Презентация на тему «Металлы и сплавы»

Слайд 1. Металлы и сплавы

• Строение, свойства, получение и применение важнейших конструкционных материалов

Доклад: Здравствуйте! Тема нашей презентации — «Металлы и сплавы». Мы разберём, как устроен металл изнутри, какие свойства из этого строения вытекают, как металл добывают из руды и почему в технике почти всегда работают не чистые металлы, а сплавы.

Слайд 2. Содержание

• Введение
• Металлы в периодической системе
• Кристаллическое строение металлов
• Физические свойства металлов
• Металлы — восстановители
• Активность металлов и способ их получения
• Классификация металлов
• Распространённость металлов в земной коре
• Металлургия: от руды к металлу
• Доменное производство чугуна
• Что такое сплав
• Строение сплавов
• Чугун и сталь
• Легирующие элементы в стали
• Сплавы меди: бронза и латунь
• Лёгкие и жаропрочные сплавы
• Причины коррозии металлов
• Защита металлов от коррозии
• Мировое производство стали
• Учёные, создавшие науку о металлах
• Выводы
• Список литературы

Доклад: На слайде показан план выступления. Сначала мы рассмотрим строение и свойства металлов, затем способы их получения, после этого перейдём к сплавам — чугуну, стали, бронзе, латуни и лёгким сплавам — и завершим разговором о коррозии и о людях, создавших науку о металлах.

Слайд 3. Введение

• Металлы составляют около 80 % известных химических элементов и лежат в основе всей материальной культуры человека.
• Эпохи названы по металлам: медный, бронзовый и железный век обозначили ступени развития цивилизации.
• В современной технике чистые металлы почти не применяют — работают сплавы с заранее заданными свойствами.
• Знание строения и свойств металлов позволяет создавать материалы для авиации, медицины и энергетики.

Доклад: Металлы — это около восьмидесяти процентов всех известных химических элементов, и именно они лежат в основе материальной культуры. Не случайно целые исторические эпохи названы по металлам: медный век, бронзовый, железный. Сегодня в чистом виде металл почти не применяют — техника работает со сплавами, свойства которых задают заранее.

Слайд 4. Металлы в периодической системе

• Щелочные металлы — литий, натрий, калий; самые активные, бурно реагируют с водой
• Щелочноземельные металлы — кальций, стронций, барий; активны, дают прочные оксиды
• Переходные металлы — железо, медь, титан, хром; тугоплавкие, основа большинства сплавов
• Металлы главных подгрупп — алюминий, олово, свинец; лёгкие и легкоплавкие

Доклад: Химическая систематика делит металлы по положению в периодической системе. Щелочные и щелочноземельные металлы — самые активные, они легко отдают электроны и в природе встречаются только в соединениях. Переходные металлы вроде железа, титана и хрома тугоплавки и составляют основу конструкционных сплавов, а алюминий, олово и свинец из главных подгрупп ценятся за лёгкость и низкую температуру плавления.

Слайд 5. Кристаллическое строение металлов

• В узлах кристаллической решётки стоят положительно заряженные ионы, а валентные электроны свободно перемещаются по всему кристаллу.
• Это общее электронное облако и связывает ионы в единое целое: металлическая связь ненаправленна и ненасыщаема, отсюда пластичность металлов.
• Основных типов решётки три: объёмноцентрированная кубическая (железо, хром), гранецентрированная кубическая (медь, алюминий) и гексагональная плотноупакованная (магний, цинк).
• Реальный металл состоит из множества зёрен-кристаллитов: чем они мельче, тем выше прочность материала.

Доклад: Всё своеобразие металлов рождается из их строения. В узлах кристаллической решётки стоят положительные ионы, а валентные электроны обобществлены и свободно перемещаются по всему куску металла. Такая связь ненаправленна, поэтому слои ионов могут смещаться друг относительно друга без разрушения — отсюда знаменитая пластичность металлов. На фотографии видны зёрна-кристаллиты на протравленной поверхности алюминия.

