физические. физические и химические свойства металлов. Учебное пособие 3 Предисловие
 Скачать 0.49 Mb.
|
|
Термиче- ское расширение связано с увеличением амплитуды колебания атомов. Склонность металла к термическому расширению оценивают термиче- ским коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) (α). Средняя вели- чина ТКЛР может быть вычислена по формуле a = - - × l l T T l 2 1 2 1 1 1 где l 1 и l 2 – длинна образца при температуре Т 1 и Т 2 соответственно. Величина ТКЛР является периодической функцией атомного номера. Плавление – это переход вещества из твердого состояния в жидкое. Оно происходит при поглощении тепла. Главными характеристиками плавления чистых металлов являются температура (таблица 6) и теплота 57 плавления. Наличие определенной теплоты плавления является важным признаком кристаллического строения. Аморфные тела не имеют фиксиро- ванной температуры плавления. Они переходят в жидкое состояние посте- пенно, размягчаясь при повышении температуры. Это связано с отсутстви- ем строго периодичности в расположении атомов. Самую высокую темпе- ратуру плавления среди чистых металлов имеют вольфрам (3410 о С), а са- мую низкую – ртуть (-38,9 о С). Температура плавления может служить кос- венной характеристикой силы связи между атомами в кристаллической системе. Теплотой плавления называют количество теплоты, которое необ- ходимо сообщить веществу в равновесном изобарно-изотермическом про- цессе, чтобы перевести его из твердого состояния в жидкое. Различают удельную и молярную теплоту плавления, измеряемые в Дж/кг и Дж/моль, соответственно. Таблица 5 Плотность (г/см 3 ) и атомный объем (см 3 ) некоторых металлов при 18 о С 0,53 Li 13 1,82 Be 4,9 0,97 Na 23,7 1,74 Mg 14,0 2,69 Al 10,03 0,86 K 45,5 1,55 Ca 25,8 2,99 Sc 15,0 4,54 Ti 10,7 6,0 V 8,92 7,19 Cr 7,32 7,43 Mn 7,52 7,87 Fe 7,10 8,9 Co 6,7 8,5 Ni 6,67 8,96 Cu 7,10 7,13 Zn 9,16 5,9 Ga 11,82 5,36 Ge 13,4 5,72 As 13,1 1,53 Rb 56,2 2,6 Sr 33,2 5,51 Y 19,4 6,53 Zr 13,9 8,57 Nb 11,0 10,2 Mo 9,42 11,5 Tc 8,52 12,3 Ru 8,28 12,4 Rh 8,37 12,0 Pd 9,28 10,5 Ag 10,3 8,65 Cd 13,0 7,31 In 15,8 7,98 Sn 16,3 6,62 Sb 18,2 6,25 Te 20,4 1,87 Cs 71,0 3,5 Ba 38,2 6,15 La 22,6 11,4 Hf 14,0 16,6 Ta 11,2 19,3 W 9,63 21,2 Re 8,78 22,5 Os 8,49 22,4 Ir 8,62 21,4 Pt 9,12 58 19,3 Au 17,2 13,6 Hg 14,3 11,9 Tl 17,2 11,3 Pb 18,3 9,8 Bi 21,3 Примечание: атомный объем металлов помещен под обозначением, а плотность – над обозначением элемента. Теплоемкость – это количество тепла, поглощаемого телом при на- гревании на 1 градус (1 о С или 1К). Количество теплоты, поглощае- мого телом зависит от способа нагревания. Различают теплоемкость при постоянном давлении c p и теплоемкость при постоянном объеме c v . При нагревании при р=const часть теплоты расходуется на расширение тела, а часть – на увеличение внутренней энергии. Если при нагревании V=const, то вся теплота идет на увеличение внутренней энергии. В связи с этим все- гда c p > c v . Для металлов разница между c p и c v мала. При умножении c p и c v на атомную массу A можно получить выражение для атомной теплоемко- сти. Теплоемкость единицы массы вещества называют удельной, а тепло- емкость 1 моля - молярной теплоемкостью. Единицы измерения – Дж/(кг ·К), Дж/(моль·К). Тепловое движение атомов в металлах представляет собой колебание вблизи узлов кристаллической решетки. При нагревании возрастает как потенциальная, так и кинетическая энергия атомов. Однако, в интервале температур от комнатной до температуры плавления, молярная теплоем- кость твердого тела при постоянном давлении равна C p =3R (где R- универ- сальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль ·К)), т.