Реферат: Металлы и сплавы в химии и технике

Металлы и сплавы в химии и технике.

Химические элементы – это элементы образующие всвободном состоянии простые вещества с металлической связью. Из 110 известныххимических элементов 88-металлы и только 22-неметаллы.

Такие металлы, как золото, серебро и медь, известнычеловеку с доисторических времен. В древние и средние века считали, чтосуществует только 7 металлов (золото, серебро, медь, олово, свинец, железо иртуть). М. В. Ломоносов определял металл как “светлое тело, которое коватьможно” и относил к металлам золото, серебро, медь, олово, железо и свинец” А.Лавуазье в “Начальном курсе химии” (1789) упоминал уже 17 металлов. В началеXIXв. последовало открытие платиновых металлов, а затем щелочных,щелочноземельных и ряда других.

Триумфом периодического закона было открытие металлов,предсказанных на его основе Д. И. Менделеевым, — галлия, скандия и германия. Всередине XX в. с помощью ядерных реакций были получены трансурановые элементы — несуществующие в при­роде радиоактивные металлы.

Современная металлургия получает свыше 60 ме­таллов ина их основе более 5000 сплавов.

Воснове структуры металлов лежит кристалличе­ская решетка из положительныхионов, погруженная в плотный газ подвижных электронов. Эти электроныкомпенсируют силы электрического отталкивания между положительными ионами и темсамым свя­зывают их в твердые тела.

Такой тип химической связи называют металличе­скойсвязью. Она обусловила важнейшие физические свойства металлов: пластичность,электропровод­ность, теплопроводность, металлический блеск.

Пластичность — это способность металлов изме­нять форму при ударе,прокатываться в тонкие листы и вытягиваться в проволоку. При этом происходитсмещение атомов и ионов кристаллической решетки, однако связи между ними неразрываются, так как соответственно перемещаются и электроны, образую­щиесвязь. Пластичность металлов уменьшается в ряду Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn. Fe. Золото, например, можно прокатыватьв листы толщиной до 0,003 мм, которые используют для золочения.

Высокаяэлектропроводность металлов объясня­ется присутствием свободных электронов,которые под влиянием даже небольшой разности потенциалов перемещаются ототрицательного полюса к положи­тельному С повышением температуры колебанияионов и атомов металлов усиливаются, что затруд­няет движение электронов и темсамым приводит к уменьшению электропроводности. При низких же температурахколебательное движение ионов и ато­мов, наоборот, сильно уменьшается, иэлектропро­водность возрастает. Вблизи абсолютного нуля элек­трическоесопротивление у металлов практически отсутствует. Лучший проводникэлектричества — серебро, за ним идут медь, золото, алюминий, железо. Такжеизменяется и теплопроводность металлов, которая вызвана как высокойподвижностью свобод­ных электронов, так и колебательным движением ионов,благодаря чему происходит быстрое вырав­нивание температуры в массе металла.Металличе­ский блеск тоже связан с наличием свободных элект­ронов.

Из других физических свойств металлов наиболь­ший практический интереспредставляют плотность, температура плавления и твердость. Самый легкий изметаллов — литий (плотность 0,53 г/см3), самый тяжелый — осмий (22,6г/см3). Металлы с плот­ностью меньше 5 г/см 3 называютсялегкими, осталь­ные — тяжелыми. Температуры плавления металлов различаютсяочень сильно: цезий и галлий можно расплавить теплом ладоней, а температураплавле­ния вольфрама +3410° С. При обычных условиях единственный жидкий металл- ртуть. В парообраз­ном состоянии все металлы одноатомны, их кристал­лическаярешетка разрушается.

Металлы различаются по твердости. Самый твер­дый из них — хром — режетстекло, а самые мяг­кие — калий, рубидий и цезий — легко режутся но­жом.Прочность, температура плавления и твердость зависят от прочности металлической связи. Она осо­бенно велика у тяжелыхметаллов.

В технике сплавы на основе железа, т.е чугун, сталь, а также само железо,называют черными металлами, все остальные металлы называются цветными.Существуют и другие классификации металлов.

