Понятие о металлах и сплавах

1. Введение.

Понятие о металлах и сплавах. 

  Из  всех известных в настоящее время  элементов более половины являются металлами. Металлы — непрозрачные вещества, обладающие специфическим металлическим блеском, пластичностью, высокой теплопроводностью и электропроводностью. По этому признаку металлы легко отличить от других веществ (дерево, стекло и т. д.).

  Все металлы и образованные из них  сплавы делят на черные (к ним относят железо и сплавы на его основе, на их долю приходится около 95 % производимой в мире металлопродукции) и цветные. В технике принята условная классификация, по которой металлы делят на группы:  

• легкие — алюминий (Al),магний (Mg);
• тяжелые — медь (Си), свинец (Рb);
• тугоплавкие — вольфрам (W), молибден (Мо);
• благородные — золото (Аu), платина (Pt);
• рассеянные — гадолиний (Gd), индий (In), таллий (Tl);
• редкоземельные — скандий(Sc), иттрий (Y);
• радиоактивные — радий (Ra), уран (U).

  Понятие „чистый металл” весьма условно. Любой чистый металл содержит примеси, а поэтому его следует рассматривать как сплав. Под термином „чистый металл” понимается металл, содержащий 0,010-0,001% примесей. Современная металлургия позволяет получать металлы высокой чистоты (99,999%). Однако примеси даже в малых количествах могут оказывать существенное влияние на свойства металла.

  Чистые  металлы обладают низкой прочностью и не обеспечивают требуемых физико-механических и технологических свойств. Поэтому их применение в технике в качестве конструкционных материалов ограничено. Наиболее широко применяют сплавы, которые обладают по сравнению с чистыми металлами более высокой прочностью и твердостью.

  Сплавы  — твердые и жидкие вещества —  получают сплавлением или спеканием двух или более металлов или металлов с неметаллами. Элементы, образующие сплав, называют компонентами. Сплавы могут состоять из двух или большего числа компонентов. Строение металлического сплава более сложное по сравнению с чистым металлом.

  Для рассмотрения строения, превращений  и свойств металлов и сплавов введем понятие „фаза” и „структура”.

  Фазой называется однородная часть системы (металла или сплава), имеющая границы раздела, при переходе через которые их свойства резко меняются.

  Например, жидкий металл является однофазной системой; смесь жидкого металла и твердых кристалликов — двухфазной системой, так как свойства жидкого металла значительно отличаются от свойств твердых кристалликов. Фазами могут быть отдельные металлы, их химические соединения, а также растворы на основе металлов.

  Под структурой понимается строение металла, т.е. взаимное расположение различных фаз, форма и размер составляющих их кристаллов.

  Структурными  составляющими сплава называются обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями. Структурные составляющие могут состоять из одной, двух или более фаз.

  Одна из важнейших задач металловедения — определение связи между  структурой и свойствами.    
 
 
 

  Кристаллические решетки. 
 

  В кристаллических веществах, к которым  относятся все металлы, находящиеся в твердом состоянии, атомы занимают вполне определенное место, образуя пространственную решетку. Элементарная (наименьшая) ячейка этой решетки у каждого кристаллического вещества имеет свое, строго определенное строение и размеры (параметры). По „узору” и числу атомов в элементарной ячейке различают несколько типов атомных решеток.

  У металлов чаще всего наблюдаются  решетки следующих типов:

• кубическая объемноцентрированная (α-железо, вольфрам, молибден, β-титан и др.),
• кубическая гранецентрированная (γ-железо, алюминий, золото, медь, серебро, свинец и др.),
• гексагональная (бериллий, кадмий, магний, α-титан, цинк, γ-хром и др.).

  Элементарная  ячейка объемноцентрированной кубической (о.ц.к.) решетки образована девятью  атомами, восемь из которых расположены  на вершинах воображаемого куба, а девятый — в его центре (рис. 1,а).

  Элементарная  ячейка гранецентрированной кубической (г.ц.к.) решетки имеет более плотную упаковку и содержит 14 атомов — восемь расположены на вершине куба и шесть на пересечении диагоналей его граней (рис. 1,б).

  Элементарная  ячейка гексагональной решетки представляет собой гексаэдр (шестигранную призму), в центре основания которого и вершинах углов расположены атомы; кроме того, три атома находятся внутри гексаэдра. Всего ячейка содержит 17 атомов (рис. 1, в).

