Иттербю, Швеция. Позже минерал был разделен на различные элементы лантаноидов.

Лантаноиды - это металлы с высокой плотностью, плотность которых колеблется от 6,1 до 9,8 г/см³, и они, как правило, имеют очень высокие температуры кипения (1200-3500 °C) и очень высокие температуры плавления (800-1600 °C).

Сплавы лантаноидов используются в металлургии из-за их сильных восстановительных способностей. Около 15 000 тонн лантаноидов ежегодно расходуется в качестве катализаторов и при производстве стекол. Они также широко используются в лазерах и оптических усилителях.

Некоторые исследования показывают, что лантаноиды могут быть использованы в качестве противораковых средств. Лантан и церий, в частности, могут подавлять пролиферацию раковых клеток и способствовать цитотоксичности.

1. Актиниды

Металлический уран, высокообогащенный ураном-235

Примеры: актиний, уран, торий, плутоний, фермий, нобелий, лоренций

Подобно лантаноидам, актиниды образуют семейство редкоземельных элементов с аналогичными свойствами. Они представляют собой серию из 15 последовательных химических элементов в периодической системе от атомных номеров 89 до 103.

Все они радиоактивны по своей природе. Синтетически произведенный плутоний, а также природные уран и торий являются наиболее распространенными актинидами на Земле. Первым актинидом, который был открыт в 1789 году, был уран. И большая часть существующих продуктов актинидов была произведена в 20 веке.

Их свойства, такие как излучение радиоактивности, пирофорность, токсичность и ядерная критичность, делают их опасными для обращения. Сегодня значительная часть (кратковременных) актинидов производится ускорителями частиц в исследовательских целях.

Некоторые актиниды нашли применение в повседневной жизни, например, газовые баллоны (торий) и детекторы дыма (америций), большинство из них используются в качестве топлива в ядерных реакторах и для изготовления ядерного оружия. Уран-235 является наиболее важным изотопом для применения в ядерной энергетике, который широко используется в тепловых реакторах.

Что делает металл? | HubPages

Свойства металлов

Большинство элементов в Периодической таблице сделаны из металла. Они очень полезны в нашей повседневной жизни: от строительства до электроники и кухонной посуды. Но как узнать, что это металл?

  • Блестящий - большинство металлов блестят после свежей резки или полировки
  • Теплопроводники - металлы очень легко проводят тепло
  • Электропроводники - металлы проводят электричество
  • Высокие температуры плавления и кипения - металлы довольно трудно плавятся, за исключением ртути (которая является жидкостью при комнатной температуре)
  • Ductile - металлы можно вытягивать в длинные тонкие проволоки
  • Ковкий - металлы легко изменяются
  • Гибкий - металл гнуть без защелки
  • Звонкий - металл издает звонкий звук при ударе
  • Магнитные - Кобальт, никель, железо и сталь являются магнитными

Использование металлов

Использование материала зависит от его свойств.Металлы обладают множеством полезных свойств и поэтому используются для различных целей. Однако это не означает, что все металлы могут выполнять любую работу; одни металлы лучше подходят для определенных задач, чем другие. Например:

  • Алюминий используется в высокопроизводительных автомобилях, поскольку он легкий и прочный;
  • Железо используется для крышек люков, так как оно прочное и дешевое;
  • Медь используется для прокладки электрических кабелей, потому что это очень хороший проводник;
  • Золото используется в ювелирных изделиях, потому что оно очень блестящее и не тускнеет;
  • Сталь используется в мостах, потому что она очень прочная и не такая хрупкая, как железо.

Использование и свойства неметаллов

На первый взгляд неметаллы кажутся совершенно бесполезными - неметаллами являются:

  • Тусклый;
  • Легко плавится и кипятится - неметаллы имеют низкие температуры плавления и кипения
  • Хрупкий - неметаллы легко ломаются;
  • Изолятор тепла и электричества - неметаллы не пропускают тепло или электричество.

Однако неметаллы составляют основу жизни (углерод), воздух, которым мы дышим (азот, кислород, углекислый газ), и питательные вещества в почве.Неметаллы также используются на ручках кастрюль и вокруг электрического оборудования, где их изоляционные свойства полезны. Инженеры также начинают находить формы неметаллов, которые противоречат тенденциям своих аналогов: углеродное волокно - это неметалл, который очень прочен, пластичен и податлив.