Химические свойства металлов определяются слабой связью валентныхэлектронов с ядром атома. Атомы сравнительно легко отдают их, превращаясь приэтом в положительно заряженныеионы. Поэтому металлы являются хорошими восстановителями. В этом ихглавная и наиболее общее химическое свойство.      

Очевидно, как восстановители металлы должны вступать в реакции сразличными окислителями, среди которых могут быть простые вещества (неме­таллы),кислоты, соли менее активных металлов и некоторые другие вещества. Соединенияметалловскислородом называются оксидами, сгалогенами — галогенидами, с серой — сульфидами, с азотом — нитридами, сфосфором — фосфидами, с углеро­дом — боридами, с водородом — гидридами и т. д…Многие из этих соединений нашли важное примене­ние в технике.

При взаимодействии металлов с кислотами окисли­телем является ионводорода Н, который принимает электрон от атома металла:

Mg — 2e=Mg2+

2H+ +2e=H2+

___________________

Mg+2H+=Mg2+H

Металлы, стоящие в ряду стандартных электрод­ных потенциалов (рядунапряжений)левее водорода, обычно вытесняют (восстанавливают) водород изразбавленных кислот типа НС1 или Н2S04, аметаллы, стоящие правее водорода, его не вытесняют.

Взаимодействие металлов с водными растворами солей менее активныхметаллов можно иллюстриро­вать примером:

Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu

В этом случае происходит отрыв электронов от атомовболее активного металла — цинка и присое­динение их ионами менее активного Сu2'. Руковод­ствуясь рядом стандартных электродныхпотенциа­лов, можно сказать, что металл вытесняет (восста­навливает) израстворов их солей многие следующие за ним металлы.

Активные металлы (щелочные и щелочноземель­ные) взаимодействуют и сводой, которая в этом случае выступает в роли окислителя.

Металлы, гидроксиды, которые амфотерны,как правило, взаимодействуют с раст­ворамии кислот, и щелочей.

Металлы могут образовывать химические соеди­нения между собой. Такиесоединения обычно обра­зуют типичные металлы с металлами, обладающими слабымиметаллическими свойствами, например определенные соединения натрия со свинцом:

Nа5РЬ2, NaРЬ, Na2РЬ, Na4РЬ

Соединения одних металлов с другими носят общееназвание интерметаллидов, интерметаллических сое­динений или металлоидов.

Рассмотренные свойства металлов, связанные с отдачей электронов вхимических реакциях, называют металлическими. В различной степени ими обладаютвсе химические элементы. О металлических свойствах судят, сопоставляяэлектроотрицательности элемен­тов. Эта величина, выраженная в условныхединицах, характеризует способность атома в молекуле притя­гивать электроны.Относительные значения электроотрицательностей элементов. Чем меньшеэлектроотрицательность, тем сильнее выражены металлические свойства элементов.

ПОСТОЯННЫЕМАГНИТЫ С ВЫСОКОЙ  МАГНИТНОЙ ЭНЕРГИЕЙ.

      Использование редкоземельныхсоединений дает возможность создавать материалы для постоянных магни­тов малоговеса с большой магнитной энергией. Наиболее эффективными для этой цели являютсяинтерметаллические соединения кобальта с легкими редкоземельными ме­таллами,такие как SmCo5, NdCo5, PrCo5.

     Присоответствующей технологической обработке (прессо­вание мелких частиц вмагнитном поле и последующее спекание), обеспечивающей возникновениеоднодоменных частиц, появляются огромные коэрцитивные силы. Кроме того, ониобладают высокой на­магниченностью насыщения при комнатных температу­рах и, какследствие этого, высокой остаточной индукцией BR.Все это позволяет создавать из такихматериалов пос­тоянные магниты с очень большой максимальной магнит­ной энергиейдо 32 млн. Гс-Э, что в несколько раз больше, чем соответствующие энергии длялучших сплавов на основе элементов группы железа.