  В элементарной ячейке кристаллической  решетки можно выделить ряд характерных, так называемых кристаллографических плоскостей. В зависимости от ориентации плоскость может пересекать большее или меньшее количество атомов. В кубической о.ц.к. решетке наибольшее число атомов пересекает плоскость, проходящую по диагонали куба (рис. 1,г), в кубической г.ц.к. решетке — через диагонали граней и диагональ куба (рис. 1, д) в гексагональной — через его основание. Последняя плоскость называется базисной плоскостью.

  В результате повторений элементарной ячейки в трех измерениях образуется тело кристалла с однообразно ориентированной атомной решеткой. Внешняя форма кристалла или, как его часто называют, монокристалла зависит от строения элементарной ячейки и условий кристаллизации, т.е. от образования кристаллов при переходе из жидкого состояния в твердое.

   Кристаллы правильной формы встречаются в природе довольно часто. Они наблюдаются у поваренной соли, кварца, льда (снежинок) и других неметаллических веществ. Монокристаллы металла можно вырастить только искусственно в специальных условиях. 

  Рис. 1. Основные типы элементарных ячеек, образующих кристаллические  решетки металлов, и положение кристаллографических плоскостей, наиболее плотно усеянных атомами. 

  Если  измерить в различных направлениях физические свойства монокристалла, то окажется, что они будут сильно зависеть от выбранного направления, т.е. монокристалл обладает ярко выраженной анизотропией свойств. При испытании образцов, вырезанных из кристалла меди, было обнаружено, что в зависимости от направления их вырезки прочность образцов изменялась от 140 до 350 МПа, а относительное удлинение — в пять раз; изменялись также электро- и теплопроводность и другие свойства. Это объясняется тем, что в зависимости от избранного направления вырезки образцы совпадали с той или иной кристаллографической плоскостью, имеющей разную плотность атомов.

  Известно, что атомы твердых тел совершают  тепловые колебания. С ростом температуры кристаллического тела амплитуда колебаний атомов возрастает и при температуре плавления настолько увеличивается, что разрушается кристаллическая решетка — металл плавится.

  Внешний вид металлического изделия не создает  впечатления о металле, как о кристаллическом теле, так как металл, затвердевающий в обычных условиях, превращается не в монокристалл, а в массу, состоящую из большого количества отдельных кристалликов, ориентированных по отношению друг к другу по-разному, называемую поликристаллом. Поэтому физические свойства металла в целом одинаковы во всех направлениях.

  В металлах всегда присутствует то или  иное количество посторонних примесей. При кристаллизации примеси мешают правильному росту кристаллов, и  форма их искажается. Такие кристаллы  обычно называют кристаллитами или  зернами.

Чтобы увидеть внутреннее строение металла, необходимо тщательно отполировать срез небольшого металлического образца, затем полированную поверхность протравить, т.е. обработать специально подобранными для данного металла химическими растворами. Растворы — смеси кислот или щелочей, взаимодействуя либо с самими кристаллами, либо с межкристаллитным веществом, выявляют структуру металла (рис. 2, а).  
 
 

  Рис. 2. Структура чистого металла и сплавов. 

  Значительно более сложное строение имеют  кристаллиты сплавов двух или нескольких металлов. Температура плавления отдельных металлов неодинакова, поэтому температура плавления смеси зависит от соотношения массы компонентов. При кристаллизации сплавов первыми начинают выпадать из расплава самые тугоплавкие частицы, в состав которых в большинстве своем входят металлы, имеющие наиболее высокую температуру плавления. На первичных частицах нарастают вторичные, менее тугоплавкие и т.д. Кристаллит развивается, как дерево — сначала ствол, затем ветви — все тоньше и тоньше. Поэтому такие кристаллиты называют дендритами (от латинского названия дерева). По мере кристаллизации в твердом состоянии оказывается все больше тугоплавких составляющих сплава, а жидкость, окружающая кристаллиты (межкристаллитное вещество), становится все более легкоплавкой, поэтому она твердеет в последнюю очередь. На (рис. 2, б), представлена микрофотография структуры сплава. Следовательно, межкристаллитное вещество, обволакивающее каждый кристаллит и спаивающее их все в одно целое, кристаллизуется в самую последнюю очередь. При нагревании, наоборот, межкристаллитное вещество плавится в первую очередь, затем, при повышении температуры, начинают переходить в жидкое состояние части кристаллитов в порядке, обратном кристаллизации, т.е., если чистые металлы плавятся при строго определенной температуре, сплавы плавятся в интервале температур.

  При сплавлении двух металлов могут быть три характерных случая:

    1. Оба металла неограниченно растворяются  друг в друге при любых температурах, например медь и никель, золото и серебро. Такие сплавы обладают высокой пластичностью и хорошо обрабатываются давлением в горячем и даже холодном состоянии, но плохо обрабатываются резанием — под резцом образуется длинная вьющаяся стружка, возникают налипы.