.

Simple English Wikipedia, бесплатная энциклопедия

Некоторые химические элементы называются металлами . Они являются большинством элементов периодической таблицы. Эти элементы обычно обладают следующими свойствами:

  1. Они могут проводить электричество и тепло.
  2. Их легко сформировать.
  3. У них блестящий вид.
  4. Они имеют высокую температуру плавления.

Большинство металлов остаются твердыми при комнатной температуре, но это не обязательно.Ртуть жидкая. Сплавы - это смеси, в которых хотя бы одна часть смеси представляет собой металл. Примеры металлов: алюминий, медь, железо, олово, золото, свинец, серебро, титан, уран и цинк. Хорошо известные сплавы включают бронзу и сталь.

Изучение металлов называется металлургией.

Признаки сходства металлов (свойства металлов) [изменить | изменить источник]

Большинство металлов твердые, блестящие, они кажутся тяжелыми и плавятся только при очень высоких температурах.Куски металла издают звон колокольчика при ударе чего-то тяжелого (они звонкие). Тепло и электричество могут легко проходить через металл (он проводящий). Кусок металла можно разбить на тонкий лист (он ковкий) или растянуть на тонкую проволоку (он пластичный). Металл трудно разорвать (у него высокая прочность на разрыв) или разбить (у него высокая прочность на сжатие). Если надавить на длинный тонкий кусок металла, он согнется, а не сломается (он эластичный). За исключением цезия, меди и золота, металлы имеют нейтральный серебристый цвет.

Не все металлы обладают этими свойствами. Ртуть, например, жидкая при комнатной температуре, свинец очень мягкий, а тепло и электричество не проходят через железо так, как через медь.

Мост в России металлический, вероятно, железный или стальной.

Металлы очень полезны людям. Их используют для изготовления инструментов, потому что они могут быть прочными и легко поддающимися обработке. Из железа и стали строили мосты, здания или корабли.

Некоторые металлы используются для изготовления таких предметов, как монеты, потому что они твердые и не изнашиваются быстро.Например, медь (блестящая и красного цвета), алюминий (блестящая и белая), золото (желтая и блестящая), а также серебро и никель (также белые и блестящие).

Некоторые металлы, например сталь, можно делать острыми и оставаться острыми, поэтому их можно использовать для изготовления ножей, топоров или бритв.

Редкие металлы с высокой стоимостью, такие как золото, серебро и платина, часто используются для изготовления ювелирных изделий. Металлы также используются для изготовления крепежа и шурупов. Кастрюли, используемые для приготовления пищи, могут быть сделаны из меди, алюминия, стали или железа.Свинец очень тяжелый и плотный, и его можно использовать в качестве балласта на лодках, чтобы не допустить их опрокидывания или защитить людей от ионизирующего излучения.

Многие изделия, сделанные из металлов, на самом деле могут быть сделаны из смесей по крайней мере одного металла с другими металлами или с неметаллами. Эти смеси называются сплавами. Некоторые распространенные сплавы:

Люди впервые начали делать вещи из металла более 9000 лет назад, когда они обнаружили, как получать медь из [] руды. Затем они научились делать более твердый сплав - бронзу, добавляя к ней олово.Около 3000 лет назад они открыли железо. Добавляя небольшое количество углерода в железо, они обнаружили, что из них можно получить особенно полезный сплав - сталь.

В химии металл - это слово, обозначающее группу химических элементов, обладающих определенными свойствами. Атомы металла легко теряют электрон и становятся положительными ионами или катионами. Таким образом, металлы не похожи на два других вида элементов - неметаллы и металлоиды. Большинство элементов периодической таблицы - металлы.

В периодической таблице мы можем провести зигзагообразную линию от элемента бора (символ B) до элемента полония (символ Po). Элементы, через которые проходит эта линия, - это металлоиды. Элементы, расположенные выше и справа от этой линии, являются неметаллами. Остальные элементы - это металлы.

