Металите са сред най-важните материали, използвани в съвременната индустрия. Без тях развитието на машиностроенето, автомобилостроенето, строителството и енергетиката би било практически невъзможно.

От обикновената стоманена конструкция до сложните компоненти на автомобилните двигатели — свойствата на металите определят здравината, надеждността и експлоатационния живот на огромен брой изделия.

Но какво всъщност отличава металите от останалите материали? Защо едни метали са пластични, а други крехки? Каква е ролята на електронния строеж на атомите и защо добавянето на различни химични елементи може съществено да промени свойствата на даден метал?

За да отговорим на тези въпроси, трябва да започнем от основите на металознанието.

Какво представляват металите?

Металите са химични елементи, характеризиращи се със специфични физични и химични свойства. Сред най-важните са:

● Висока електропроводимост.

● Добра топлопроводимост.

● Характерен метален блясък.

● Способност за пластична деформация.

● Склонност към отдаване на електрони при химични взаимодействия.

Тези свойства се обясняват преди всичко с електронния строеж на атомите и характера на металната връзка.

Важно е да се отбележи, че не всички метали притежават изброените свойства в еднаква степен. Например медта е отличен проводник на електричество, докато бисмутът има сравнително ниска електропроводимост за метал.

Съществуват и съществени различия в механичното поведение на отделните метали.

Пластичност и крехкост на металите

Едно от най-важните свойства на металните материали е способността им да се деформират под въздействието на външни сили.

Пластичност наричаме способността на материала да претърпява трайна деформация, без да се разрушава.

Това свойство позволява извършването на редица технологични операции:

● Коване.

● Валцуване.

● Пресоване.

● Изтегляне.

● Огъване.

Пластичността има изключително значение за производството на машини и метални конструкции.

Например нисковъглеродните стомани обикновено притежават добра пластичност и могат да бъдат обработвани чрез различни методи на пластична деформация.

От друга страна, някои метали и сплави проявяват крехко поведение при определени условия.

Крехкостта представлява склонността на материала да се разрушава с малка или практически незабележима пластична деформация.

Тя зависи не само от химичния състав, но и от температурата, структурата, скоростта на натоварване и наличието на дефекти.

Какво представляват металните сплави?

В машиностроенето чистите метали се използват сравнително ограничено. Много по-широко приложение намират металните сплави.

Металната сплав е материал, получен чрез комбиниране на два или повече химични елемента, поне един от които е метал, като полученият материал има метален характер.

Основната цел на легирането е да се постигнат определени експлоатационни свойства.

Чрез подходящ подбор на химичния състав и технологията на обработка могат да бъдат подобрени:

● Якостта.

● Твърдостта.

● Износоустойчивостта.

● Корозионната устойчивост.

● Топлоустойчивостта.

● Обработваемостта.

Добре познат пример е стоманата — сплав на желязото с въглерод и евентуално други легиращи елементи.

Добавянето на хром към определени стомани може да повиши тяхната устойчивост срещу корозия, а никелът, молибденът и ванадият се използват за постигане на различни структурни и механични характеристики.

Съществено е да се разбере, че легирането не подобрява автоматично всички свойства едновременно. Повишаването на твърдостта например може да бъде съпроводено с намаляване на пластичността.

Електронен строеж на атомите

За да разберем поведението на металите, трябва да разгледаме строежа на техните атоми.

Всеки атом се състои от положително заредено ядро и електрони, които се намират в определени квантови състояния около него.

Ядрото съдържа протони и неутрони, а броят на протоните определя атомния номер на химичния елемент.

При електрически неутралния атом броят на електроните е равен на броя на протоните.

Електроните се разпределят по енергетични нива и поднива, като това разпределение определя до голяма степен химичните свойства на елементите.

Електронни слоеве и подслоеве

Основните електронни слоеве традиционно се означават с буквите K, L, M, N и т.н.

Максималният брой електрони в слой с главно квантово число n се определя чрез формулата:

N = 2n²

Следователно:

|Електронен слой|n |Максимален брой електрони|
|—————|-:|————————:|
|K              |1 |2                        |
|L              |2 |8                        |
|M              |3 |18                       |
|N              |4 |32                       |

Тези стойности показват максималния капацитет на съответния слой, а не непременно реда на запълването му.

В рамките на електронните слоеве съществуват подслоеве, означавани с буквите s, p, d и f.