Подобные материалы открывают большие возможности в создании миниатюрныхавтономных источников посто­янного магнитного поля. Соединения типа SmCo5сейчас занимают ведущее место средиматериалов, из которых изготовляются весьма сильные и компактные магниты дляразличных устройств в электротехнике, радиотехнике и автоматике (например, длясоздания миниатюрных электромоторов, магнитных элементов вакуумных прибо­ров —ламп с бегущей волной, магнетронов, магнито — фокусирующих систем, для медицинскихприборов и др.).

Дальнейшее улучшение материалов для постоянных магнитов на основередкоземельных соединений требует лучшего понимания физики намагничиванияферромагнитных систем RCо5, а также изучения магнитных свойств новых соединений, например,Sm2Co17и различных смешанных систем. Важным также является изучение влияния кристаллической струк­туры идефектов структуры на магнитные свойства подоб­ных материалов, а такжеотработка технологических приемов получения качественных магнитов из этих соеди­нений.

МАТЕРИАЛЫС ГИГАНТСКОЙ  МАГНИТОСТРИКЦИЕЙ

Металлы ТЬ, Dу и фер­риты-гранаты этих металловпри низких темпе­ратурах имеют гигантские магнитострикции, на 2—3 порядкабольшие, чем  магнитострикции в металлах,спла­вах и ферритах элементов группы железа. Интерметалли­ческие соединения ТЬFе2и DуFe2также обладают огромными магнитострикциями, преиму­ществомэтих соединений является то, что они имеют ог­ромные магнитострикции прикомнатных температурах. Техническое использование подобных материалов возмож­нодля получения ультразвука большой мощности, для конструирования приборов,позволяющих с помощью магнитного поля безынерционно управлять различнымиконтактными и сканирующими устройствами, для вибро­бурения, для геофизическогокарротажа скважин, дефектоскопии.

Для успешного применения редкоземельных магнитострикционных материаловнеобходимо, прежде всего, при­нимать меры к снижению вредного влияния огромноймаг­нитной анизотропии, т. е. уменьшать поле НSдля того, чтобы можно было“управлять” этой магнитострикцией с помощью малого поля.

 В настоящее  время большой интерес к редко­земельныммагнитострикционным материалам про­являют ученые-гидроакустики.В современной гид­роакустике в  основном применяются пьезокерамические   преобразователи звука. Недостатком по­следнихявляется малая мощность излучения и не­большая    механическая прочность. Исследованияпоказывают, что магнитострикционные излучатели, в которых используютсясоединения  типа  RFe2, могут быть более эффек­тивными, чемпьезокерамические излучатели. Эффективность работы магнитострикционногопреобразователя характеризуется рядом параметров, наиболее важными из которыхявляются: константа динамической магнитострикции Л и коэффициент полезногодействия преобразователя или, как его еще на­зывают, коэффициентэлектромеханической связи k.

НОВЫЕМАГНИТЫ ИЗ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВС КОБАЛЬТОМ

Основой первых спеченных постоянных магнитов изредкоземель­ных металлов с кобальтом (R—Со) было соединение SmСо5, и сегодня большинство R—Со магнитов все еще получают из спе­ченного порошкасоединения SmСо5. Популярность SmСо5объ­ясняется тем, что из него довольно легко можно изготовитьмаг­ниты с прекрасными магнитными свойствами.Тем не менее становится все болееочевидным, что в конкрет­ном случае применения не 'все свойства в равнойстепени важны, так что потенциальные возможности магнитов из SmСо5не все­гда полностью используются.Вследствие этого стало желатель­ным расширить разнообразие R—Со магнитов путем разработ­ки новых типов сосвойствами, ориентированными на конкретное применение.В данной статье мы представляем триновых типа  R—Со магнитов: СеММ0,8Sm0,2Co5, типа 2 :17 и магниты с пластичнымисвязками.

Магнитыиз СеММ0,8Sm0,2Co5

        Сегодня большинствопостоянных магнитов из редкоземельных металлов с кобальтом изготовляют наоснове SmСо5. Для умень­шения стоимости сырьевых материаловSmможет быть частично или целикомзамещен более дешевым цериевым мишметаллом (СеММ), представляющим собойприродную смесь лег­ких редкоземельных элементов, содержащую, %(ат.): 45— 60Се, 23—25 Lа, 9-20 Ndи 3—7 Рг .