Большинство свойств металлов обусловлено тем, что атомы в металле не очень крепко удерживают свои электроны. Каждый атом отделен от других тонким слоем валентных электронов.

Однако некоторые металлы отличаются. Примером может служить металлический натрий. Он мягкий, плавится при низкой температуре и настолько легкий, что плавает на воде. Однако людям не следует пробовать это, потому что еще одно свойство натрия состоит в том, что он взрывается при соприкосновении с водой.

Большинство металлов химически стабильны и не вступают в реакцию легко, но некоторые реагируют. Реактивными являются щелочные металлы, такие как натрий (символ Na) и щелочноземельные металлы, такие как кальций (символ Ca). Когда металлы действительно вступают в реакцию, они часто реагируют с кислородом.Оксиды металлов являются основными. Оксиды неметаллов кислые.

Соединения, в которых атомы металлов соединены с другими атомами, образуя молекулы, вероятно, являются наиболее распространенными веществами на Земле. Например, поваренная соль - это соединение натрия.

Кусок чистой меди, найденной как самородная медь

Считается, что использование металлов отличает людей от животных. Прежде чем использовать металлы, люди делали инструменты из камня, дерева и костей животных. Сейчас это называется каменным веком.

Никто не знает, когда был найден и использован первый металл. Вероятно, это была так называемая самородная медь, которую иногда находят большими кусками на земле. Люди научились делать из него медные инструменты и другие вещи, хотя для металла он довольно мягкий. Они научились плавке, чтобы получать медь из обычных руд. Когда медь плавили на огне, люди научились делать сплав под названием бронза, который намного тверже и прочнее меди. Из бронзы делали ножи и оружие.Это время в истории человечества примерно после 3300 г. до н.э. часто называют бронзовым веком, то есть временем бронзовых инструментов и оружия.

Примерно в 1200 году до нашей эры некоторые люди научились делать железные орудия труда и оружие. Они были даже тверже и прочнее бронзы, и это было преимуществом на войне. Время железных инструментов и оружия теперь называется железным веком. . Металлы были очень важны в истории человечества и цивилизации. Железо и сталь сыграли важную роль в создании машин. Золото и серебро использовались в качестве денег, чтобы люди могли торговать, то есть обмениваться товарами и услугами на большие расстояния.

В астрономии металл - это любой элемент, кроме водорода или гелия. Это потому, что эти два элемента (а иногда и литий) - единственные, которые образуются вне звезд. В небе спектрометр может видеть признаки металлов и показывать астроному металлы в звезде.

В организме человека некоторые металлы являются незаменимыми питательными веществами, такими как железо, кобальт и цинк. Некоторые металлы могут быть безвредными, например рутений, серебро и индий. Некоторые металлы могут быть токсичными в больших количествах. Другие металлы, такие как кадмий, ртуть и свинец, очень ядовиты.Источники отравления металлами включают горнодобывающую промышленность, хвостохранилища, промышленные отходы, сельскохозяйственные стоки, профессиональные воздействия, краски и обработанную древесину.

.

сталь | Состав, свойства, типы, марки и факты

Основной металл: железо

Изучение производства и структурных форм железа от феррита и аустенита до легированной стали

Железная руда является одним из самых распространенных элементов на Земле, и одно из основных ее применений - производство стали. В сочетании с углеродом железо полностью меняет свой характер и становится легированной сталью.

Encyclopædia Britannica, Inc. Посмотреть все видеоролики к этой статье

Основным компонентом стали является железо, металл, который в чистом виде не намного тверже меди.За исключением крайних случаев, железо в твердом состоянии, как и все другие металлы, является поликристаллическим, то есть состоит из множества кристаллов, которые соединяются друг с другом на своих границах. Кристалл - это упорядоченное расположение атомов, которое лучше всего можно представить как сферы, соприкасающиеся друг с другом. Они упорядочены в плоскостях, называемых решетками, которые определенным образом пронизывают друг друга. Для железа структуру решетки лучше всего можно представить в виде единичного куба с восемью атомами железа в углах. Для уникальности стали важна аллотропия железа, то есть его существование в двух кристаллических формах.В объемно-центрированном кубе (ОЦК) в центре каждого куба находится дополнительный атом железа. В расположении гранецентрированного куба (ГЦК) есть один дополнительный атом железа в центре каждой из шести граней единичного куба. Существенно, что стороны гранецентрированного куба или расстояния между соседними решетками в ГЦК-схеме примерно на 25 процентов больше, чем в ОЦК-схеме; это означает, что в структуре ГЦК больше места, чем в структуре БЦК, для хранения посторонних ( i.е., легирующих) атомов в твердом растворе.

