госы. 1. Периодический закон Д. И. Менделеева фундаментальная основа неорганической химии и

• Название: 1. Периодический закон Д. И. Менделеева фундаментальная основа неорганической химии и
• Дата: 07.06.2022
• Размер: 2.79 Mb.
• Имя файла: GOSY.pdf
• Тип: Закон; #575610
• страница: 5 из 16

Алюминиевые сплавы и их применение
Алюминиевые сплавы по способу изготовления из них изделий делят на две группы:
1) деформируемые (имеют высокую пластичность в нагретом состоянии),
2) литейные (имеют хорошую жидкотекучесть).
Такое деление отражает основные технологические свойства сплавов. Для получения этих свойств в алюминий вводят разные легирующие элементы и в неодинаковом количестве.
Сырьем для получения сплавов обоего типа являются не только технически чистый алюминий, но также и двойные сплавы алюминия с кремнием, которые содержат 10-13 % Si, и немного отличаются друг от друга количеством примесей железа, кальция, титана и марганца. Общее содержание примесей в них 0.5-1.7 %.
Эти сплавы называют силуминами. Из них изготавливают детали сложной конфигурации, для автостроения. Система Al-Si относится к простому эвтектическому типу с небольшой растворимостью компонентов друг в друге в твердом состоянии. Силумин достаточно хрупок.
Для получения деформируемых сплавов в алюминий вводят в основном растворимые в нем легирующие элементы в количестве, не превышающем предел их растворимости при высокой температуре.
Деформируемые сплавы при нагреве под обработку давлением должны иметь гомогенную структуру твердого раствора, обеспечивающую наибольшую пластичность и наименьшую прочность. Это и обусловливает их хорошую обрабатываемость давлением.
Основными легирующими элементами в различных деформируемых сплавах является медь, магний, марганец и цинк, кроме того, в сравнительно небольших количествах вводят также кремний, железо, никель и некоторые другие элементы.
Дюралюминий
Характерными упрочняемыми сплавами являются дюралюминии — сплавы алюминия с медью, которые содержат постоянные примеси кремния и железа и могут быть легированы магнием и марганцем.
Количество меди в них находится в пределах 2.2-7 %.
Медь растворяется в алюминии в количестве 0,5% при комнатной температуре и 5,7% при эвтектической температуре, равной 548 C.
Термическая обработка дюралюминия состоит из двух этапов. Сначала его нагревают выше линии предельной растворимости (обычно приблизительно до 500 C). При этой температуре его структура представляет собой гомогенный твердый раствор меди в алюминии. Путем закалки, т.е. быстрого охлаждения в воде, эту структуру фиксируют при комнатной температуре. При этом раствор получается пересыщенным. В этом состоянии, т.е. в состоянии закалки, дюралюминий очень мягок и пластичен.
Структура закаленного дюралюминия имеет малую стабильность и даже при комнатной температуре в ней самопроизвольно происходят изменения. Эти изменения сводятся к тому, что атомы избыточной меди группируются в растворе, располагаясь в порядке, близком к характерному для кристаллов химического соединения CuAl. Химическое соединение еще не образуется и тем более не отделяется от твердого раствора, но за счет неравномерности распределения атомов в кристаллической решетке твердого раствора в ней возникают искажения, которые приводят к значительному повышению твердости и прочности с одновременным снижением пластичности сплава. Процесс изменения структуры закаленного сплава при комнатной температуре носит название естественного старения.