    2. Металлы растворяются друг в друге в твердом состоянии ограниченно, причем наиболее часто степень растворимости очень сильно зависит от температуры. Например, при постепенном добавлении к меди цинка он сначала целиком растворяется, а по достижении содержания цинка более 40 % образуются совершенно новые кристаллы — с другой решеткой, возникает новая фаза, т.е. сплав становится двухфазным (рис. 2, в). Физико-химические свойства фаз, как правило, весьма различны, имеют разную твердость, пластичность и т.д. У двухфазных сплавов обычно более низкие пластические свойства, чем у однофазных, они хуже обрабатываются давлением, но лучше резанием.

    3. Металлы, кроме растворов, образуют  химические соединения. Например, в сплаве меди с оловом Cu₃Sn химическое соединение выступает как самостоятельный компонент сплава, а его количество зависит от соотношения основных металлов.

  Химические  соединения, имеют очень высокую  твердость, превосходящую твердость основных компонентов в десятки раз. Известны химические соединения, например карбиды вольфрама, молибдена или титана, твердость которых приближается к твердости алмаза. Технологические свойства подобных сплавов зависят от количества интерметаллических включений, а главное — от их формы. Например, включения в виде игл и пластинок способствуют разрушению кристалла при деформации.

  Реальная  кристаллическая решетка металла  не является неподвижной конструкцией. Все составляющие ее частицы находятся  в непрерывном движении: движутся оторванные от атомов электроны, обеспечивая  межатомную металлическую связь и электрическую проводимость, около своих средних положений совершают колебательные движения атомы; время от времени тот или иной атом при превышении определенного энергетического уровня начинает перемещаться по кристаллу, нарушая правильность кристаллической решетки. Такие нарушения вызывают и "чужеродные" атомы — атомы примесей, которые внедряются в решетку при кристаллизации. Мельчайшие пузырьки газа, трещинки, включения неметаллических примесей ослабляют кристаллическую решетку, делают ее несовершенной, тем самым, изменяя и свойства металлов и сплавов. 
 
 

Титан в природе. 
 

   Титан входит в первую десятку самых  распространенных элементов нашей планеты.

  В пятнадцатикилометровой толще земной коры его более половины процента: почти все кристаллические горные породы, пески, глины и прочие составляющие поверхности нашей планеты содержат титан. Содержание титана в почвах (а речь может идти только о его соединениях, так как в свободном виде титана в природе нет) в различных районах земного шара колеблется  от половины до полутора процентов. В землях Европы, к примеру, полпроцента титана, в землях Азии — вдвое больше. В основных почвенных зонах Европейской части России содержание титана колеблется от одной до трех четвертей процента Больше всего титана в глинах, в суглинках его меньше и сов сем немного в известковых почвах. Меньше всего титана в пахотных землях и в пустынях. Высокий процент титана обнаружили в глинистых грунтах Средиземноморских Альп, в окрестностях Дели, в почвах Бразилии. На острове Святой Елены, где провел свои последние годы Наполеон Бонапарт, количество титана в земле доходит до двух с половиной процента. Но никакие другие земли не могут соперничать с красноземами Западного Самоа, содержание титана в которых колеблется от восьми до двенадцати процентов.

  Титан находят в вулканической пыли, в газах, выделяющихся из кратеров вулканов, в каменных материалах. В 1866 году с помощью метода спектрального анализа наличие титана обнаружено в атмосфере Солнца. Элемент этот находится на ближайшей к нам звезде в ионизированной форме. Линии, соответствующие титану, открыты в спектрах большинства звезд.

  Но  вернемся на Землю. Теми же методами спектрального  анализа титан обнаружен в  морской воде, в водах Дуная, в  горячих ключах Японии и минеральных водах Испании, в каменном угле и в торфе, в сырой нефти и других веществах.

  В различных лабораториях мира подвергают исследованиям сотни видов зерен, плодов, стеблей, деревьев, кустарников, определяя содержание в них микроэлементов. Во многих растениях есть титан, правда, его меньше, чем в почвах, на которых они растут. Титан в растениях исчисляется сотыми и тысячными долями процента. Впервые он был там обнаружен немецким химиком Адергольдом в 1852 году.

  Довольно  высокое содержание этого элемента характерно для листьев табака, для водорослей, сахарного тростника, лука. Из других культур наиболее богаты им бобовые и гречиха. А вот плоды какао совсем не имеют титана. Бедны титаном морковь, люцерна, картофель, земляной и лесной орехи. Но о кокосовом и грецком орехах этого сказать нельзя. Наличие титана отмечено в семенах хлопка, подсолнечника, в красном клевере, каштане, тыкве, кукурузе, а также в различных деревьях.

