Сплавы - Металлы

Цели урока. Дать понятие о сплавах, их классификации и свойствах. Познакомить учащихся с важнейшими сплавами и их значением в жизни общества.

Оборудование и реактивы. Коллекция сплавов черных металлов: чугунов и сталей, изделий из них. Коллекция сплавов цветных металлов и изделий из них. Спиртовка, лучинка, лезвие от безопасной бритвы (или швейная иголка), стакан с водой.

I. Понятие о сплавах

Учителю необходимо дать общее представление о сплавах и о сплавах металлических в частности.

Формально к сплавам относятся все системы, полученные сплавлением каких-либо веществ. Например, к неметаллическим сплавам можно отнести гранит, гнейс, базальт, а также силикатные стекла, металлургические шлаки и т. д.

Но наибольшее значение имеют металлические сплавы — материалы с металлическими свойствами, состоящие из двух или более компонентов, из которых по крайней мере один — металл.

Химическая связь в сплавах металлическая. Поэтому они должны обладать физическими свойствами, которые определяются этим типом связи. «Какими же?» — спрашивает учитель у учеников. Они без затруднений отвечают, что это и металлический блеск, и электро- и теплопроводность и т. д.

Учитель рассказывает о том, что сплавы получаются путем смешения различных металлов в расплавленном состоянии с затвердеванием их при последующем охлаждении.

При этом возможно образование следующих типов сплавов.

1. Расплавленные металлы неограниченно растворяются друг в друге, т. е. смешиваются в любых отношениях. Таким образом получаются твердые растворы. Компонентами таких систем могут быть металлы, у которых решетки одного типа, а атомы имеют близкие размеры, например: Ag — Сu, Ag — Аu, Сu — Ni. Такие сплавы содержат в узлах кристаллической решетки атомы обоих металлов, а потому однородны. По сравнению с компонентами, из которых они состоят, такие сплавы характеризуются более высокой прочностью, твердостью и химической стойкостью; они пластичны и хорошо проводят электрический ток.

2. Расплавленные металлы смешиваются между собой в любых отношениях, но при охлаждении образуется не твердый раствор, а сплав, состоящий из мельчайших отдельных кристалликов каждого из металлов, например Pb — Sn, Pb — Ag, Bi — Cd.

3. Расплавленные металлы вступают в химическое взаимодействие и образуют между собой химические соединения — интерметаллиды: Zn и Сu, Са и Sb, Pb и Na.

Кроме сплавления, некоторые сверхтвердые сплавы получаются методом порошковой металлургии, когда смесь порошков металлов прессуется под большим давлением с последующим спеканием ее при высокой температуре.

Этот вид металлургии используется и для получения сверхтвердых изделий. Другие изделия из сплавов получают в основном методами литья или литьем с последующими ковкой, штамповкой, прокатом или резанием.

II. Представители сплавов

Эту часть урока учитель проводит в форме рассказа и сопровождает его демонстрацией коллекций сплавов и изделий из них или иллюстраций этих изделий (монет и статуй из бронзы — кони Клодта на Аничковом мосту, Медный всадник, чугунная бабушка из сказов Бажова, современные самолеты и т. д.). Помимо предложенных в учебнике сплавов учитель может назвать и такие.

Бронза — сплав меди с другими элементами, в основном с металлами. В зависимости от состава различают: оловянную бронзу (состоит из меди и олова), алюминиевую бронзу (содержит до 5—11% алюминия), свинцовую (до 33% свинца), кремниевую (до 4% кремния) и др. Применяют для изготовления частей машин и для художественных отливок.

Латунь — сплав меди с цинком (до 30—35% цинка). Обладает высокой пластичностью. Используют для изготовления приборов, деталей машин, предметов домашнего обихода.

Баббиты — сплавы, уменьшающие трение, изготовляются на основе олова или свинца с добавками сурьмы, меди и других металлов. Применяют для заливки подшипников.

Нихром — сплав никеля (67,5%), хрома (15%), железа (16%) и марганца (1,5%), обладает большим электрическим сопротивлением и жаропрочностью, поэтому его применяют для изготовления электрических нагревательных приборов.

Припой «третник» — легкоплавкий сплав, состоит из олова и свинца. Содержание свинца в сплаве около 1/3 по массе, отсюда и название — третник.

Победит — сплав углерода, вольфрама и кобальта. По твердости он близок к алмазу, применяют в металлообработке и при бурении горных пород.

Дуралюминий — сплав алюминия (95%), магния, меди и марганца. Очень легкий и прочный сплав. По прочности он равен стали, но в три раза легче ее. Применяют в самолетостроении.

Сплав из олова (50%) и индия (50%) используют для спайки стекла и металла.

Сплавы рения с танталом и вольфрамом — самые жаростойкие из всех известных.

Легкие сплавы на основе титана сохраняют прочность и коррозионную устойчивость при повышенных температурах и давлениях. Из них изготовляют отдельные части реактивных двигателей, корпуса атомных подводных лодок.

В технике применяют более 5000 сплавов.

III. Свойства сплавов

В этой части урока учитель показывает приготовленные им до начала урока сплавы, чтобы продемонстрировать учащимся такие их свойства, как более низкую температуру плавления и большую твердость сплавов по сравнению с компонентами, составляющими их.

Опыт 1. Учащимся показывают медь, цинк и латунь. Обращают внимание на их цвет. Для того чтобы показать твердость латуни (она тверже меди и цинка), пластинкой из нее царапают пластины из меди и цинка.

Опыт 2. Аналогично, как в предыдущем опыте, демонстрируют большую твердость бронзы по сравнению с твердостью меди и олова.

Опыт 3. Показывают другое свойство бронзы — она звенит сильнее, чем медь и олово: примерно одинаковые палочки из бронзы, меди и олова подвешивают на нитках и ударяют по ним молотком.

Опыт 4. Кусочки сплава Вуда бросают в кипящую воду, он плавится. Помещают в воду один из металлов, составляющих сплав, например олово или свинец, они не плавятся.

Описание приготовления сплава Вуда. Взвешивают 5 г олова, 5 г свинца, 3,5 г кадмия и 20 г висмута. В железный тигель или чашку кладут олово, которое для предупреждения окисления металлов заливают расплавленным парафином. Тигель нагревают, а когда олово расплавится, в него добавляют металлы в последовательности: свинец — кадмий — висмут. Сплав все время помешивают железной проволокой.

Прекращают нагревание, а когда сплав застынет, с него сливают парафин, вынимают из тигля и очищают его от следов парафина.

А в заключение урока можно проделать лабораторную работу по отпуску и закаливанию стали на примере швейной иглы или половинки безопасного бритвенного лезвия.

Опыт 5. Швейную иглу или закрепленное на конце расщепленной лучинки лезвие от безопасной бритвы несколько раз накаливают в пламени газовой горелки или спиртовки. После постепенного охлаждения иголку или лезвие можно легко сгибать. Произошел отпуск стали.

Опыт 6. Иголку или лезвие из предыдущего опыта снова накаляют и быстро опускают в воду. Теперь иголка (лезвие) не гнется, ее можно сломать. Сталь при быстром охлаждении в воде закалилась.