Естественное старение особенно интенсивно происходит в течение первых нескольких часов, полностью же завершается, придавая сплаву максимальную для него прочность, через 4-6 суток. Если же сплав подогреть до 100-150 C, то произойдет искусственное старение. В этом случае процесс совершается быстро, но упрочнение происходит меньшее. Объясняется это тем, что при более высокой температуре диффузионные перемещения атомов меди осуществляются более легко, поэтому происходит завершенное образование фазы CuAl и выделение ее из твердого раствора. .
Сплавы алюминия с марганцем и магнием
Среди неупрочняемых алюминиевых сплавов наибольшее значение приобрели сплавы на основе Al-Mn и
Al-Mg.
Марганец и магний, так же как и медь, имеют ограниченную растворимость в алюминии, уменьшающуюся при снижении температуры. Однако эффект упрочнения при их термообработке невелик. Объясняется это следующим образом. В процессе кристаллизации при изготовлении сплавов, содержащих до 1,9% Mn, выделяющийся из твердого раствора избыточный марганец должен был бы образовать с алюминием растворимое в нем химическое соединение Al (MnFe), которое в алюминии не растворяется.
Следовательно, последующий нагрев выше линии предельной растворимости не обеспечивает образование гомогенного твердого раствора, сплав остается гетерогенным, состоящим из твердого раствора и частиц Al
(MnFe), а это приводит к невозможности закалки и последущего старения.
В случае системы Al-Mg причина отсутствия упрочнения при термической обработке иная. При содержании магния до 1,4% упрочнения быть не может, так как в этих пределах он растворяется в алюминии при комнатной температуре и никакого выделения избыточных фаз не происходит. При большем же содержании магния закалка с последующим химическим старением приводит к выделению избыточной фазы — химического соединения Mg Al
Однако свойства этого соединения таковы, что процессы, предшествующие его выделению, а затем и образующиеся включения не вызывают заметногоэффекта упрочнения. Несмотря на это, введение и марганца, и магния в алюминий полезно. Они повышают его прочность и коррозионную стойкость (при содержании магния не более 3%). Кроме того, сплавы с магнием более легкие, чем чистый алюминий.
Применение алюминиевых сплавов
Большинство алюминиевых сплавов имеют высокую коррозионную стойкость в естественной атмосфере, морской воде, растворах многих солей и химикатов и в большинстве пищевых продуктов. Последнее свойство в сочетании с тем, что алюминий не разрушает витамины, позволяет широко использовать его в производстве посуды. Конструкции из алюминиевых сплавов часто используют в морской воде.
Алюминий в большом объеме используется в строительстве в виде облицовочных панелей, дверей, оконных рам, электрических кабелей. Алюминиевые сплавы не подвержены сильной коррозии в течение длительного времени при контакте с бетоном, строительным раствором, штукатуркой, особенно если конструкции не подвергаются частому намоканию. Алюминий также широко применяется в машиностроении, т.к. обладает хорошими физическими качествами.
Но главная отрасль, в настоящее время просто не мыслимая без использования алюминия — это, конечно, авиация. Именно в авиации наиболее полно нашли применение всем важным характеристикам алюминия.
13. Физико-химические свойства титана. Основные принципы его получения. Сплавы на основе
титана и их применение
Физические св-ва
Титан — элемент побочной подгруппы четвёртой группы периодической системы. Простое вещество — лёгкий металл серебристо-белого цвета. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Ti с ГПУ решёткой, β-Ti с ОЦК упаковкой, температура полиморфного превращения α↔β 883 °C. Температура плавления 1660±20°C (тугоплавок), точка кипения 3260 °C, плотность α-Ti и β-Ti соответственно равна
4,505 (20 °C) и 4,32 (900 °C) г/см³. Высокая пластичность, ковкость, износоустойчивость.
Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок.
Титановая пыль имеет свойство взрываться. Температура вспышки 400°C. Титановая стружка пожароопасна.
Химические св-ва
При обычной температуре покрывается защитной пассивирующей плёнкой оксида TiO2.
Устойчив к воде и минеральным к-ам, за исключением HF и горячей H3PO4. При нагревании практически не взаимодействует с концентрированными H2SO4 и HNO3 (из-за пассивирующей пленки).
TiO
2
+ 6HF = H
2
[TiF
6
] + 2H
2
O
Ti + 6HF = H
2
[TiF
6
] + 2H
2