е. есть величина постоянная. Электропроводность – это способность тела пропускать электриче- ский ток под воздействием электрического поля. Электропроводность ме- таллов определяется электронным строением атомов. Носителями тока яв- ляются электроны проводимости, обладающие высокой подвижностью. В электрическом поле эти электроны ускоряются и переходят на более высо- кие энергетические уровни. Возрастание скорости приводит к переносу за- ряда и, следовательно, к возникновению тока. В идеальных кристаллах при отсутствии тепловых колебаний электроны не встречали бы препятствий на своем пути. В реальных кристаллах существуют дефекты строения, на ко- торых происходит рассеяние электронов. Тепловые колебания также вызы- вают рассеяние. 59 Константой, характеризующей электрические свойства металлов, яв- ляется его удельное электрическое сопротивление ( r). Оно определяется по формуле s l r = r где r– электрическое сопротивление образца длинной l и площади сечения проводника s. Удельное сопротивление металлов зависит от температуры. С повы- шением температуры электросопротивление линейно возрастает: ) 1 ( T o t r a r r + = где a r - температурный коэффициент электросопротивления. В таблице 6 приведены значения удельного электросопропивления некоторых металлов. Минимальным электросопротивлением обладают не- переходные металлы (Cu, Au, Ag, Al), в которых не полностью заполнена валентная зона. Поэтому даже небольшое внешнее поле вызывает переме- щение электронов на более высокий уровень. Повышение электросопро- тивления у переходных металлов обусловлено взаимодействием s- и d- электронов с полем кристаллической решетки. Таблица 6 Температура плавления (К) и удельное электросопротивление (мкОм ×см) металлов 9,32 Li 459 3,25 Be 1553 9,21 Na 371 4,3 Mg 923 2,74 Al 933 7,19 K 336 3,6 Ca 1123 – Sc 1541 43,2 Ti 2093 19,9 V 2008 12,9 Cr 2163 140 Mn 1518 9,8 Fe 1812 5,8 Co 1768 7,04 Ni 1728 1,7 Cu 1356 5,92 Zn 692 14,85 Ga 302 – Ge 1231 29 As 1087 12,5 Rb 312 21,5 Sr 1043 19,9 Y 1528 42,4 Zr 2403 14,5 Nb 2668 5,33 Mo 2898 – Tc 2473 7,37 Ru 2773 4,78 Rh 2239 10,55 Pd 1827 60 1,61 Ag 1233 7,27 Cd 594 16,4 In 430 11,0 Sn 505 41,3 Sb 903 – Te 723 19,9 Cs 301 39 Ba 977 79 La 1099 30,6 Hf 1973 – Ta 3269 5,33 W 3683 18,6 Re 3443 9,13 Os 2973 5,07 Ir 2723 10,42 Pt 2046 2,2 Au 1336 1,24 Hg 234 16,4 Tl 573 21,0 Pb 600 116 Bi 544 Примечание: температура плавления приведена под обозначением элемента. Данные удельного электросопротивления приведены при 20 о С. Магнитные свойства. Все материалы, помещенные во внешнее маг- нитное поле, намагничиваются. Намагниченность М, равная суммарному магнитному моменту атомов единицы объема, связана с напряженностью Н внешнего магнитного поля соотношением М = к т · Н, где к т - магнитная восприимчивость. В зависимости от величины и знака к т все материалы подразделяют на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Для диамагнетиков к т <0 (-10 -5 ). К ним относят инертные газы, ме- таллы Cu, Pb, Ag, Zn, Be, полимеры, стекла, сверхпроводники. Парамагнетики - это материалы, для которых к т >0 (10 -4 ), и слабо на- магничиваются магнитным полем. Парамагнетиками являются K, Na, Al, Mo, W, Ti, Pt. Ферромагнетики (Fe, Ni, Co) имеют к т >>1 (10 6 ). Ферромагнетизм рассматривают как результат обменного взаимодействия электронов недо- строенных оболочек соседних атомов. При образовании кристаллов эти не- достроенные оболочки перекрываются так, что вблизи ядра атома могут находиться электроны соседних атомов. Такое взаимодействие приводит к изменению энергетического состояния кристалла. Согласно квантовой тео- рии все основные свойства ферромагнетиков обусловлены доменной структурой их кристаллов. Домен - это часть кристалла размером 10 -4 -10 -6 м, в которой магнитные моменты ориентированы параллельно определен- ному кристаллографическому направлению. При отсутствии внешнего магнитного поля домены в монокристалле располагаются так, что их маг- нитные моменты замыкают друг друга. Суммарное магнитное поле оказы- вается равным нулю. В магнитном