  Титан в живых организмах впервые обнаружил  английский химик Риз в 1835 году. Растения, как правило, концентрируют титан в больших количествах, чем животные, но многие организмы тоже содержат немало этого элемента. К ним в первую очередь необходимо отнести крабов, устриц, ракушек, целый ряд рыб и других обитателей морей.

  Титан найден в тканях лошадей, овец, собак, кроликов, телят, причем больше всего титана содержится в легких, печени, волосяном покрове и в почках животных.

  В организме взрослого человека находится  около 20 миллиграммов титана. Особенно богаты этим элементом селезенка, надпочечники и щитовидная железа. Так как титана сравнительно много в почвах, то мы постоянно вдыхаем его вместе с обычной пылью и, по-видимому, именно этим обстоятельством объясняется тот факт, что у пожилых людей в легких чуть ли не в сто раз больше титана, чем у новорожденных, тогда как в других органах количество элемента постоянно и с возрастом не меняется.

  До  сих пор неизвестно, какую роль выполняет титан в человеческом организме, но степень его концентрации позволила советскому академику  В. И. Вернадскому высказать предположение о том, что титан нужен для организма и выполняет какие-то определенные жизненно важные функции. Во всяком случае, на сегодняшний день точно установлено, что титан безвреден для людей и животных.

  В медицинской литературе описан случай, когда один человек, очевидно, желая покончить с собой и не найдя под рукой ничего более существенного, принял внутрь почти полкилограмма диоксида титана. Никаких серьезных последствий для организма эта лошадиная доза не вызвала.

  Небольшое количество титана есть в костях и зубах человека, в материнском молоке. Японские ученые установили, что титан находится и в волосах, но только в светлых, так что, выходит, шатены, брюнеты и рыжие этим элементом «обделены».

  Обнаружено  также, что титан — составная часть коровьего молока, куриных яиц и многих других пищевых продуктов.

Таким образом, по распространенности в природе  титан занимает среди металлов четвертое место (после алюминия, железа и магния). В земной коре он составляет        0,6 %, то есть втрое больше, чем медь, цинк, никель, ванадий, хром и марганец вместе взятые.

  Титан в настоящее время стал широко известным конструкционным металлом. Трудно представить какую-либо отрасль техники, где применение титана было бы невозможно. Мы являемся свидетелями того, как с каждым днем сбываются слова одного из основателей производства титана в нашей стране — академика И. П. Бардина: «Металл сегодня — это не только чугун и сталь..., это и титан — юный соперник железа...»

  Однако  ограниченное его использование вызвано дороговизной первичного титана (губки титана) и особенно полуфабрикатов из основного металла и сплавов на его основе. Поэтому важной задачей исследователей, инженеров и техников является отыскание путей удешевления производства титана и его полуфабрикатов на всех этапах получения металла: электротермического процесса разделения железа и титана, хлорирования шлаков, магниетермнческого восстановления четыреххлористого титана, вакуумно-термической обработки реакционной массы, а также использования металлических и неметаллических отходов титана. 
 
 

Характеристика  титана. 
 

  Атомный номер титана в периодической  системе — 22. Атомная масса – 47,9. Он относится к ΙV группе, его соседи – кремний и германий. В горизонтальном ряду титан находится между скандием (Sc) и ванадием (V) и возглавляет подгруппу титана, куда входят и его ближайшие родственники – цирконий (Zr) и гафний (Hf). Все они в чистом виде – не слишком твердые, серебристо-серого цвета металлы, обладающие очень похожими свойствами.

  Элементарный титан – очень активный химический элемент, его химическая активность еще более возрастает при высоких температурах. По своей способности вступать в реакции с другими элементами титан превосходит многие металлы. Но исследователи гораздо больше интересовал титан в качестве материала для технического использования. Свойства чистого металлического титана оказались настолько уникальными, что встал вопрос о немедленном использовании его для нужд специальной техники. Но способа промышленного получения достаточно чистого титана еще не существовало.

  Титан почти вдвое легче железа и  всего лишь в 1,5 раза тяжелее алюминия. Самый тяжелый среди легких металлов, он в 1,5 раза прочнее стали! Имея хорошую  пластичность – способность изменять форму, не разрушаясь, он обладает хорошей вязкостью. Титан – более упругий металл, чем магний и алюминий, но менее упругий, чем сталь. Он гораздо тверже алюминия, магния, меди, железа и почти не уступает особо обработанным легированным сталям. Титан характеризуется еще и таким ценным свойством, как отличная выносливость. Предел текучести титана в 2,5 раза выше, чем у железа, в три с лишним раза выше, чем у железа, в три с лишним раза выше, чем у меди, и почти в 18 раз превосходит этот же показатель для алюминия.

