Что такое металлические сплавы. Практическая химия. Металлы и их сплавы

Сплавами называют вещества, полученные сплавлением двух или нескольких компонентов. По характеру взаимодействия компонентов в жидком и твердом состояниях различают сплавы: смеси, твердые растворы, химические соединения, промежуточные фазы.

Сплавы смеси образуют компоненты, которые в жидком состоянии неограниченно растворяются друг в друге, а в твердом состоянии образуют смесь кристаллов обоих компонентов, называемую эвтектикой. Изменение механических свойств сплавов смесей носит линейный характер и зависят от соотношения входящих в них компонентов и их свойств.

Твердыми растворами являются сплавы, компоненты которых растворяются друг в друге как в жидком, так и в твердом состояниях. Сплав сохраняет кристаллическую решетку растворителя – компонента, которого больше. Механические свойства твердых растворов изменяются по криволинейной зависимости и могут быть выше или ниже свойств образующих сплав компонентов.

Различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения. В растворах замещения атомы растворимого элемента замещают атомы элемента-растворителя в узлах его кристаллической решетки. Растворы замещения могут быть с неограниченной и ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. В твердых растворах внедрения атомы одного компонента внедряются в межузельное пространство другого.

Сплав ­ химическое соединение образуется при определенном соотношении атомов компонентов, например А m В n , где m и n ­ количество атомов компонентов А и В, образующих соединение (стехиометрические коэффициенты). Соединение имеет собственную кристаллическую решетку, отличную от решетки образовавших его элементов. Механические свойства сплава значительно отличаются от свойств каждого компонента.

2.3. Диаграммы состояния

Диаграмма состояния – это графическое изображение состояния сплава в зависимости от температуры и концентрации. Описание состояния сплава в математической форме производится с помощью правила фаз Гиббса:

С = К─ Ф + 1,

где К ─ число компонентов, образующих систему; Ф ─ число фаз; С ─ число степеней свободы.

Компонент – это независимая составная часть системы. Фаза ─ это однородная часть системы, отделенная от других частей (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую свойства вещества меняются скачком.

Число степени свободы ­ это число внешних и внутренних факторов (температура, концентрация) равновесия, которые можно изменять, не нарушая равновесия системы.

Диаграмму состояния строят по критическим точкам кривых охлаждения, которые получают с помощью термического анализа. Однокомпонентная диаграмма представляет собой температурную шкалу с нанесенными на нее точками фазовых превращений.

Двухкомпонентная диаграмма строится в координатах температура (ось ординат) ­ концентрация (ось абсцисс). Концы оси абсцисс соответствуют компонентам, а промежуточные точки оси соответствуют сплавам с различным соотношением компонентов.

На рис. 2.1 представлена диаграмма состояния сплавов твердых растворов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

Линия диаграммы АСВ ′ называется линией ликвидус. Выше этой линии все сплавы существуют в виде однофазного жидкого раствора (L). Линия А ′ f В ′ ─ линия солидус. Ниже нее все сплавы находятся в твердом состоянии (в данном случае в виде неограниченного твердого раствора α). Между линиями А ′ сВ ′ и А ′ f В ′ сплавы имеют двухфазный состав (L+α).

Химический состав фаз и их относительное количество в сплаве при температуре, соответствующей двухфазной области, определяют с помощью правила отрезков. Чтобы определить химический состав необходимо через заданную точку, характеризующую состояние сплава (фигуративную точку), провести коноду (горизонтальную линию, лежащую в двухфазной области диаграммы и опирающуюся своими концами на фазовые границы). Проекции концов коноды на ось концентраций покажут состав соответствующих фаз. Отношение длины отрезка, заключенного между фигуративной точкой и одним из концов коноды, к длине всей коноды равно относительному количеству фазы, на границу с которой опирается второй конец коноды.