Железо имеет аллотропию ОЦК ниже 912 ° C (1674 ° F) и от 1394 ° C (2541 ° F) до точки плавления 1538 ° C (2800 ° F). Называемое ферритом, железо в его ОЦК-образовании также называется альфа-железом в более низком температурном диапазоне и дельта-железом в более высокотемпературной зоне. Между 912 ° и 1394 ° C железо находится в порядке ГЦК, которое называется аустенитом или гамма-железом. Аллотропное поведение железа сохраняется, за некоторыми исключениями, в стали, даже когда сплав содержит значительные количества других элементов.

Существует также термин бета-железо, который относится не к механическим свойствам, а, скорее, к сильным магнитным характеристикам железа. При температуре ниже 770 ° C (1420 ° F) железо является ферромагнитным; температуру, выше которой он теряет это свойство, часто называют точкой Кюри.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 с вашей подпиской. Подпишитесь сегодня

В чистом виде железо мягкое и, как правило, не используется в качестве конструкционного материала; основной метод его упрочнения и превращения в сталь - добавление небольшого количества углерода.В твердой стали углерод обычно присутствует в двух формах. Либо он находится в твердом растворе в аустените и феррите, либо находится в виде карбида. Форма карбида может быть карбидом железа (Fe 3 C, известный как цементит) или карбидом легирующего элемента, такого как титан. (С другой стороны, в сером чугуне углерод проявляется в виде хлопьев или кластеров графита из-за присутствия кремния, подавляющего образование карбидов.)

Влияние углерода лучше всего иллюстрируется диаграммой равновесия железо-углерод.Линия A-B-C представляет точки ликвидуса (, т.е. температуры, при которых расплавленное железо начинает затвердевать), а линия H-J-E-C представляет точки солидуса (при которых затвердевание завершается). Линия A-B-C показывает, что температура затвердевания снижается по мере увеличения содержания углерода в расплаве железа. (Это объясняет, почему серый чугун, содержащий более 2 процентов углерода, обрабатывается при гораздо более низких температурах, чем сталь.) Расплавленная сталь, например, с содержанием углерода 0.77 процентов (показано вертикальной пунктирной линией на рисунке) начинают затвердевать при температуре около 1475 ° C (2660 ° F) и полностью затвердевают при температуре около 1400 ° C (2550 ° F). С этого момента все кристаллы железа находятся в аустенитном - т. Е. ГЦК - расположении и содержат весь углерод в твердом растворе. При дальнейшем охлаждении происходит резкое изменение примерно при 727 ° C (1341 ° F), когда кристаллы аустенита превращаются в тонкую пластинчатую структуру, состоящую из чередующихся пластинок феррита и карбида железа.Эта микроструктура называется перлитом, а изменение называется эвтектоидным превращением. Перлит имеет твердость алмазной пирамиды (DPH) приблизительно 200 килограммов-сил на квадратный миллиметр (285 000 фунтов на квадратный дюйм), по сравнению с DPH 70 килограммов-сил на квадратный миллиметр для чистого железа. Охлаждение стали с более низким содержанием углерода (, например, 0,25 процента) приводит к получению микроструктуры, содержащей около 50 процентов перлита и 50 процентов феррита; он мягче, чем перлит, с DPH около 130.Сталь с содержанием углерода более 0,77 процента, например 1,05 процента, содержит в своей микроструктуре перлит и цементит; он тверже перлита и может иметь DPH 250.

Диаграмма равновесия железо-углерод.

Encyclopædia Britannica, Inc. .

Какие они? Из чего делают обычные сплавы?

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 12 октября 2020 г.