Слайд 6. Физические свойства металлов

• Металлический блеск — свет отражается свободными электронами, поэтому металлы непрозрачны даже тонким слоем.
• Электропроводность — наибольшая у серебра, меди и алюминия; при нагревании она заметно падает.
• Теплопроводность — тепло переносит тот же электронный газ, поэтому металл быстро выравнивает температуру.
• Пластичность — способность менять форму без разрушения: золото куют в листки толщиной около 0,1 микрометра.
• Плотность и температура плавления — от лития (0,53 г/см³) до осмия (22,6 г/см³), от ртути (−39 °C) до вольфрама (3422 °C).

Доклад: Физические свойства металлов — прямое следствие электронного газа. Свободные электроны отражают свет, давая металлический блеск, и переносят заряд и тепло, обеспечивая высокую электро- и теплопроводность. При этом сами металлы очень разные: литий легче воды, а осмий тяжелее её в двадцать два раза, ртуть жидкая при комнатной температуре, а вольфрам плавится только при трёх с половиной тысячах градусов.

Слайд 7. Металлы — восстановители

• Атом металла легко отдаёт валентные электроны и превращается в положительный ион, поэтому в реакциях металл всегда восстановитель.
• С кислородом образуются оксиды: железо покрывается рыхлой ржавчиной, алюминий — плотной защитной плёнкой.
• С галогенами и серой металлы дают соли — хлориды, бромиды, сульфиды.
• Активные металлы вытесняют водород из воды: натрий реагирует бурно, магний — только при нагревании.
• Металлы левее водорода вытесняют его из растворов кислот, а более активный металл вытесняет менее активный из раствора соли.

Доклад: В химических реакциях металл ведёт себя однозначно: он отдаёт электроны и выступает восстановителем. С кислородом получаются оксиды, с галогенами и серой — соли. Активные металлы вытесняют водород из воды и из растворов кислот, а более активный металл вытесняет менее активный из раствора его соли — это правило легко проверить, опустив железный гвоздь в раствор медного купороса.

Слайд 8. Активность металлов и способ их получения

• Электрохимический ряд напряжений расставляет металлы по убыванию восстановительной способности.
• Чем активнее металл, тем прочнее он держится в соединении и тем труднее выделить его в свободном виде.

Доклад: Электрохимический ряд напряжений выстраивает металлы по убыванию восстановительной способности, и от места в этом ряду зависит промышленная технология. Самые активные металлы удерживаются в соединениях так прочно, что их выделяют только электролизом расплава. Железо и никель восстанавливают углеродом, а золото и серебро встречаются в природе в самородном виде.

Слайд 9. Классификация металлов

• В технике металлы делят не по группам периодической системы, а по практическим признакам: плотности, стойкости и распространённости.
• Железо
• Чугун
• Сталь
• Марганец
• Хром
• Алюминий
• Магний
• Титан
• Бериллий
• Медь
• Свинец
• Цинк
• Олово
• Никель
• Золото
• Серебро
• Платина
• Тантал

Доклад: В технике пользуются другой, практической классификацией. Чёрные металлы — это железо и его сплавы, на них приходится подавляющая часть мирового производства. Цветные делят на лёгкие и тяжёлые, отдельно выделяют благородные металлы, стойкие к окислению, и редкие, вроде тантала, которые нужны в малых количествах, но без них не работает современная электроника.

Слайд 10. Распространённость металлов в земной коре

• Самый распространённый металл земной коры — алюминий (около 8 % массы), за ним идёт железо (около 5 %).
• На шесть металлов приходится почти вся металлическая часть коры, а на золото и платину — тысячные доли процента.

Доклад: Диаграмма показывает доли шести самых распространённых металлов земной коры. Первое место занимает алюминий — около восьми процентов массы коры, следом идёт железо. Обратите внимание на парадокс: алюминия в природе больше, чем железа, но в промышленных масштабах его научились получать только в конце девятнадцатого века, когда появился дешёвый электролиз.