На рис. 2.2 представлена диаграмма состояния сплавов смесей, которая характеризуется отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии. Линия АСВ ─ ликвидус, D СЕ ─ солидус. Кристаллизация всех сплавов этой системы заканчивается на линии DCE эвтектическим превращением остатка жидкой фазы в механическую смесь кристаллов компонентов А и В, называемую эвтектикой . Сплав, кристаллизация которого начинается непосредственно с эвтектического превращения (в данном случае сплав, фигуративная линия которого проходит через точку С ), называется эвтектическим. Сплавы, концентрация которых лежит левее точки С, называются доэвтектическими , правее точки С – заэвтектическими. На рис. 2.3 представлена диаграмма с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (диаграмма с эвтектикой). Помимо линий ликвидус и солидус (АСВ и А D СЕВ ) диаграмма содержит линии DF и EG предельной растворимости компонента В в твердом растворе α (А(В)) и компонента А в твердом растворе β (В(А)) соответственно. Кристаллизация сплава «с» начинается после пересечения линии ликвидус с выделением кристаллов твердого раствора β. Затем при пересечении линии DCE (линии эвтектики) образуется эвтектическая смесь из твердых растворов α и β.

При дальнейшем охлаждении, в связи с уменьшением растворимости компонента А в В(А) выделяются кристаллы твердого раствора α, богатого компонентом А. В конечном счете структура сплава представлена первичными кристаллами β, эвтектикой (α и β) и вторичными кристаллами α.

Диаграммы с устойчивым химическим соединением имеют вид двух или нескольких диаграмм, приложенных друг к другу по фигуративной линии химического соединения (рис. 2.4).

Вид диаграмм состояния, в которых компоненты испытывают полиморфные превращения, зависит от характера взаимодействия аллотро-пических модификаций компонентов. В ряде случаев они напоминают обычные диаграммы, расположенные этажами. Нередко в таких системах встречаются превращения, сходные по виду с эвтектическими, но с распадом не жидкости, а твердого раствора. Превращения подобного типа, в отличие от эвтектического, называютэвтекто-идным. На рис. 2.5. представлена диаграмма состояния сплавов твердых раство-ров с эвтектоидным превращением.

Сплав - макроскопически однородный металлический материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов.

Сплавы состоят из основы (одного или нескольких металлов), малых добавок специально вводимых в сплав легирующих и модифицирующих элементов, а также из не удаленных примесей (природных, технологических и случайных).

Сплавы являются одним из основных конструкционных материалов. Среди них наибольшее значение имеют сплавы на основе железа и алюминия . В технике применяется более 5 тыс. сплавов.

Виды сплавов

По способу изготовления сплавов различают литые и порошковые сплавы. Литые сплавы получают кристаллизацией расплава смешанных компонентов. Порошковые — прессованием смеси порошков с последующим спеканием при высокой температуре. Компонентами порошкового сплава могут быть не только порошкипростых веществ, но и порошки химических соединений. Например, основными компонентами твёрдых сплавов являются карбиды вольфрама или титана .

По способу получения заготовки (изделия) различают литейные (например, чугуны , силумины), деформируемые (например, стали) и порошковые сплавы.

В твердом агрегатном состоянии сплав может быть гомогенным (однородным, однофазным — состоит из кристаллитов одного типа) и гетерогенным (неоднородным, многофазным). Твёрдый раствор является основой сплава (матричная фаза). Фазовый состав гетерогенного сплава зависит от его химического состава.

В сплаве могут присутствовать : твердые растворы внедрения, твердые растворы замещения, химических соединений (в том числе карбиды, нитриды, интерметаллиды) и кристаллиты простых веществ.

Свойства сплавов

Свойства металлов и сплавов полностью определяются их структурой (кристаллической структурой фаз и микроструктурой). Макроскопические свойства сплавов определяются микроструктурой и всегда отличаются от свойств их фаз, которые зависят только от кристаллической структуры. Макроскопическая однородность многофазных (гетерогенных) сплавов достигается за счёт равномерного распределения фаз в металлической матрице. Сплавы проявляют металлические свойства, например: электропроводность и теплопроводность, отражательную способность (металлический блеск) и пластичность. Важнейшей характеристикой сплавов является свариваемость.