поле домены ферромагнетика ориенти- 61 руются до полного совпадения с направлением внешнего поля. Упругостью называют способность тел изменять форму и размеры под действием нагрузок и самопроизвольно восстанавливать исходную конфигурацию при прекращении внешнего воздействия. Упругость обу- словлена силами взаимодействия атомов. Под действием внешней нагрузки атомы смещаются из своих равновесных положений. Потенциальная энер- гия при этом увеличивается. После снятия нагрузки система самопроиз- вольно возвращается в равновесное положение. Упругие свойства материалов характеризуются четырьмя основными величинами: Е - модуль нормальной упругости; G - модуль сдвига; D - модуль всестороннего сжатия и m - коэффициент Пуассона. Модули Е, G и D характеризуют пропорциональность между напряжением и упругой деформацией соответственно при растяжении, сдвиге и всестороннем сжа- тии. Это является следствием элементарного закона Гука для деформации в упругой области s = E ·e; t = G·g ; p = D·DV/V, где s, t, p - напряжения: нормальное, касательное и всестороннего сжатия; e, g, DV/V - относительное растяжение, сдвиг и изменение объема. В таблице 7 приведены значения модулей упругости для некоторых металлов и сплавов. Коэффициент Пуассона m характеризует изменения объема тела при упругой деформации. Для большинства металлов m нахо- дится в пределах 0,25-0,35. Наибольшие значения m имеют Pb (0,64), Tl и In (0,46), наименьшее - Be (0,039). Модуль упругости при комнатной темпера- туре является функцией атомного номера элемента. Среди элементов 3 пе- риода модуль увеличивается с возрастанием атомного номера, что связано с увеличением числа валентных электронов и уменьшением атомного ра- диуса. Средняя энергия межатомного взаимодействия изменяется с темпе- ратурой, поэтому модули упругости также зависят от температуры. С уве- личением температуры модуль упругости E уменьшается E = E o (1-eT) где е - термический коэффициент модуля упругости. 62 Таблица 7 Модули упругости поликристаллических металлов и сплавов при 20 о С Коэффи- циент Пуассона m Модуль Юнга E, 10 9 Па Модуль сдвига G, 10 9 Па Модуль объем- ной упруго- сти D, 10 9 Па Алюминий 0,345 70,6 26,2 75,2 Железо 0.293 211,4 81,6 169,8 Магний 0,291 44,7 17,3 35,6 Медь 0,343 129,8 48,3 137,8 Молибден 0,293 324,8 125,6 261,2 Никель 0,312 199,5 76,0 177,3 Ниобий 0,397 104,9 37,5 170,3 Серебро 0,367 82,7 30,3 103,6 Тантал 0,342 185,7 69,2 196,3 Титан 0,361 120,2 45,6 108,4 Цинк 0,249 104,5 41,9 69,4 Дюралюминий 0,345 70,8 26,3 75,4 Латунь (70% Cu,30% Zn) 0,350 100,6 37,3 111,8 Инвар (36% Ni, 63,8% Fe, 0,02 С) 0,259 144,0 57,2 99,4 Сталь низкоуглеродистая 0,291 211,9 82,2 169,2 Неупругое поведение заключается в отклонении от свойств упруго- сти при деформировании тела. При изучении этого явления вводят понятие внутреннего трения, которое заключается в способности твердых тел не- обратимо превращать механическую энергию деформирования в теплоту. Механические свойства металлов. К механическим свойствам от- носят прочность, пластичность, твердость. Механические свойства метал- лов в значительной степени зависят от энергии кристаллической решетки. Прочность – это способность материала сопротивляться деформиро- ванию и разрушению. В зависимости от условий эксплуатации прочность можно определять при нормальной, повышенной и пониженной темпера- туре. Для характеристики прочности используют временное сопротивле- ние s в , определяемое как отношение максимальной нагрузки, кото- рую выдержал образец до разрушения к его первоначальной площади. Пластичность – это способность материала деформироваться под действи- 63 ем внешней нагрузки. Пластичность оценивают двумя показателями: отно- сительным удлинением и относительным сужением. Они рассчитываются по формулам % 100 0 0 1 × - = l l l d % 100 0 1 0 × - = F F F y Твердость – это способность