Техният максимален капацитет е:

|Подслой|Максимален брой електрони|
|——-|————————:|
|s      |2                        |
|p      |6                        |
|d      |10                       |
|f      |14                       |

Разпределението на електроните между тези подслоеве има пряко значение за химичната активност, валентността и характера на химичните връзки.

Електронен строеж на желязото

Желязото е един от най-важните метали за машиностроенето.

Неговият атомен номер е 26, което означава, че неутралният атом съдържа 26 електрона.

Електронната му конфигурация е:

Fe: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s²

Съкратено тя се записва:

Fe: [Ar] 3d⁶ 4s²

Наличието на частично запълнен 3d-подслой е важно за редица свойства на желязото, включително магнитното му поведение и възможността да образува различни химични съединения.

В практиката желязото най-често се използва под формата на стомани и чугуни, чиито свойства зависят от съдържанието на въглерод, останалите елементи и микроструктурата.

Защо металите провеждат електричество?

Една от характерните особености на металите е високата им електропроводимост.

Тя се обяснява с наличието на електрони, които могат да участват в пренасянето на електричен заряд през кристалната структура.

При прилагане на електрично поле тези електрони придобиват насочено движение, което създава електричен ток.

Различните метали притежават различна електропроводимост.

Среброто и медта са сред най-добрите електрически проводници, докато други метали и сплави имат значително по-голямо електрическо съпротивление.

Влияние на температурата

При повечето чисти метали електрическото съпротивление нараства с повишаването на температурата.

Причината е засиленото разсейване на проводимите електрони от топлинните колебания на кристалната решетка.

При охлаждане съпротивлението обикновено намалява.

Някои материали при достатъчно ниски температури преминават в състояние на свръхпроводимост, характеризиращо се с нулево постояннотоково електрическо съпротивление.

Металната връзка и свойствата на металите

В металния кристал атомите са свързани чрез метална връзка.

В опростен модел тя може да бъде представена като взаимодействие между положителните йонни ядра и общите, делокализирани електрони.

Именно този тип връзка е сред основните причини за характерните свойства на металите.

Металната връзка позволява на атомните равнини при много метали да се преместват една спрямо друга, без непременно да настъпи разрушаване на материала.

Това обяснява защо голяма част от металите могат да бъдат ковани, валцувани и изтегляни.

Реалната пластична деформация обаче се осъществява главно чрез движението на кристални дефекти, наречени дислокации.

Тяхното движение може да бъде затруднено чрез легиране, пластична деформация и различни методи на термична обработка.

Механично уякчаване на металите

При пластично деформиране на много метални материали се наблюдава явление, известно като деформационно уякчаване.

То се характеризира с повишаване на съпротивлението срещу последваща пластична деформация.

Например при студено валцуване или изтегляне на метален материал могат да се повишат неговата граница на провлачване и твърдост.

Едновременно с това често намалява способността му да понася допълнителна пластична деформация.

Този ефект се използва целенасочено в металургията и машиностроенето.

Значение на металознанието за автомобилостроенето

Съвременният автомобил съдържа множество компоненти, изработени от различни метални материали.

Всеки от тях трябва да отговаря на конкретни технически изисквания.

Например:

Колянови валове: изискват висока якост, устойчивост на умора и подходяща износоустойчивост на работните повърхности.

Зъбни колела: често се произвеждат от стомани, позволяващи получаването на твърда повърхност и достатъчно жилава сърцевина.

Автомобилни каросерии: използват се стоманени листове с различни комбинации от якост, пластичност и формуемост.

Бутала: широко приложение намират алуминиеви сплави поради ниската им плътност и подходящите им топлофизични свойства.

Лагери: материалите се подбират според натоварването, триенето, износването и условията на смазване.

Следователно изборът на материал не може да се основава единствено на неговата твърдост или якост. Необходимо е да се разглежда съвкупността от физични, механични, технологични и експлоатационни характеристики.

Заключение

Изучаването на металите започва от атомния строеж, но неговото практическо значение се проявява при проектирането, производството и експлоатацията на реални машини.

Електронната структура, металната връзка, кристалният строеж и химичният състав определят основните характеристики на металните материали.

Чрез легиране, пластична деформация и термична обработка тези характеристики могат да бъдат изменяни в широки граници.

Познаването на тези закономерности е основа за правилния избор на материали в машиностроенето и автомобилната техника.