Замещение самария СеММ ведет к уменьшению как магнитной энергии, так икоэрцитивной силы. Но магниты СеММСо5, несодержащие самарий, все еще обладают хорошими свойствами. Снижение магнитныхсвойств, вызванное замещением самария СеММ, до некоторой степени отражаетсопутствующее понижение пер­вичных магнитных свойств.

Магниты СеММ0,8Sm0,2Co5изготавливают по той же техноло­гии,что и магнитыSmСо5.

Тех­нологические этапы процесса производства магнитовиз редкоземельных металлов скобальтом.

Сплавы редкоземельных металлов с кобальтом получают или плавкой металловв атмосфере инертного газа, или кальциетермическим восстановлением окислов РЗМв присутствии кобальта или оки­си кобальта.

Затемcплавы R—Со подвергаютразмолу в порошок с частицами раз­мером менее 0,5 мм, смешиваниюс целью корректировки соста­ва и дальнейшему измельчению в струе газообразногоазота до получения тонкого порошка с размером частиц в несколько микрон. Размерзерен и их распределение тщательно контроли­руют. кроме того окисление порошкаследует сводить до мини­мума. На следующем этапе порошок ориентируют вмагнитном поле и прессуют до получения полуфабрикатов с плотностьюприблизительно 70% от теоретической. Можно применять гидро­статическоепрессование или прессование через матрицу. При прессовании через матрицуполучают магниты желаемой формы и размеров, совсем или почти не требующиедополнительной ме­ханической обработки. Заготовки магнитов затем опекают в ат­мосфереинертного газа для достижения высокой плотности (свыше 92% от теоретической).Процесс спекания -наиболее ответственный технологический этап, где требуется точный кон­трольтемпературы, чтобы обеспечить отсутствие открытой по­ристости и сохранениевысокой коэрцитивной силы. Вслед за процессом спекания с целью дальнейшегоувеличения коэр­цитивной силы проводят тер­мическую обработку. Затем магнитыподвергают ме­ханической обработке для по­лучения изделий заданных раз­меров.Поскольку магниты из редкоземельных металлов с кобальтом довольно хрупки, тоследует применять шлифова­ние, резку алмазными кругами, сверление ультразвуком,элек­троискровую обработку. Ис­пользуя эти ды, легко до­стичь допусков порядка10 мкм. Затем магниты намагничивают в сильном магнитном поле.

Для достижения максимальной долговременной стабильности магнитыподвергают температурной стабилизации.

  R-Co

Плавка сплавов

Измельчение

Кальциетермическое восстановление

Сплавы R-Co

(грубый порошок)

Окисел кальция

Смешивание

Помол

Ориентирование и прессование

Спекание

Термическая обработка

Механическая обработка

Намагничивание

Стабилизация

Окислы R-Coи/или    окисел Co+Ca

<img src="/cache/referats/2317/image001.gif" v:shapes="_x0000_s1026 _x0000_s1028 _x0000_s1036 _x0000_s1030 _x0000_s1037 _x0000_s1038 _x0000_s1040 _x0000_s1042 _x0000_s1044 _x0000_s1047 _x0000_s1048 _x0000_s1050 _x0000_s1054 _x0000_s1052 _x0000_s1033 _x0000_s1034 _x0000_s1035 _x0000_s1029 _x0000_s1032 _x0000_s1031 _x0000_s1039 _x0000_s1041 _x0000_s1043 _x0000_s1045 _x0000_s1046 _x0000_s1049 _x0000_s1051 _x0000_s1053 _x0000_s1027">


МЕХАНИЧЕСКАЯПАМЯТЬ МЕТАЛЛОВ

Это свойство металлов открыто сравнительно недавно и оно получилоназвание “память формы”.Примером этого может служить лезвие, если его согнуть,то оно сразу же разогнется, значит метал помнит исходную форму, находясь подлюбым напряжением, не превышающем предела упругости. Такая память металла имеетдва важных недостатка.