H
2
C
2
O
4
также растворяет пассивирующую пленку:
TiO
2
+ 3H
2
C
2
O
4
= H
2
[Ti(C
2
O
4
)
3
] + 2H
2
O
Ti + 3H
2
C
2
O
4
= H
2
[Ti(C
2
O
4
)
3
] + 2H
2
В смесях к-т, одна изи которых является окислителем, а др – источником лигандов (HNO3 + HCl, HNO3 +
HF), процесс растворения выглядит:
3Ti + 4HNO
3
+ 18HГ = 3Н
2
[TiГ
6
] + 4NO + 8H
2
O, Г – галоген.
По отношению к р-рам щелочей устойчив. Это объясняется слабо выраженными кислот св-ми оксида TiO
2
поэтому гидроксиды не характерны. Но в расплавах щелочей и хлоридов щелоч Ме на воздухесильно корродирует за счет образования оксокомплексов (титанатов).
Характеристические соединения
При нагревании в атмосфере кислорода сгорает с образованием TiO
2
(характеристическое соединение). Известны и низшие оксиды Ti
2
O
3
и TiO. Гидроксид Ti(OH)
4
амфотерен, не взаимодействует с концент р–ми щелочей. При сплавлении со щел образует соли, например К
2
TiO
4
или BaTiO
3
. ОснОвные св-ва гидросидов выражены сильнее, они растворяются в к-ах.
Ti(OH)
3 и TiO – сильнве восстановители. Наиболее типичными галогенидами являются TiГ
4
, отвечающий высшей СО.
Для титана известны халькогениды (соедин-я с элементами VIА группы) состава TiX, TiX
2
; фосфиды TiР,
TiР
2
. известны также сульфаты титана (III и IV), нитраты не характерны.
Получение
Природные минералы – TiO
2
(рутил, антаз, брукит), FeTiO
3
, CaTiO
3
Титан получают восстановлением из тетрахлоридов расплавленным Mg. Титановая руда –> сернокислотная обработка –> TiO
2
–> TiO
2
+ 2C + 2Cl
2
= TiCl
4
+ 2CO, а затем:
TiCl
4
+ 2Mg = 2MgCl
2
+ Ti
Методом иодидного рафинирования, который основан на термической диссоциации летучего тетраиодида
Ti на расклеенной (1800°С) вольфрамовой нити. Нить обрастает кристаллами Ti высокой чистоты.
Сплавы и их применение
Лёгкость, высокая прочность в интервале температур от криогенных (-250 С) до умеренно высоких
(300-600 С) и отличная коррозионная стойкость обеспечивают титановым сплавам хорошие перспективы применения в качестве конструкционных материалов во многих областях, в частности в авиации и др. отраслях транспортного машиностроения.
Общепринято деление промышленных титановых сплавов на 3 группы по типу структуры.
1.
К сплавам на основе α-структуры относятся сплавы с Al, Sn и Zr, а также с небольшим количеством
β-стабилизаторов (0,5-2%). Ввиду незначительного количества или даже отсутствия в их структуре β-фазы они практически не упрочняются термической обработкой и поэтому относятся к категории сплавов средней прочности. Листовая штамповка этих титановых сплавов возможна только вгорячую. Достоинства
α-сплавов — отличная свариваемость, высокий предел ползучести и отсутствие необходимости в термической обработке, а также отличные литейные свойства, что важно для фасонного литья.
Малолегированные α-сплавы, а также относимый к этой группе технический титан, имеющие предел прочности менее 70 кгс/мм2, поддаются листовой штамповке вхолодную.
2.
Двухфазные α+β-сплавы — наиболее многочисленная группа промышленных титановых сплавов.
Эти сплавы отличаются более высокой технологической пластичностью, чем α-сплавы, и вместе с тем могут быть термически обработаны до очень высокой прочности (150-180 кг/мм2); они могут обладать высокой жаропрочностью. К недостаткам двухфазных сплавов следует отнести несколько худшую свариваемость по сравнению со сплавами предыдущей группы, так как в зоне термического влияния возможно появление хрупких участков и образование трещин, для предотвращения чего требуется специальная термическая обработка после сварки.
3.
Сплавы на основе β-структуры имеют наиболее высокую технологическую пластичность и хорошо поддаются листовой штамповке вхолодную; после старения приобретают высокую прочность; хорошо свариваются, но сварные соединения нельзя подвергать упрочняющей термической обработке из-за охрупчивания, что ограничивает применение сплавов этого типа. Др. недостатком b-сплавов является сравнительно невысокая предельная рабочая температура — примерно 300 С; при более высоких температурах большинство сплавов этого типа становится хрупким.
α-стабилизаторы – легирующие эл-ты, которые хорошо растворимы в α-структуре и повышают темп перехода из α- в β-модификацию Ti (Al, In, Ga); нейтральные упрочнители (Zr, Hf, Sn, Ge) – мало влияют на темп превращения;

β-стабилизаторы – эл-ты, кот предпочтительнее раствор-ся в β- Ti и понижают темп перехода (Cr, Mn, Fe,
Co, Ni, Cu, Si, V, Nb, Та, Mo, W).
Примеры
Наиб. распространен сплав Ti с 6% А1, 4% V, используемый в авиационной, ракетной и криогенной технике, судостроении, для изготовления хим. и металлургич. оборудования, в качестве протезов в хирургии и т.п.
Интерметаллидные сплавы:

Сплавы на основе Ti
3
Al и TiAl (алюминиды), отличающиеся большой жаропрочностью и малой плотностью, что обеспечивает их очень высокую уд. прочность при т-рах 700-900°С,- перспективная альтернатива в авиационных двигателях; их недостаток-высокая хрупкость.

