Фізико-механічні характеристики конструкційних матеріалів

Звичайно, у довідниках завжди можна знайти їхні детальні характеристики, але для розуміння загальних зв’язків між ними корисно хоча побіжно розглянути залежність між властивостями елементів та їхніми фундаментальними характеристиками.

Фундаментальною та точною характеристикою будь-якого матеріалу є його атомний склад і будова міжатомного зв’язку, що зумовлюються місцем елемента в Періодичній системі. На рис. 6.1 наведено фрагмент таблиці Періодичної системи хімічних елементів у її так званому «довгому» варіанті (періоди розміщено в одну лінію від елементів першої групи до інертних газів) з елементами, які є компонентами сплавів конструкційних металів. Неважко помітити, що метали з лівої частини таблиці є переважно представниками s -елементів (Li-2 s 1, Be-2 s 2, Mg3- s 2), і лише алюміній має триелектронну конфігурацію (3 s 2 p 1) зовнішнього (валентного) електронного шару.

Рис. 6.1. Залежність фізичних і механічних властивостей конструкційних металів від їхнього місця в періодичній системі елементів

Уся ця група металів – це легкі, низькоплавкі (виняток – Ве), корозійно нестійкі метали. Температура їх плавлення, стійкість проти корозії та щільність збільшуються зліва направо, що зумовлено збільшенням кількості валентних електронів від одного s 1 (Li) до трьох s 2 p 1 (Al), отже, міцністю міжатомного зв’язку. У центрі таблиці – дев’ять металів IV, V і VI груп 4, 5, 6 періодів, які є представниками так званих перехідних d -еле­ментів (d -металів).

Зовнішню (валентну) електронну конфігурацію в металах представлено d і s -електронами. Як у групі s -металів (ліворуч), так і в дев’ятці d -металів можна легко виявити закономірність підвищення температури плавлення й густини зі збільшенням кількості електронів у зовнішній (валентній) конфігурації від Ті (3 d 24 s 2) до Cr (3 d 54 s 1), від Zr (4 d 25 s 2) до Мо (4 d 55 s 1) і від Нf (5 d 26 s 2) до W (5 d 46 s 2). Така сама закономірність спостері­гається в групах згори донизу від елементів 4-го до 6-го пе­ріодів. Отже, знаючи цю закономірність, досить запам’ятати, у якого металу найбільші числові значення характеристик (темпе­ратура плавлення та щільність) і в якого найменші, щоб орієнтовно оцінити ці характеристики в інших металів дев’ятки. Такими металами відповідно будуть титан і вольфрам. Наприк­лад, температура плавлення титану t_пл = 1 670 °С, а вольфраму t_пл = 3 380 °С. Для ніобію, який розміщено між ними в V групі 5-го періоду, температуру визначимо (приблизно) як середню арифметичну:

Насправді температура плавлення ніобію 2 400 °С (розбіж­ність лише 5 %). Хоча не в кожному випадку числові значення, отримані таким способом, будуть точними, але послідовність у ряду збільшення (чи зменшення) таких характеристик цілком вірогідна.

За походженням конструкційні матеріали розподіляються на:

1) метали:

чорні:

- чавуни;

- сталі;

кольорові;

2) неметалеві матеріали:

- природні;

- органічного та неорганічного походження;

- штучні (реактопласти, термопласти, компаунди, гума й т. п.).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: