Строение металлов и их свойства

Металлы - простые вещества, обладающие свободными (не связанными с определенными атомами) электронами, которые способны перемещаться по всему объему тела. Эта особен­ность состояния металлического вещества определяет свой­ства металлов.

Атомы металлов легко отдают внешние (валентные) элек­троны, превращаясь при этом в положительно заряженные ио­ны. Электроны, освободившиеся от атомов, непрерывно хаоти­чески перемещаются по всему объему металла подобно моле­кулам в газах. Поэтому такие свободные электроны часто называют электронным газом. Свободные электроны, сталки­ваясь во время движения с положительно заряженными ионами, могут на некоторое время снова соединяться с ними. В этих случаях положительно заряженные ионы превращаются в ней­тральные атомы. Таким образом, металлы состоят из упорядо­чение расположенных в пространстве положительно заряжен­ных ионов, перемещающихся среди них электронов и неболь­шого количества нейтральных атомов.

Положительно заряженные ионы и нейтральные атомы в процессе кристаллизации металла или сплава из расплавленно­го (жидкого) состояния группируются в строго определенной последовательности, образуя кристаллические решетки -правильное, упорядоченное расположение атомов в элемен­тарной ячейке.

Кристаллические решетки у металлов и сплавов могут быть различными. Типовые объемно-центрированные кубические (ОЦК) решетки образуют железо, хром, молибден. Гранецен-трированные кубические (ГЦК) решетки образуют железо, медь, алюминий, свинец. Гексагональные плотноупакованные (ГПУ) решетки образуют цинк, магний, кобальт.

Размеры решетки-расстояния между центрами атомов или ионов, находящихся в узлах решетки, - измеряют в ангстремах (1 А = 10 м). С изменением температуры или давления тип и период решетки могут изменяться, что приводит к изменению физико-химических свойств металлов и сплавов.

В зависимости от назначения изделий металлы и сплавы должны обладать определенными свойствами, которые разде­ляются на четыре группы: физические, химические, механи­ческие и технологические.

Различают следующие основные виды деформаций: сжа­тие, растяжение, кручение, срез, изгиб.

Сжатие - деформация, характеризуемая уменьшением объема тела под действием сдавливающих его сил. Сжатию подвергаются строительные колонны, фундаменты и т.д.

Растяжение - деформация, характеризуемая увеличением длины тела, когда к обоим его концам приложены силы, равно­действующие которых направлены вдоль оси тела. Растяже­нию подвергаются крепежные и другие детали.

Кручение - деформация тела с одним закрепленным концом под действием пары равных, противоположно направленных сил, плоскость которых перпендикулярна к оси тела (напри­мер, валы двигателей, коробки передач и т.д.). Срез - это деформация, когда две силы направлены на­встречу друг другу и лежат не на одной прямой, но достаточно близко друг к другу. При определенном их значении происхо­дит срез. На срез работают заклепки, стяжные болты.

Деформация, предшествующая срезу, называется сдвигом. При сдвиге соседние сечения смещаются относительно друг друга, оставаясь параллельными. Изделие при этом не раз­рушается.

Изгиб - деформация тела под действием внешних сил, со­провождающаяся изменением кривизны деформируемого те­ла. Изгибу подвержены, например, строительные балки.

Основные механические свойства металлов - прочность, пластичность, твердость, ударная вязкость.

Прочность - это способность металла или сплава сопротив­ляться разрушению под действием внешних сил (нагрузок). В зависимости от характера действия этих сил различают про­чность на растяжение, сжатие, изгиб и кручение, а также уста­лость металлов.

Твердость - способность металла оказывать сопротивле­ние проникновению в него другого, более твердого, тела, не получающего остаточных деформаций.

Существует несколько методов определения твердости. Наиболее широкое распространение получили следующие:

□ вдавливание шарика из твердой стали (метод Бринелля);

□ вдавливание вершины алмазного конуса или стального шарика (метод Роквелла);

□ вдавливание вершины алмазной пирамиды (метод Виккерса).