Сплавы, используемые в промышленности

Сплавы различают по назначению: конструкционные, инструментальные и специальные.

Конструкционные сплавы:

· дюралюминий

Конструкционные со специальными свойствами (например, искробезопасность, антифрикционные свойства):

Для заливки подшипников:

Для измерительной и электронагревательной аппаратуры:

· манганин

Для изготовления режущих инструментов:

· победит

В промышленности также используются жаропрочные, легкоплавкие и коррозионностойкие сплавы, термоэлектрические и магнитные материалы, а также аморфные сплавы.

Мета?ллы (от лат. metallum — шахта, рудник) — группа элементов, в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами , такими как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.

Из 118 химических элементов, открытых на данный момент (из них не все официально признаны), к металлам относят:

6 элементов в группе щелочных металлов,

6 в группе щёлочноземельных металлов,

38 в группе переходных металлов,

11 в группе лёгких металлов,

7 в группе полуметаллов,

Таким образом, к металлам, возможно, относится 96 элементов из всех открытых.

Твёрдость некоторых металлов по шкале Мооса:

Температуры плавления чистых металлов лежат в диапазоне от −39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые «нормальные» металлы, например олово и свинец, можно расплавить на обычной электрической или газовой плите.

В зависимости от плотности, металлы делят на лёгкие (плотность 0,53 ÷ 5 г/см³) и тяжёлые (5 ÷ 22,5 г/см³). Самым лёгким металлом является литий (плотность 0.53 г/см³). Самый тяжёлый металл в настоящее время назвать невозможно, так как плотности осмия и иридия — двух самых тяжёлых металлов — почти равны (около 22.6 г/см³ — ровно в два раза выше плотности свинца), а вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, ведь любые примеси снижают их плотность.

Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связимежду ними. Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0.003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются. Пластичность зависит и от чистоты металла; так, очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым. Некоторые металлы такие как золото, серебро, свинец, алюминий, осмий могут срастаться между собой, но на это может уйти десятки лет.

Все металлы хорошо проводят электрический ток; это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов , перемещающихся под действием электрического поля. Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность; по этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Очень высокую электропроводность имеет также натрий, в экспериментальной аппаратуре известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые «провода» получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых.

Высокая теплопроводность металлов также зависит от подвижности свободных электронов. Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд электропроводностей и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро. Натрий также находит применение как хороший проводник тепла; широко известно, например, применение натрия в клапанах автомобильных двигателей для улучшения их охлаждения.

Цвет у большинства металлов примерно одинаковый — светло-серый с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета.

О том, что свойства металлов меняются при их сплавлении, стало известно ещё в древности. 5 тысяч лет тому назад наши предки научились делать бронзу - сплав олова с медью. Бронза по твёрдости превосходит оба металла, входящих в её состав.

Свойства чистых металлов, как правило, не соответствуют необходимым требованиям, поэтому практически во всех сферах человеческой деятельности чаще всего используют не чистые металлы, а их сплавы.

Сплав - это материал, который образуется в результате затвердения расплава двух или нескольких отдельных веществ.

В состав сплавов, кроме металлов, могут входить также неметаллы, например, такие, как углерод или кремний.

Добавляя в определённом количестве примеси других металлов и неметаллов, можно получить многие тысячи материалов с самыми разнообразными свойствами, в том числе и такими, каких нет ни у одного из составляющих сплав элементов.

Сплав, по сравнению с исходным металлом, может быть:

• механически прочнее и твёрже,
• со значительно более высокой или низкой температурой плавления,
• устойчивее к коррозии,
• устойчивее к высоким температурам,
• практически не менять своих размеров при нагревании или охлаждении и т. д.