Практически любой материал мы могли бы когда-нибудь захотеть скрывается где-то на планете под нашим ноги. От золота, которое мы носим как украшения, до нефть, которая питает наши автомобили, земной кладезь удивительных материалов может обеспечить практически каждая потребность. Химические элементы - это основные строительные блоки из из которых сделаны все материалы внутри Земли. Их около 90 природные элементы, большинство из которых - металлы.Но, хотя металлы и полезны, иногда они не идеальны. для работы, которая нам нужна. Возьмем, к примеру, железо. Это удивительно прочный, но может быть довольно хрупким и ржавеет легко во влажном воздухе. Или как насчет алюминия. Он очень легкий, но в своем в чистом виде, он слишком мягкий и слабый, чтобы от него было много пользы. Поэтому большинство используемых нами "металлов" не вообще металлы, кроме сплавов: металлы в сочетании с другими веществами, чтобы сделать их сильнее, тверже, легче или лучше каким-нибудь другим способом.Сплавы повсюду вокруг нас - от пломбы в наши зубы и литые диски на наших автомобилях к космическим спутникам свист над нашими головами. Давайте подробнее рассмотрим, что это такое и почему они такие полезно!

Фото: Этот топливный бак от Space Shuttle был сделан из сверхлегкого алюминиево-литиевого сплава, так что это на целых 3400 кг (7500 фунтов) легче, чем бак, который он заменил. Уменьшение веса базовой конструкции шаттла означало, что он мог нести более тяжелую полезную нагрузку (груз).Фото любезно предоставлено Космическим центром Кеннеди НАСА (NASA-KSC).

Что такое сплав?

Фото: Этот образец сплава титан-цирконий-никель заставляют левитировать (парить в воздухе) с помощью электричества. Это один из многих замечательных новых материалов, которые разрабатываются для возможного использования в космосе. Фото любезно предоставлено Центром космических полетов им. Маршалла НАСА (NASA-MSFC).

Вы могли встретить слово сплав, описанное как «смесь металлов», но это немного вводит в заблуждение, потому что некоторые сплавы содержат только один металл, и он смешан с другие вещества, не являющиеся металлами (например, чугун, сплав из одного металла, железа, смешанного с одним неметаллом, углеродом).Лучше всего думать о сплаве как о материале, состоящем из минимум два разных химических элемента, один из которых - металл. В самый важный металлический компонент сплава (часто представляющий 90 процентов или более материала) называется основным металл, основной металл или основание металл. Остальные компоненты сплава (которые называются легирующими добавками) может быть металлы или неметаллы, и они присутствуют в гораздо меньших количествах (иногда менее 1 процента от общей суммы). Хотя сплав иногда может быть составным (элементы, из которых он сделан, химически связаны вместе), обычно это твердый решение (атомы элементов просто перемешаны, как соль, смешанная с вода).

Состав сплавов

Если вы посмотрите на металл в мощный электронный микроскоп, вы увидите атомы внутри расположены в регулярной структуре, называемой кристаллической решетка. Представьте себе небольшую картонную коробку, полную шариков, и это довольно много. что бы вы увидели. В сплаве, кроме атомов основного металла, есть также атомы легирующих добавок, разбросанных по всему состав. (Представьте, что уронили несколько пластиковых шарики в картон коробка, чтобы они случайным образом расположились среди шариков.)

Изображение: Замещающие сплавы и промежуточные сплавы: На этих диаграммах черные кружки представляют основной металл, а красные кружки - легирующие добавки.

Сплавы замещения

Если атомы легирующего агента заменяют атомы основного металла, мы получаем то, что называется замещающий сплав. Такой сплав сформируется только в том случае, если атомы основного металла и легирующего агента имеют примерно такого же размера. В большинстве сплавов замещения составляющая элементы очень близко друг к другу в периодической таблице.Латунь, для Например, сплав на основе меди в какие атомы цинка заменяют 10–35 процентов атомов, которые обычно находятся в меди. Латунь работает как сплав, потому что медь и цинк близки друг к другу в периодической таблицы и имеют атомы примерно одинакового размера.