  Титановые сплавы – это, быть может, самые совершенные материалы, которыми располагает современная техника. Прочность некоторых титановых сплавов в 2 – 3 раза больше прочности чистого титана. Они превосходят все другие распространенные металлы по такому важному показателю, как удельная прочность.

  Если  бы все достоинства титана заключались  только в его легкости и прочности, то и этого было бы уже достаточно для развития титановой промышленности. Но и помимо этого он отличается замечательной коррозионной и радиационной стойкостью, немагнитностью, хорошей биосовместимостью, обладает высоким уровнем механических характеристик.

  Этот  комплекс свойств и предопределил  судьбу металла.    
 
 
 
 
 
 
 
 

Физические  свойства титана. 

  Плотность титана значительно ниже, чем у железа, а температура и теплота плавления и кипения – выше. Он обладает и более высокой, чем  железо, удельной теплоемкостью. Отсюда и высокие затраты энергии для расплавления титана, во много раз превосходящие затраты энергии на расплавление железа.

  Коэффициент теплопроводности титана почти в 4 раза меньше, чем у железа, поэтому в условиях сварки эффективность проплавления титана выше.

  Важным  показателем для ряда технологических  процессов и особенно для сварки, является то, что удельное электросопротивление титана превосходит этот показатель для железа в 6 раз, а для алюминия – более чем в 20 раз. Электросопротивление титана зависит от его чистоты и температуры. При температуре около 273 К титана становится сверхпроводником.

  Отличной  особенностью титана является увеличение магнитной восприимчивости с повышением температуры, вплоть до 1373°С.

  Титан обладает высоким  коэффициентом поверхностного натяжения : σ_нат. при 1600°С  σ_нат.= 1,7 Дж/м². В области точки плавления σ_нат. у титана в 1,5 раза выше, чем у алюминия.

  Титан обладает несколькими плоскостями скольжения и двойникования, что обеспечивает его высокую пластичность и поэтому к ним применимы все способы обработки металлов давлением. Несмотря на хорошую пластичность, титан и его сплавы относятся к труднодеформируемым материалам. Из-за высокой прочности пластичность сплавов при деформировании определяется в основном содержанием в них таких легирующих элементов, как алюминий, хром, ванадий, молибден, марганец и некоторые другие.

  Особенно  заметно понижение пластичности у сплавов, содержащих более 7—8 % Al, вследствие образования хрупкого соединения титан — алюминий. Ванадий и хром повышают прочность, но снижают пластичность при обработке давлением. Легирование молибденом (до 5 % Мо) значительно увеличивает прочность сплавов и снижает пластичность. Содержание до 1 % Mn практически мало влияет на пластичность титановых сплавов, а дальнейшее увеличение концентрации марганца сопровождается значительным снижением пластических свойств. Рациональным легированием можно получить сплавы высокой прочности и удовлетворительной пластичности.

  В значительной степени на механические свойства титана и его сплавов  влияет содержание в них газов  — кислорода, азота, углерода и водорода, который образуют твердые растворы. При малых концентрациях кислорода и азота временное сопротивление повышается, а пластичность снижается. Сплавы на основе титана сохраняют прочностные характеристики до 600-700 °С и при этом незначительно окисляются на воздухе.

  Физические свойства титана и его сплавов изменяются с параметрами кристаллической решетки. При 882,5°С  из стабильной при комнатной температуре гексагональной α-модификации титан превращается в кубическую объемноцентрированную высокотемпературную β-модификацию. Эта температура превращения определена с помощью измерений парциального давления водорода. Переход из α- в β-фазу вызывает уменьшение объема и особенно сильно изменяет физические свойства вследствие различия кристаллической структуры обеих фаз.

  Выделение α-фазы при переходе из гомогенной β-области в α+β – область в титановых сплавах при возрастании содержания легирующего элемента тем инертнее, чем ниже температура этого перехода. Поэтому при достаточно высоком содержании легирующего элемента превращение происходит настолько медленно, что при закалке из β-области могут образовываться нестабильные промежуточные состояния. Возникают промежуточные фазы в зависимости от содержания легирующего элемента как при закалке из β-области до комнатной температуры, так и при изотермическом превращении при соответствующей температуре или при отпуске или деформировании закаленных образцов. Образование промежуточных фаз может быть обусловлено такими примесями, как, например, кислород.