Например, чистое железо - сравнительно мягкий металл. При добавлении в железо углерода, твёрдость существенно возрастает. По количеству углерода, а, следовательно, и по твёрдости, различают сталь (содержание углерода менее \(2\) % по массе), чугун (\(С\) - более \(2\) %). Но не только углерод изменяет свойства стали. Добавленный в сталь хром делает её нержавеющей, вольфрам делает сталь намного более твёрдой, добавка марганца делает сплав износостойким, а ванадия - прочным.

Применение сплавов в качестве конструкционных материалов

Сплавы, используемые для изготовления различных конструкций , должны быть прочными и легко обрабатываемыми.

В строительстве и в машиностроении наиболее широко используются сплавы железа и алюминия .

Такие сплавы железа, как стали , отличаются высокой прочностью и твёрдостью. Их можно ковать, прессовать, сваривать.

Чугуны используют для изготовления массивных и очень прочных деталей. Например, раньше из чугуна отливали радиаторы центрального отопления, канализационные трубы, до сих пор изготавливают котлы, перила и опоры мостов. Изделия из чугуна изготавливаются с применением литья.

Сплавы алюминия , используемые в конструкциях, наряду с прочностью, должны отличаться лёгкостью. Дюралюминий, силумин - сплавы алюминия, они незаменимы в самолёто-, вагоно- и кораблестроении.

В некоторых узлах самолётов используются сплавы магния , очень лёгкие и жароустойчивые.

В ракетостроении применяют лёгкие и термостойкие сплавы на основе титана .

Для улучшения ударопрочности, коррозионной стойкости, износоустойчивости, сплавы легируют - вводят специальные добавки. Добавка марганца , делает сталь ударопрочной. Чтобы получить нержавеющую сталь, в состав сплава вводят хром .

Конструкция из стальных балок	Радиаторы центрального отопления	Ажурные перила, отлитые из чугуна

Инструментальные сплавы

Инструментальные сплавы предназначены для изготовления режущих инструментов, штампов и деталей точных механизмов. Такие сплавы должны быть износостойкими и прочными, причём при разогревании их прочность не должна существенно уменьшаться. Таким требованиям отвечают, например, нержавеющие стали , которые прошли специальную обработку (закалку).

Добавление к сплавам веществ, улучшающих их свойства, называют легированием.

Для придания необходимых свойств, инструментальные стали, как правило, легируют вольфрамом, ванадием или хромом.

Применение сплавов в электротехнической промышленности, электронике и приборостроении

Сплавы служат незаменимым материалом при изготовлении особо чувствительных и высокоточных приборов, различного рода датчиков и преобразователей энергии.

Например, на изготовление сердечников трансформаторов и деталей реле идёт сплав никеля . Отдельные детали электромоторов изготавливаются из сплавов кобальта .

Сплав никеля с хромом - нихром, отличающийся высоким сопротивлением, используется для изготовления нагревательных элементов печей и бытовых электроприборов.

Из сплавов меди в электротехнической промышленности и в приборостроении наиболее широкое применение находят латуни и бронзы.

Латуни незаменимы при изготовлении приборов, деталью которых являются запорные краны. Такие приборы используются в сетях подачи газа и воды.

Бронзы идут на изготовление пружин и пружинящих контактов.

Нагревательные элементы бытовых электроприборов	Запорные краны для водопроводов и газопроводов	Пружинящие контакты электрических розеток

Применение легкоплавких сплавов

Цинковые сплавы в своем составе содержат такие металлы, как цинк, алюминий, медь и магний. В производстве и быту они применяются для изготовления сувениров, посуды, подшипников, оргтехники, конструкционных механизмов. Они используются в машиностроении, в сфере электромашиностроения и автомобильной промышленности.

Титановые сплавы

Титановые сплавы могут состоять из разнообразных металлов, в основном из алюминия, ванадия, титана, молибдена, марганца, хрома, меди, вольфрама и никеля. Они широко применяются в производстве конструкционных материалов, авиационном строительстве, ракетостроении, в космическом машиностроении, для производства химической посуды и аппаратуры.