Сплавы на основе TiNi (нитинолы: титана — 45 %, никеля — 55 %) обладают эффектом памяти формы, т.е. способностью восстанавливать геом. форму первонач. изделия или полуфабриката в результате обратного мартенситного превращения, вызванного нагревом. Особый интерес эти сплавы представляют для космич. техники.
14. Фундаментальные основы многообразия и обзорная характеристика неорганических и
органических материалов на основе углеродов
Свободный углерод встречается в виде алмаза, графита, карбина, угля и других состояниях. Хотя все они состоят из абсолютно одинаковых атомов углерода, их свойства радикально отличаются — а главную роль в этом играет расположение атомов в материале. Существуют три основные валентные состояния атома углерода, от которых зависит характер химической связи между атомами углерода – за счет перекрывания электронных оболочек. От его степени зависит прочность связей. Из атомов в состоянии sр 3 - гибридизации состоят алмаз и лонсдейлит. Из атомов в состоянии sр 2 -гибридизаци состоит графит, УНТ и фуллерены. Кристаллы графита состоят из графеновых слоев, упорядоченных в стопки. В графеновых слоях sр 2 -атомы углерода располагаются в вершинах правильных шестиугольников (гексагонов С6). Из атомов в состоянии sр-гибридизаци состоит карбин. Карбин получен в искусственных условиях из длинных цепочек атомов углерода, уложенных параллельно друг другу. Карбин — линейный полимер углерода.
Углеродные нанотрубки
Это цилиндрические структуры с диаметром от одного до нескольких десятков нм, состоящие из одного или нескольких свернутых в трубку графитовых слоев с гексагональной организацией углеродных атомов. УНТ образуются в ходе хим превращений углерода при высоких температурах. Можно выделить 3 основных способа их получения:
-электродуговое распыление графита -абляция графита с помощью лазерного облучения в атмосфере инертного газа - каталитическое разложение углеводородов на поверхности металлического катализатора.
Структура УНТ:
НТ явл очень прочным материалом, как на растяжение, так и на изгиб. Более того, под действием механических напряжений, превышающих критические, нт не рвутся, а перестраиваются.
НТ могут быть однослойными и многослойными. Идеальная нт образуется путем сворачивания плоскости графита, состоящего из правильных шестиугольников, в цилиндрическую поверхность. Каждый атом углерода связан с тремя соседними атомами ковалентной связью в результате sp2-гибр, углы между атомами 120, а перпендикулярно графитовой плоскости располагаются Pz орбитали, участвующие в Ван- дер-Ваальсовых связях. Результат сворачивания зависит от угла ориентации графитовой плоскости к оси нанотрубки и от ее харильности.
*Хиральность – стереохимическое свойство, означающее несовместимость объекта со своим зеркальным отображением. Хиральность характеризуется 2 числами (m,n), которые указывают местонахождение того шестиугольника сетки, который в результате свертывания должен совпасть с щестиугольником, находящимся в начале координат. По другому хиральность можно обозначить через угол сворачивания α.
Имеется много вариантов сворачивания НТ, но среди них выделяют такие, при которых не происходит искажения структуры гексагональной сетки. Этим направлениям отвечают углы α = 0 (конфигурация кресло), α= 30 (конфигурация зигзаг).
Основная классификация НТ проводится по способу сворачивания графитовой плоскости. По значению параметров (m,n) различают:
- прямые (ахиральные) нт -«кресло» или «зубчатые» n=m - зигзагообразные m=0 или n=0 - спиральные
(хиральные) нт

При зеркальном отражении (n,m) нт переходит в (m,n) нт, поэтому трубка общего вида зеркально несимметрична. Прямые же нанотрубки переходят в себя при зеркальном отражении (конфигурация кресло), либо переходят в себя с точностью до поворота.
Многослойные нт представляют собой набор сложенных друг в друга коаксиальных цилиндров однослойных нанотрубок.
Различают металлические и полупроводниковые нт.
Металлические нт проводят электрический ток даже при абсолютном нуле температур. Проводимость полупроводниковых трубок равна 0 при такой температуре и возрастает при повышении температуры.
У полупроводниковых нт есть энергетическая щель на поверхности Ферми. Трубка оказывается металлической, если (n-m)/3, дает целое число. Тип проводимости зависит от диаметра трубки и направления вектора хиральности. Все креслообразные трубки обладают металлическим типом проводимости, а зигзигообразные трубки с вектором (n,0) – металлическим при n=3k, и полупроводниковым при n≠3k. где k – целое число. При n-m = 3k – нт явл полупроводником с малой шириной запрещенной зоны. При всех остальных наборах n и m – широкозонными.
Возможные применения нт:
- сверхпрочные нити, композитные материалы
-транзисторы, нанопровода, топливные элементы
- для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в нейрокомпьютерных разработках
- капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки
- дисплеи, светодиоды
- кабель для космического лифта