поверхностных слоев материала сопро- тивляться вдавливанию. В качестве индентора используют стальной шарик (метод Бринелля), алмазные конус (метод Роквелла) или пирамиду (метод Виккерса). Число твердости определяют по глубине или по диаметру (диа- гонали) отпечатка. Механические свойства металлов зависят от степени чистоты и элек- тронного строения. Существует определенная взаимосвязь между физиче- скими и механическими свойствами металлов. Тугоплавкие металлы с вы- сокой плотностью обладают, как правило, большой прочностью и малой пластичностью. Сочетание механических и физико-химических свойств металла оп- ределяет область его применения, а также возможность создания сплавов на его основе. Рассмотрим первые шесть металлов 4–го периода Периодической системы элементов (табл. 8). Калий мягкий металл, его твердость равна 0,36 МПа, кальций обладает значительно более высокой твердостью (250 МПа), а твердость скандия превышает твердость кальция в три раза. По- добное изменение твердости происходит при переходе к титану и хрому. Знание электронной структуры металлов позволяет легко объяснить эти изменения. Атом калия имеет только один электрон, который может быть использован для образования связи. У кальция имеется два электрона, что позволяет образовывать две связи. Атом скандия образует три связи, а хром - шесть, т.к. на последней атомной орбитали находятся соответствен- но три и шесть электронов. Большее количество электронов, отданных для образования связи, приводит к большей ее прочности и, следовательно, к большей твердости металла. После хрома твердость уменьшается, т.к. снижается количество d– электронов участвующих в образовании связи. Причем твердости переход- ных элементов (железа, кобальта и никеля) мало различаются. Таблица 8 Твердость металлов при 20 о С по Бринеллю, МПа 64 Li 5,0 Be 600 Na 0,69 Mg 260 Al 343 K 0,36 Ca 250 Sc 750 Ti 950 V 600 Cr 1120 Mn 960 Fe 900 Co 1000 Ni 850 Cu 873 Zn 412 Ga 62 Ge – As 1140 Rb 0,21 Sr 190 Y 350 Zr 980 Nb 735 Mo 1500 Tc – Ru 2160 Rh 1200 Pd 380 Ag 245 Cd 245 In 9,0 Sn 60 Sb 340 Te 195 Cs 0,15 Ba 42 La 365 Hf 1750 Ta 700 W 2570 Re 1320 Os 4000 Ir 1670 Pt 400 Au 200 Hg – Tl 20,5 Pb 39 Bi 80 У цинка в образовании связи принимают участие только два s– электрона, что приводит к значительному уменьшению, более чем в два раза, его твердости по сравнению с твердостью меди. Аналогичные зависимости наблюдаются и в других периодах Перио- дической системы элементов Менделеева. В главных подгруппах I – IV групп при равных количествах электро- нов, отдаваемых на образование металлической связи, как правило, твер- дость снижается с увеличением атомной массы элемента, что, очевидно, обусловлено увеличением длины металлической связи, т.к. увеличивается радиус атома. Вопросы для самоконтроля 1. Каким образом зависит температура плавления, кипения и твердость от положения металла в Периодической системе элементов? 2. Что такое электропроводность и удельное электросопротивление? 3. Что такое упругость, твердость, пластичность и в каких единицах из- меряются данные величины? 10. СПЛАВЫ И КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ. ХАРАКТЕРИСТИКА ВЗАИМОДЕЙСТАИЯ ЭЛЕМЕНТОВ В СПЛАВАХ 65 В промышленности широко используют металлы технической чисто- ты, сплавы и различные композиционные материалы на основе соединений металлов [9,11,12]. Сплавами называют вещества, полученные сплавлением двух или более металлических или неметаллических элементов. Свойства сплавов определяются их химическим составом и характером их взаимодействия. Элементы, образующие сплав называют компонентами. Практически во всех сплавах компоненты растворимы друг в друге в жидком состоянии. В твердом состоянии возможны следующие виды взаимодействия: 1. Образование твердых растворов. 2. Отсутствие взаимной растворимости. 3. Образование химических соединений. |