Алюминиевые сплавы

Сплавы алюминия в своем составе могут содержать алюминий, магний, медь, цинк, марганец, литий и бериллий. В связи со своей коррозионной стойкостью, сплавы алюминия нашли свое применение в производстве корпусов самолетов и техники, машиностроении, изготовлении электротехнических устройств и материалов, посуды, облицовочных панелей, дверей и электрических кабелей.

Железные, или железоуглеродистые сплавы в своем составе содержат другие металлы и неметаллические элементы. Для производства стали, чугуна или ферросплавов применяется железо, углерод, сера, фосфор, марганец, азот, хром, никель, молибден, титан, кобальт и вольфрам. Сплавы железа применяются практически во всех отраслях производства, в области конструкционных материалов, хозяйстве, машиностроении, при производстве инструментов, приборов и деталей.

Медные сплавы

Сплавы меди могут иметь в своем составе цинк, олово, никель, алюминий, бериллий и фосфор. Они нашли широкое применение в отраслях изготовления труб, теплотехнической аппаратуры, подшипников, шестеренок и втулок, деталей, пружин, точных приборов. Также сплавы меди применяются в декоративно-прикладном искусстве и скульптуре.

Твердые сплавы

Твердыми называются сплавы, которые в своем составе содержат карбиды металлов кобальта, никеля, стали и молибдена. Они имеют высокую тугоплавкость, твердость, устойчивость к коррозии, а также износоустойчивость. Применяются твердые сплавы в изготовлении инструментов для обработки других металлов, сплавов и твердых неметаллов, как напайки для рабочих частей буровых агрегатов и как конструкционные материалы.

В своей повседневной жизни окружен различными металлами. В большинстве предметов, которыми мы пользуемся, присутствуют эти химические вещества. Это все произошло потому, что люди нашли разнообразные способы получения металлов.

Что такое металлы

Этими ценными для людей веществами занимается неорганическая химия. Получение металлов позволяет человеку создавать все более совершенную технику, совершенствующую нашу жизнь. Что же они собой представляют? Прежде чем рассмотреть общие способы получения металлов, необходимо разобраться, какими они бывают. Металлы представляют собой группу химических элементов в виде простых веществ, обладающую характерными свойствами:

Тепло- и электропроводностью;

Высокой пластичностью;

Человек легко может отличить их от других веществ. Характерной чертой всех металлов является наличие особого блеска. Он получается благодаря отражению падающих лучей света на не пропускающую их поверхность. Блеск - это общее свойство всех металлов, но ярче всего оно проявляется у серебра.

На сегодняшний день учеными открыто 96 таких химических элементов, хотя еще не все из них признаны официальной наукой. Их разбивают на группы в зависимости от присущих им характерных свойств. Так выделяют следующие металлы:

Щелочные - 6;

Щелочноземельные - 6;

Переходные - 38;

Легкие - 11;

Полуметаллы - 7;

Лантаноиды - 14;

Актиноиды - 14.

Получение металлов

Для того чтобы изготовить сплав, необходимо в первую очередь получить металл из природной руды. Самородные элементы - это те вещества, которые находятся в природе в свободном состоянии. К ним относится платина, золото, олово, ртуть. Их отделяют от примесей механически или с помощью химических реагентов.

Остальные металлы добывают путем обработки их соединений. Они содержатся в различных ископаемых. Руда - это минералы и горные породы, в состав которых входят соединения металлов в виде оксидов, карбонатов или сульфидов. Для их получения используют химическую обработку.

Восстановление оксидов углем;

Получение олова из оловянного камня;

Обжигание сернистых соединений в специальных печах.

Для облегчения добывания металлов из рудных пород к ним добавляют различные вещества, называемые флюсами. Они помогают удалять нежелательные примеси, такие как глина, известняк, песок. В результате этого процесса получаются легкоплавкие соединения, называемые шлаками.