Слайд 11. Металлургия: от руды к металлу

• Пирометаллургия работает при высоких температурах — доменный и конвертерный процессы.
• Гидрометаллургия переводит металл в раствор кислот или щелочей и осаждает его обратно.
• Электрометаллургия выделяет металл электрическим током: так получают алюминий, магний и титан.
• Добыча руды — извлечение горной породы с промышленным содержанием металла
• Обогащение — отделение пустой породы флотацией и магнитной сепарацией
• Восстановление — выплавка металла из оксида углеродом, водородом или током
• Рафинирование — очистка чернового металла до нужной чистоты
• Обработка — прокат, ковка и литьё готовых изделий

Доклад: Путь от руды к готовому изделию всегда проходит одни и те же этапы: добыча, обогащение, восстановление металла, рафинирование и обработка давлением. Различаются лишь способы восстановления, и по ним металлургию делят на три ветви — пирометаллургию, работающую жаром, гидрометаллургию, работающую растворами, и электрометаллургию, работающую током.

Слайд 12. Доменное производство чугуна

• Домна — шахтная печь высотой до 35 метров: в неё послойно загружают железную руду, кокс и флюс-известняк.
• Горячее дутьё температурой около 1200 °C сжигает кокс, а образующийся оксид углерода(II) восстанавливает железо из оксидов.
• На выпуске получают чугун с содержанием углерода 2,14–4,5 % и шлак, который идёт в производство цемента.
• Крупная доменная печь даёт до 12 тысяч тонн чугуна в сутки и работает без остановки 10–15 лет.

Доклад: Классический пример пирометаллургии — доменный процесс. В шахтную печь высотой с десятиэтажный дом послойно загружают руду, кокс и известняк, снизу подают раскалённое дутьё. Кокс сгорает до оксида углерода, который и отнимает кислород у железной руды. На фотографии — выпуск чугуна: крупная домна выдаёт до двенадцати тысяч тонн в сутки и не останавливается годами.

Слайд 13. Что такое сплав

• Сплав — материал, полученный сплавлением двух и более элементов, свойства которого принципиально отличаются от свойств каждого компонента в отдельности.
• 90 % — металлических изделий — изготавливают из сплавов, а не из чистых металлов
• 2000+ — промышленных марок — насчитывают только стали и чугуны
• ×3 — прирост прочности — даёт дюралюминий по сравнению с чистым алюминием

Доклад: Перейдём к сплавам. Сплав — это не механическое смешение, а новый материал: свойства сплава принципиально отличаются от свойств его компонентов. Именно поэтому около девяноста процентов металлических изделий делают из сплавов, а число промышленных марок сталей и чугунов измеряется тысячами.

Слайд 14. Строение сплавов

• Твёрдые растворы — атомы одного металла встраиваются в решётку другого, как медь в никеле
• Химические соединения — компоненты дают новую фазу со своей решёткой, например цементит Fe₃C
• Механические смеси — зёрна компонентов лежат рядом, сохраняя свойства, как свинец и олово в припое

Доклад: По внутреннему строению сплавы делятся на три типа. В твёрдых растворах атомы одного металла встраиваются прямо в решётку другого — так ведут себя медь и никель, смешивающиеся в любых пропорциях. Химические соединения образуют собственную решётку, как карбид железа цементит. В механических смесях зёрна компонентов просто соседствуют, сохраняя свои свойства.

Слайд 15. Чугун и сталь

• Оба сплава — это железо с углеродом, но доли процента углерода полностью меняют характер материала.
• Углерода 2,14–4,5 %
• Хрупкий: не куётся и не прокатывается
• Отличные литейные свойства
• Станины станков, трубы, радиаторы
• Дешевле стали, выплавляется прямо из руды
• Углерода менее 2,14 %
• Пластичная: куётся, прокатывается, сваривается
• Упрочняется закалкой и отпуском
• Конструкции, рельсы, инструмент, кузова
• Получается переделом чугуна в конвертере

Доклад: Чугун и сталь — оба сплавы железа с углеродом, и различает их всего одна цифра: граница в две и четырнадцать сотых процента углерода. Выше этой границы материал хрупок, зато прекрасно льётся; ниже — становится пластичным, куётся, прокатывается и упрочняется закалкой. Поэтому чугун идёт на литые станины и трубы, а сталь — на рельсы, конструкции и инструмент.