Во-первых, ее “объем” мал: она хорошо работает только при небольшихотклонениях от исходной формы, когда деформации измеряются долями процента,однако при деформации около 10SYMBOL37 f «Symbol» s 12%поведение металла ужехарактеризуется практически полной забывчивостью.

Значение даже такой “куцей” памяти металлов очень велико. Достаточносказать, что не будь ее, не работала бы ни одна пружина. Кроме того, естьспособ увеличения памяти путем использования сплавов, обладающихсверхупругостью.

Гораздо интереснее иметь дело с металлом, обладающим полноценной памятью,когда фазы хранения и извлечения независимы и когда хранение не связанно сучастием посторонних сил.

Здесь мы можем сказать прямо, что удалось получить сплавы обладающиеименно такой памятью. Они могут хранить исходную форму в своей памяти оченьдолго, а вспоминают ее при нагреве, так что в наших силах “взывать к памяти”металла в тот момент и в той обстановке, когда нам это потребуется.

Сотрудники лаборатории военно-морской артиллерии США, вели планомерныйпоиск сплавов никеля с титаном с приблизительно равным содержанием этих двухкомпонентов. Каждый из двух металлов хорошо сопротивляется коррозии, и сплавполучится в этом отношении отличным. Кроме того, оказалось, что он имеетвысокую прочность и пластичность. Но вовсе неожиданным и замечательным было то,что он проявлял ярко выраженную способность к запоминанию формы. Это былоредчайшей удачей. Никель и титан значительно дешевле и доступней, чем, например,сплав Оландера, в котором около половины — золото. Сочетание же свойств новогосплава было удивительно благоприятным и этот сплав был назван нитинол.

КОСМИЧЕСКИЕИ ЗЕМНЫЕ ПРОФЕССИИ ЗАПОМИЕАЮЩИХ СПЛАВОВ

Возможности практического применения сплавов, обладающих уникальнымсвойством запоминать форму, исключительно разнообразны и заманчивы. Здесь передконструкторами – широкое поле деятельности, усеянное принципиально новымиинженерными решениями. Например, в космической технике с помощью этих сплавовэффектно решается традиционная проблема экономии места. Свернутые илискрученные в компактную форму и уложенные в небольших нишах космическогокорабля антенны, механизмы стабилизации, солнечные батареи распрямляются иливыдвигаются от действия солнечного тепла.

Созданы соединения способами, заменяющими сварку, пайку и другиетрансформационные методы. Для соединения двух трубок в топлевном двигателесамолета, берут втулку из низкотемпературного запоминающего сплава, внутреннийдиаметр которой на 4% меньше наружного диаметра соединительных трубок. В жидкомазоте деформируем втулку методом раздачи, так что ее внутренний диаметрстановится на 4% больше наружного диаметра трубок. Теперь концы трубок мы можемввести внутрь втулки, которая, отогреваясь до комнатной температуры, сжимается и сжимает концы трубок,обеспечивая прочное и герметичное соединение.   

В авиации и кораблестроении уже установлены сотни тысяч таких соединений.Они показали высокую надежность и работают безотказно. Это значительно проще,чем сваривать или паять. Можно легко выполнять такие соединения втруднодоступных местах, когда сварка или пайка вообще невозможны, — например,на дне моря.

Интересны возможности использования этих сплавов в медицине. Их применяютпри операциях, связанных со сращиванием костных переломов. В организм больногооперативным путем вводят стержень, изогнутый так, что он повторяет неправильнуюформу кости. Стержень помнит заранее заданную ему форму правильной кости иначинает вспоминать ее при небольшом превышении температуры.

Другой пример – фильтры для улавливания тромбов в сосудах. Слегкаохлажденная прямая тонкая проволочка вводится в нужное место кровеносногососуда, там, отогреваясь до температуры тела принимает ранее заданную ейпричудливо запутанную форму. Фильтр пропускает кровь, но задерживает тромб,который, добравшись до сердца или мозга, мог бы привести к смертельному исходу.