При наличии значительного количества примесей руду перед выплавкой металла обогащают путем удаления большой части ненужных компонентов. Наиболее широко применяемые способы данной обработки - флотация, магнитный и гравитационный способ.

Щелочные металлы

Массовое получение щелочных металлов - более сложный процесс. Это обусловлено тем, что они встречаются в природе только в виде химических соединений. Поскольку они являются восстановителями, их получение сопровождается высокими энергетическими затратами. Существует несколько способов добывания щелочных металлов:

Литий можно получить из его оксида в вакууме или путем электролиза расплава его хлорида, образующегося при переработке сподумена.

Натрий добывают путем прокаливания соды с углем в плотно закрытых тиглях или электролизом расплава хлорида с добавлением кальция. Первый способ наиболее трудоемкий.

Калий получают электролизом расплава его солей либо, пропуская пары натрия через его хлорид. Также он образуется при взаимодействии расплавленного гидроксида калия и жидкого натрия при температуре 440°С.

Цезий и рубидий добывают при помощи восстановления их хлоридов кальцием при 700-800 °С или цирконием при 650 °С. Получение щелочных металлов таким способом является крайне энергоемким и дорогостоящим.

Различия между металлами и сплавами

Принципиально четкой границы между металлами и их сплавами практически не существует, поскольку даже самые чистые, простые вещества имеют какую-то долю примесей. Так в чем же различие между ними? Практически все металлы, используемые в промышленности и в других отраслях народного хозяйства, используются в виде сплавов, полученных целенаправленно путем добавления к основному химическому элементу других компонентов.

Сплавы

Техника нуждается в разнообразных металлических материалах. При этом чистые химические элементы практически не применяются, поскольку они не обладают необходимыми для людей свойствами. Для своих нужд мы изобрели разные способы получения сплавов. Под этим термином подразумевается макроскопически однородный материал, который состоит из 2 или нескольких химических элементов. При этом в сплаве преобладают металлические компоненты. Это вещество имеет свою структуру. В сплавах различают следующие составляющие:

Основа, состоящая из одного или нескольких металлов;

Малые добавки модифицирующих и легирующих элементов;

Неудаленные примеси (технологические, природные, случайные).

Именно сплавы металлов являются основным конструкционным материалом. В технике их насчитывают более 5000.

Несмотря на такое многообразие сплавов, наибольшее значение для людей играют те, основу которых составляет железо и алюминий. Именно они чаще всего встречаются в повседневной жизни. Виды сплавов бывают различными. Причем их разделяют по нескольким критериям. Так применяются различные способы изготовления сплавов. По данному критерию их делят на:

Литые, которые получены путем кристаллизации расплава смешанных компонентов.

Порошковые, созданные при помощи прессования смеси порошков и последующего спекания при высокой температуре. Причем зачастую компонентами таких сплавов являются не только простые химические элементы, но и их различные соединения, такие как карбиды титана или вольфрама в твердых сплавах. Их добавление в тех или иных количествах изменяет материалов.

Способы получения сплавов в виде готового изделия или заготовки разделяют на:

Литейные (силумин, чугун);

Деформируемые (стали);

Порошковые (титан, вольфрам).

Типы сплавов

Способы получения металлов бывают разными, при этом и изготовленные благодаря им материалы обладают различными свойствами . В твердом агрегатном состоянии сплавы бывают:

Гомогенными (однородными), состоящими из кристаллов одного типа. Их часто называют однофазными.

Гетерогенными (неоднородными), именуемые многофазными. При их получении в качестве основы сплава берется твердый раствор (матричная фаза). Состав гетерогенных веществ такого типа зависит от состава его химических элементов. В таких сплавах могут быть следующие компоненты: твердые растворы внедрения и замещения, химические соединения (карбиды, интерметаллиды, нитриды), кристаллиты простых веществ.