Слайд 16. Легирующие элементы в стали

• Легирование — введение добавок, которые придают стали заданные свойства.
• В марке буква обозначает элемент, а цифра после неё — его содержание в процентах.

Доклад: Свойства стали тонко настраивают легированием. Хром даёт коррозионную стойкость и превращает обычную сталь в нержавеющую, никель добавляет вязкости и жаропрочности, марганец — износостойкости, а вольфрам позволяет резцу не терять твёрдость при нагреве докрасна. Марка стали читается как формула: буква — элемент, цифра рядом с ней — его доля.

Слайд 17. Сплавы меди: бронза и латунь

• Медь редко применяют в чистом виде: её сплавы прочнее, дешевле и намного лучше обрабатываются.
• Известна с IV тысячелетия до н. э. и дала имя целой эпохе
• Олова обычно 5–14 %
• Стойка к морской воде и к трению
• Подшипники, арматура, колокола, памятники
• Цинка от 5 до 45 %
• Дешевле бронзы и прекрасно штампуется
• Золотистый цвет и красивая полировка
• Гильзы, краны, фурнитура, духовые инструменты

Доклад: Сплавы меди человечество освоило раньше железа. Бронза, сплав меди с оловом, дала имя целой эпохе и до сих пор незаменима там, где нужна стойкость к трению и морской воде — в подшипниках, арматуре, колоколах. Латунь, сплав меди с цинком, дешевле, отлично штампуется и красиво выглядит: из неё делают гильзы, краны, фурнитуру и духовые инструменты.

Слайд 18. Лёгкие и жаропрочные сплавы

• Дюралюминий — алюминий с медью и магнием — при плотности 2,8 г/см³ по прочности сравним со сталью; на нём выросла авиация XX века.
• Титановые сплавы вдвое легче стали, не боятся морской воды и работают при 500 °C: корпуса аппаратов, лопатки двигателей, медицинские имплантаты.
• Никелевые жаропрочные сплавы держат 1000–1100 °C в турбинах авиационных двигателей.
• Магниевые сплавы — самые лёгкие конструкционные материалы (около 1,8 г/см³), но горючи и требуют защитных покрытий.

Доклад: Двадцатый век создал спрос на лёгкие и жаропрочные сплавы. Дюралюминий при плотности вдвое ниже стальной сравним с ней по прочности — на нём выросла вся авиация. Титановые сплавы легче стали и не боятся морской воды, поэтому идут на корпуса аппаратов и медицинские имплантаты; на фотографии — кристаллический слиток титана. Никелевые сплавы работают в турбинах при тысяче градусов.

Слайд 19. Причины коррозии металлов

• Коррозия ежегодно уничтожает около 10 % мирового производства металла.
• Прямые и косвенные убытки оценивают в 2–3 % валового мирового продукта.
• Разрушение металла
• Влага — плёнка воды замыкает гальванические микроэлементы на поверхности
• Кислород — окислитель, превращающий железо в рыхлую ржавчину
• Электролиты — дорожные соли и морская вода ускоряют процесс в разы
• Контакт разных металлов — более активный разрушается первым
• Царапины и напряжения — нарушают целостность защитной плёнки

Доклад: У металлов есть общий враг — коррозия. Это электрохимический процесс: плёнка влаги на поверхности замыкает микрогальванические элементы, кислород играет роль окислителя, а соли и загрязнения ускоряют разрушение в разы. Опасен и контакт разных металлов, при котором более активный разрушается первым. Ежегодно коррозия съедает около десятой части мирового производства металла.

Слайд 20. Защита металлов от коррозии

• Покрытия: краска, лак, эмаль, цинкование и хромирование отсекают металл от влаги и кислорода.
• Легирование: хром и никель создают на поверхности стали плотную самовосстанавливающуюся плёнку оксида.
• Протекторная защита: присоединённый брусок цинка или магния разрушается вместо корпуса судна и трубопровода.
• Ингибиторы: добавки в воду и топливо в сотни раз замедляют электрохимическое разрушение.