Нитинол не ржавеет, он легок и прочен. Не исключено, что в будущем изнего будут, например, делать корпусы автомобилей. Такой автомобиль, даже послесерьезного дорожного происшествия, восстановит форму кузова просто в результателегкого подогрева поврежденных мест.

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СТЕКЛА    

В самом начале этого  реферата мывыяснили, что при обычных условиях затвердевания жидкого металла его атомы образуюткристаллическую решетку того или иного типа. Строгую периодичность системыионов называют “дальним порядком”. Например, при многократном повторении впространстве той комбинации ионов воспроизводится  объемно-центрированная кубическая решетка.При наличии дальнего порядка мы можем точно указать координаты любого иона,если знаем его порядковый номер по отношению к произвольно выбранному исходномуиону. Все позиции ионов, все межатомные расстояния четко определены.

Возвращаясь к системе атомов, мы назовем такую ситуацию “ближнимпорядком”. Можно довольно точно указать координаты и количество атомов,окружающих данный атом, но более далеких прогнозов делать уже нельзя. Но вприроде существует и другая категория веществ, которые называются аморфными. Приохлаждении, когда энергия тепловых колебаний атомов становится столь низкой,что они уже не могут свободно путешествовать, эти вещества сохраняют структуружидкости. Здесь может идти речь только о ближнем порядке в расположении атомов.Движение “толпы” как бы постепенно затихает, люди все менее энергично толкаютдруг друга и, наконец, застывают на своих случайных местах, слегка покачиваясьиз стороны в сторону.

Обычное стекло, смола, парафин, асфальт — это примеры природно аморфныхматериалов, не имеющих правильного кристаллического строения. Такие материалыпри нагревании и охлаждении лишь изменяют свою вязкость, но никакихпринципиальных изменений во взаимном расположении составляющих их атомов непроисходит.

У кристаллических тел подобные изменения свойств при нагреве происходятгораздо более резко, а само плавление — у чистых металлов — идет при строгоопределенной температуре, так что температура плавления металла является однойиз его фундаментальных физических характеристик (констант). Если не меняетсявнешнее давление и металл хорошо очищен от примесей, то по появлению первойкапли при нагреве можно определить температуру с точностью до десятых долейградуса.

Возникает вопрос: нельзя ли и в металлическом сплаве “заморозить” туатомную структуру которая характерна для жидкости, нельзя ли лишить металлдальнего порядка в твердом состоянии. Ведь тогда можно ожидать значительногоизменения всех тех его свойств, которые определяются правильным строениемкристаллов.

В принципе способ, с помощью которого можно решить такую задачу, ясен — надо пытаться резко увеличить скорость охлаждения жидкого металла, чтобы быстроспуститься в ту область температур, где атомы уже не могут менять своихсоседей. Расчеты и эксперименты показали, что подавить процесс кристаллизациидействительно удается, но для этого нужны скорости охлаждения порядка миллионовградусов в секунду. Один из разработанных способов заключается в разбрызгиваниимелких капель жидкого металла на хорошо отпалированную поверхность быстровращающегося холодного медного диска. Капля на поверхности диска размазываетсяочень тонким слоем (несколько микрометров), а хорошая теплопроводность медиобеспечивает высокую скорость теплоотвода.

В настоящее время уже налажен промышленный выпуск десятков сплавов ваморфном состоянии. Оказалось, что легче всего аморфизуются сплавы переходных иблагородных металлов с металлоидами (неметаллами, углеродом, бором, фосфором идр.), причем есть сплавы, в которых удается подавить кристаллизацию прискорости охлаждения порядка тысяч и даже сотен градусов в секунду.

Какие же свойства аморфных сплавов особо ценны для техники? Как иожидалось, аморфные металлы во многих отношениях отличаются от своихкристаллических собратьев. Хотя модули упругости при аморфизации снижаются всреднем на 30<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">%

(силы межатомной связи уменьшаются), но прочность итвердость резко возрастают. Отсутствие дислокации приводит к тому, чтометаллические стекла по прочности превосходят самые лучшие легированные стали.Высокая твердость определяет их великолепную износостойкость. Правда, пластичность аморфных сплавовнизкая, что даже можно было ожидать, так как “носителями” пластичности являютсядислокации. Все же металлические стекла не так хрупки — как обычное стекло. Ихможно, например, прокатывать при комнатной температуре.