Свойства сплавов

Вне зависимости от того, какие способы получения металлов и сплавов используются, их свойства полностью определяются кристаллической структурой фаз и микроструктурой этих материалов. У каждого из них они разные. Макроскопические свойства сплавов зависят от их микроструктуры. Они в любых случаях отличаются от характеристик их фаз, зависящих исключительно от кристаллической структуры материала. Макроскопическая однородность гетерогенных (многофазных) сплавов получается в результате равномерного распределения фаз в матрице металла.

Важнейшим свойством сплавов считается свариваемость. В остальном они идентичны металлам. Так, сплавы обладают тепло- и электропроводностью, пластичностью и отражательной способностью (блеском).

Разновидности сплавов

Различные способы получения сплавов позволили человеку изобрести большое количество металлических материалов , обладающих различными свойствами и характеристиками. По своему назначению они делятся на такие группы:

Конструкционные (сталь, дюралюминий, чугун). К данной группе относятся и сплавы со специальными свойствами. Так они отличаются искробезопасностью или антифрикционными свойствами. К ним относятся латуни и бронзы.

Для заливки подшипников (баббит).

Для электронагревательной и измерительной аппаратуры (нихром, манганин).

Для производства режущих инструментов (победит).

В производстве люди используют и другие виды металлических материалов, таких как легкоплавкие, жаропрочные, коррозионностойкие и аморфные сплавы. Также широкое применение находят магниты и термоэлектрики (телуриды и селениды висмута, свинца, сурьмы и другие).

Железные сплавы

Практически все выплавляемое на Земле железо направляется на производство простых и Также оно используется в производстве чугуна. Сплавы железа получили свою популярность благодаря тому, что обладают полезными для человека свойствами. Они были получены в результате добавления к простому химическому элементу различных компонентов. Так, несмотря на то, что различные сплавы железа изготавливаются на основе одного вещества, стали и чугуны обладают различными свойствами. Благодаря этому они находят разные сферы применения. Большинство сталей тверже чугуна. Различные методы получения этих металлов позволяют получать разные сорта (марки) этих сплавов железа.

Улучшение свойств сплавов

Благодаря сплавлению некоторых металлов и других химических элементов можно получить материалы с улучшенными характеристиками. Так, например, чистого алюминия составляет 35 МПа. При получении сплава этого металла с медью (1,6%), цинком (5,6%), магнием (2,5%) этот показатель превышает 500 МПа.

Благодаря соединению в разных соотношениях различных химических веществ можно получить металлические материалы с улучшенными магнитными, термическими или электрическими свойствами. Главную роль в этом процессе играет структура сплава, представляющая собой распределение его кристаллов и тип связей между атомами.

Стали и чугуны

Эти сплавы получаются путем и углерода (2%). При производстве легированных материалов к ним добавляются никель, хром, ванадий. Все обычные стали подразделяют на виды:

Малоуглеродистая (0,25 % углерода) используется для изготовления различных конструкций;

Высокоуглеродистая (более 0,55%) предназначена для производства режущих инструментов.

Различные марки легированных сталей применяются в машиностроении и другой продукции.

Сплав железа с углеродом, процентное содержание которого составляет 2-4%, называется чугуном. В состав этого материала входит и кремний. Из чугуна отливают различные изделия , обладающие хорошими механическими свойствами.

Цветные металлы

Помимо железа, для изготовления различных металлических материалов используются и другие химические элементы. В результате их соединения получают цветные сплавы. В жизни людей наибольшее применение нашли материалы на основе:

Меди, называемые латунями. Они содержат 5-45% цинка. Если его содержание составляет 5-20%, то латунь называется красной, а если 20-36%- желтой. Существуют сплавы меди с кремнием, оловом, бериллием, алюминием. Они называются бронзами. Имеется несколько видов таких сплавов.