Сплавы внедрения

Сплавы также могут образовываться, если легирующий агент или агенты имеют атомы, которые намного меньше чем из основного металла. В этом случае атомы агента проскальзывают в между основными атомами металла (в зазорах или «пустотах»), давая так называемый межузельный сплав.Сталь - это пример сплава внедрения, в котором относительно небольшое количество атомы углерода проникают внутрь промежутки между огромными атомами в кристаллической решетке железа.

Как ведут себя сплавы?

Фото: Это не только основные ингредиенты (металлы и другие составляющие). влияющие на свойства сплава; как эти ингредиенты сочетаются очень важно тоже. Скорость разливки или перемешивания, температура разливки и скорость охлаждения являются некоторыми из факторов. что может повлиять на физические свойства сплавов.Фотография отливки латунного сплава, сделанная Джетом Лоу, любезно предоставлена ​​Библиотекой Конгресса США, Отделом эстампов и фотографий, Historic American Engineering Record.

Люди делают и используют сплавы, потому что металлы не имеют подходящие свойства для конкретная работа. Железо - отличное здание материал, но сталь (сплав получается путем добавления небольшого количества неметаллического углерода к железу) прочнее, тверже и устойчивее к ржавчине. Алюминий - очень легкий металл, но он также очень мягкий в чистом виде. Добавьте небольшое количество металлов магний, марганец и медь, и вы получите превосходный алюминиевый сплав называется дюралюминий, который достаточно силен для изготовления самолетов.Сплавы всегда показывают улучшения по сравнению с основным металлом в одном или нескольких своих важные физические свойства (такие как прочность, долговечность, способность проводить электричество, способность выдерживать жару, и так на). Как правило, сплавы прочнее и тверже, чем их основные металлы, менее пластичные (труднее работать) и менее пластичные (труднее втягиваем в провода).

Таблица

: Один и тот же основной металл может давать очень разные сплавы, когда он смешивается с другими элементами. Вот четыре примера медных сплавов.Хотя медь является основным металлом во всех них, каждый из них обладает совершенно разными свойствами.

Фото: Ученые NASA Ames разработали методику называется газовым распылением под высоким давлением для упрощения производства магниевые сплавы. Фото любезно предоставлено Министерством энергетики США.

Как изготавливаются сплавы?

Представление о сплаве как о "смеси металлов" может сбивает с толку. Как можно ли смешать два куска твердого металла? Традиционный способ изготовление сплавов заключалось в нагревании и плавлении компонентов для получения жидкостей, смешайте их вместе, а затем дайте им остыть до состояния, называемого твердый раствор (твердый эквивалент раствор как соль в воде).Альтернативный способ изготовления сплава - повернуть компоненты в порошки, смешайте их вместе, а затем соедините их с сочетание высокого давления и высокой температуры. Эта техника называется порошковой металлургией. Третий метод изготовление сплавов стрелять пучками ионов (атомов со слишком малым или слишком большим количеством электронов) в поверхностный слой куска металла. Ион Имплантация, как это известно, является очень точным способом изготовления сплава. Это вероятно, наиболее известен как способ изготовления полупроводников, используемых в электронные схемы и компьютерные микросхемы.(Подробнее об этом читайте в нашей статье о молекулярно-лучевой эпитаксии.)

Узнать больше

На этом сайте

Статьи

Книги

Общие сведения о материаловедении и инженерии

В этих книгах объясняется основная концепция подбора материалов для работы, которую они должны выполнять. Это основная идея большинства сплавов - по сути, металлы «улучшены», чтобы выполнять определенные задачи лучше, чем в чистом, естественном состоянии.

Более подробные книги

Достаточно сложно найти простые общие книги по сплавам; вместо этого ищите книги по «инженерным материалам», и вы найдете что-нибудь подходящее.

Организации

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2008, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Inconel - зарегистрированная торговая марка Huntington Alloys Corporation
Monel - зарегистрированная торговая марка International Nickel Co.
Waspaloy - зарегистрированная торговая марка United Technologies Corporation
Hastelloy - зарегистрированная торговая марка Haynes International, Inc.
Названия определенных сплавов CMSX ( такие как CMSX-4) являются зарегистрированными товарными знаками Cannon-Muskegon Corporation.

.

Смотрите также