Другое важнейшее преимущество аморфных металлических сплавов — ихисключительно высокая коррозионная стойкость. Во многих весьма агрессивныхсредах (морской воде, кислотах) металлические стекла вообще не корродируют.Например, скорость коррозии аморфного сплава, содержащего железо, никель ихром, в растворе соляной кислоты практически равны нулю. Для сравнения можносказать, что скорость коррозии “классического” коррозионностойкого сплаважелеза с никелем и хромом (знаменитая нержавеющая сталь, которую так и называют- “нержавейка”) в той же среде превышает 10мм/год. Основная причина такойвысокой коррозионной стойкости аморфных сплавов, по-видимому, состоит в том,что, не имея кристаллической решетки, они лишены и характерных “дефектов”кристаллов — дислокации и, главное, границ между зернами. Высокая плотностьупаковки атомов в кристалле в близи этих “дефектов” уменьшается столь резко,что вдоль них легко проникают в металл “вражеские агенты”. Важно, что бездефектнаяструктура аморфного сплава передается той тонкой окисной пленке, котораяобразуется на его поверхности на начальных стадиях коррозионного процесса и вдальнейшем защищает металл от прямого контакта с “агрессором”.

Весьма интересным показалось и сочетание некоторых физических свойстваморфных сплавов, в частности, магнитных и электрических. Выяснилось, чтосплавы на основе ферромагнитных металлов (железа, никеля) в аморфном состояниитак же ферромагнитны.

Если вернуться сердечникам трансформаторов то будет видно, что заменаобычной трансформаторной стали аморфным сплавом даст огромную экономию энергии.В США подсчитано, что потери на вихревые токи уменьшается при этом в 4 раза.Необычное сочетание магнитных и электрических свойств металлических стекол позволяетс большим эффектом использовать их и для других преобразователей тока,датчиков, сердечников и разного рода реле.

Количество компонентов в сплавахвозрастает вместе с требованиями. Уже не редкость сплавы с десятком и болеекомпонентов. Их составление — боль­шое искусство, так как компоненты должныработать в гармонии и согласии. Недаром создателей новых сплавов ме­таллургиназывают композиторами.

Изготовить такие композиции в промышленности частотруднее, чем соста­вить. У компонентов разные темпера­туры плавления,химические свойства, плотность. Если при плавке еще удается управлятьмножеством процессов, ис­пользуя вакуум или защитные атмосфе­ры, флюсы,разделяя плавку на этапы, то при кристаллизации влиять на ход событий можнотолько режимом охлаж­дения. Здесь-то компоненты и проявля­ют свой характер.Одни упрямо не хо­тят растворяться в общей массе сплава и выделяютсяпрослойками, другие жад­но поглощают все загрязнения и при­меси, образуястойкие и вредные соеди­нения, третьи кристаллизуются в слиш­ком крупные илислишком мелкие зер­на, нарушая структурную однородность сплава. И чем большекомпонентов, тем больше подобных проблем.

Чтобы избавиться от трудностей, свя­занныхс кристаллизацией, можно изго­товить металл из смеси компонентов в виде частиц,гранул или волокон, спрес­совав и сварив их в сплошную массу. Так возниклатехнология композит­ных металлов, а затем порошковая ме­таллургия. Это былапервая попытка начать революцию в металлургии, но она удалась лишь частично.

Порошковая металлургия и компози­ты занимают хотя и важную, но до­вольноограниченную область в выпуске металлических изделий. Это прежде все­гопроизводство твердых сплавов для ин­струмента, затем изготовление изделий изтугоплавких металлов — вольфрама, молибдена и других, плавление которыхсопряжено с техническими трудностями, наконец, получение деталей с особойструктурой — пористых, волокнистых, чешуйчатых.