Доклад: Способов защиты четыре. Покрытия — от краски до цинкования — просто отсекают металл от влаги и кислорода. Легирование хромом и никелем создаёт самовосстанавливающуюся оксидную плёнку. Протекторная защита жертвует бруском цинка или магния, чтобы сохранить корпус судна или трубопровод. Ингибиторы, добавленные в воду или топливо, замедляют реакцию в сотни раз.

Слайд 21. Мировое производство стали

• За 75 лет мировая выплавка стали выросла примерно в десять раз.
• Сегодня более половины мирового объёма даёт Китай, Россия входит в пятёрку крупнейших производителей.

Доклад: График показывает рост мировой выплавки стали: со ста девяноста миллионов тонн в пятидесятом году до почти двух миллиардов сегодня — рост примерно в десять раз. Более половины этого объёма даёт Китай, Россия стабильно входит в пятёрку крупнейших производителей. Сталь остаётся главным конструкционным материалом планеты.

Слайд 22. Учёные, создавшие науку о металлах

• Павел Петрович Аносов, 1796–1851, Раскрыл секрет булатной стали и первым применил микроскоп для изучения металла
• Николай Николаевич Бекетов, 1827–1911, Составил вытеснительный ряд металлов и создал метод алюминотермии
• Дмитрий Константинович Чернов, 1839–1921, Открыл критические точки стали — основу всей теории термической обработки
• Александр Александрович Байков, 1870–1946, Разработал теорию металлургических процессов и методы исследования сплавов

Доклад: Науку о металлах создавали конкретные люди. Павел Петрович Аносов раскрыл утраченный секрет булата и первым в мире посмотрел на металл через микроскоп. Николай Николаевич Бекетов составил вытеснительный ряд металлов и придумал алюминотермию. Дмитрий Константинович Чернов открыл критические точки стали — на них держится вся термическая обработка. Александр Александрович Байков создал теорию металлургических процессов.

Слайд 23. Выводы

• Общие свойства металлов — блеск, проводимость, пластичность — прямо вытекают из металлической связи и кристаллического строения.
• Химическая активность металла определяет и его поведение в реакциях, и промышленный способ получения из руды.
• Сплавы позволяют получить сочетание свойств, недостижимое для чистых металлов, поэтому они и составляют основу техники.
• Главные задачи современного металловедения — снижение массы конструкций, рост жаропрочности и защита металла от коррозии.

Доклад: Подведём итоги. Блеск, проводимость и пластичность металлов вытекают из металлической связи и кристаллического строения. Химическая активность определяет и поведение металла в реакциях, и способ его получения из руды. Сплавы дают сочетания свойств, недостижимые для чистых металлов, а главные задачи металловедения сегодня — облегчить конструкции, поднять жаропрочность и остановить коррозию.

Слайд 24. Список литературы

• Ахметов, Н. С. Общая и неорганическая химия : учебник / Н. С. Ахметов. — Москва : Высшая школа, 2001. — 743 с.
• Воскобойников, В. Г. Общая металлургия : учебник / В. Г. Воскобойников, В. А. Кудрин, А. М. Якушев. — Москва : Металлургия, 2005. — 768 с.
• Гуляев, А. П. Металловедение : учебник / А. П. Гуляев. — Москва : Металлургия, 1986. — 544 с.
• Лахтин, Ю. М. Материаловедение : учебник / Ю. М. Лахтин, В. П. Леонтьева. — Москва : Машиностроение, 1990. — 528 с.
• Угай, Я. А. Общая и неорганическая химия : учебник / Я. А. Угай. — Москва : Высшая школа, 2004. — 527 с.

Доклад: В списке литературы — классические учебники по общей химии, металловедению и материаловедению: Ахметов, Воскобойников, Гуляев, Лахтин и Угай. Эти издания выдержали множество переизданий и остаются основой курса для студентов технических и естественно-научных направлений.

Слайд 25. Спасибо за внимание!

Доклад: На этом доклад окончен. Мы прошли путь от кристаллической решётки до промышленного производства стали и увидели, что свойства любого металлического изделия закладываются на уровне строения материала. Спасибо за внимание, готов ответить на ваши вопросы.