Порошковаятехнология ограничена прежде всего стоимостью продукции, которая пока раз вдесять выше, чем продукция, полученная традиционными металлургическимиприемами. Кроме то­го, хотя при спекании происходит диф­фузия компонентов ипротекают некото­рые химические реакции, композиты все же обладают свойствамисмеси, а не сплава.

Вторая попытка состоялась сравни­тельно недавно, когда новая наука — фи­зикаметаллов — обнаружила, что тео­ретическая прочность металла на полто­ра-двапорядка выше реальной. Оказа­лось, что низкая прочность металла объ­ясняетсядефектами кристаллической решетки. Количество дефектов в металле может бытьсоизмеримо с числом ато­мов, поэтому в расчетах используют плотность, иликонцентрацию дефектов в единице объема. Если эта величина близка к нулю, чтосоответствует иде­альному кристаллу, то прочность такого кристалла близка ктеоретической. С по­вышением концентрации дефектов проч­ность сначаластремительно снижается, а затем начинает снова возрастать, но значительномедленнее. Минимум обыч­но соответствует реальной прочности чистого  металла. Примеси, легирующие добавки,деформация увеличивают кон­центрацию дефектов и повышают проч­ность материала.

Была поставлена задача получить без­дефектные и достаточно крупные метал­лическиемонокристаллы. Однако она не решена до сих пор. Правда, удалось выраститьтонкие, в несколько десят­ков микрон, и длиной до полутора сан­тиметров почтибездефектные кристаллы некоторых металлов. Их прочность дей­ствительнооказалась во много раз выше обычной. Из таких “усов” были даже из­готовленывысокопрочные композиты. Но дальше лабораторий дело пока не пошло: скоростьроста “усов” оказалась слишком низкой, а потому цена — слиш­ком высокой.

        Третья попытка совершитьреволю­цию в металлургии делается сегодня.

Четверть веканазад эксперименты по быстрому охлаждению металлических расплавов которыепроводились с целью получения субмикроскопической структуры металла,обнаружили, что в некоторых случаях кристаллическая решетка  в металлевообще отсутствует, а расположение атомов характерно для бессструктурного, аморфного тела. Это не  было неожиданностью: твердые аморфные тела — стекла получают путем переохлаждения жидкого расплава. Правда, для образованияобычных стекол достаточно очень небольшой скорости охлаждения. Для металлов же,чтобы опеределить кристаллизацию, необходимы гро­мадные скорости охлаждения — миллионы градусов в секунду. Такая скорость была достигнута, когда порциирасплавленного металла выстреливали в воду, — получались частицы с аморфной,стеклообразной структурой.

Неожиданным оказалось другое: у аморфного металла совсем другие, несходные свойства с металлом кристаллическим. Нет, металл остается металлом, совсеми характерными для него свойствами – блеском, электропроводностью и т.д. Ноон становится в несколько раз прочнее, повышается стойкость к коррозии,меняются электоромагнитные характеристики и даже одна из самых устойчивых констант — модуль упругости. Но главноедостоинство нового материала заключается в том, что в нем прекрасносоединяются, уживаются все необходимые компоненты. При сверхбыстром охлаждениисплав затвердевает, прежде чем компоненты- антагонисты успевают про­явить свойантагонизм.

Аморфные сплавы получили название металлических стекол. Интерес к нимстремительно возрастает  Сейчас ставитсязадача не только получать спла­вы с новыми свойствами, но и создавать ихпромышленную технологию. А здесь еще очень много нерешенных проблем. Первым изполученных металлических. стекол был сплав Аu—Si.Затем удалось получить в аморфном состоянии не толь­косплавы, но и, некоторые чистые ме­таллы — от Gе, Те и Вiдо ярко выра­женных А1, V, Сг, Fе, Niи других. Для этого потребовалисьфантастиче­ские скорости охлаждения — до 1010 К/с.  Однако аморфное состояние металла оставалосьне устойчивым – при нагреве начиналась кристаллизация. Необходи­мо было найтисплавы с разумными скоростями охлаждения и температурой, с устойчивой аморфнойструктурой.

На основании этих теоретических представл

еще рефераты
Еще работы по химии