Свинца, представляющие собой обычный припой (третник). В этом сплаве на 1 часть данного химического вещества припадает 2 части олова. При производстве подшипников применяется баббит, который являет собой сплав свинца, олова, мышьяка и сурьмы.

Алюминия, титана, магния и бериллия, представляющие собой легкие цветные сплавы, обладающие высокой прочностью и отличными механическими свойствами.

Способы получения

Основные способы получения металлов и сплавов:

Литейный, при котором происходит затвердевание разных расплавленных компонентов. Для получения сплавов используют пирометаллургический и электрометаллургический методы получения металлов. При первом варианте для разогрева сырья используют тепловую энергию, полученную в процессе сгорания топлива. Пирометаллургическим методом получают стали в мартеновских печах и чугуны в домнах. При электрометаллургическом способе сырье нагревают в индукционных или дуговых электрических печах. При этом сырье расславляется очень быстро.

Порошковый, при котором для изготовления сплава используются порошки его компонентов. Благодаря прессованию им придают определенную форму, а затем спекают в специальных печах.

Любое производство, от крупного до гаражного, имеет дело именно со сплавами металлов, а не с чистыми металлами (чистые металлы применяют лишь в атомной промышленности). Ведь даже широко распространённая сталь является сплавом, в котором содержится до двух процентов углерода, но об этих нюансах будет написано подробнее ниже. В этой статье будет описано большинство сплавов, их получение, основные и полезные свойства, применение и многие другие нюансы.

Эта статья о сплавах металлов, причём мы не будем особо углубляться в дебри материаловедения и описывать абсолютно все сплавы, да и нереально это в пределах одной статьи. Ведь если углубиться в эту тему, и затронуть хотя бы большинство, то можно растянуть статью в необъятное полотно. Здесь будут описаны самые популярные сплавы с точки зрения автомобилестроения и мотопрома (согласно тематике сайта), хотя немного будут затронуты и другие аспекты промышленности.

Но кроме сплавов, всё же следует написать пару слов о самих металлах, точнее о их удивительном свойстве, благодаря которому и появились различные сплавы. И главное свойство металлов в том, что они образуют сплавы, как с другими металлами, так и с неметаллами.

Само понятие сплав - это совсем не обязательное химическое соединение, ведь уникальные свойства кристаллической решётки заключаются в том, что часть атомов одного металла замещается атомами другого металла, либо две кристаллические решётки как бы встраиваются друг в друга.

И при этом получаются как бы неправильные сплавы, но самое удивительное в том, что эти неправильные сплавы, по своим свойствам получаются гораздо лучше чистых металлов. Причём экспериментируя и манипулируя с добавками, на выходе можно получить материалы (сплавы) с нужными и полезными качествами.

Следует отметить, что по технологии применения все сплавы делятся на две большие группы. Первая группа - это деформируемые сплавы, из которых многие детали изготавливают механической обработкой: ковка, штамповка, резание и т.д. И вторая группа сплавов - это литейные и из них получают детали с помощью литья в формы.

У первой группы сплавов имеются такие свойства, как хорошая пластичность в твёрдом виде, ну и высокая прочность, но литейные качества у первой группы не высоки. У второй группы напротив литейные свойства отличные, они хорошо заполняют форму при литье, но когда застынут, то прочность их оставляет желать лучшего.

А что такое прочность? - это ценное свойство оценивают по разным параметрам, которых более десяти, но самое ценное свойство - это предел прочности сплава при растяжении. Говоря научным языком - это напряжение сплава (измеряется в Н/м², ну или в кг/мм²) которое соответствует наибольшей нагрузке, предшествующей началу разрушения испытуемой детали, относительно изначальной площади поперечного сечения детали.

А теперь говоря более простым языком: берём специально изготовленную деталь (согласно стандарту испытаний) из испытываемого сплава и закрепив её в специальной машине растягиваем её, постепенно увеличивая нагрузку, пока не происходит разрушение детали (её разрыв).

Ну а приложенное усилие, (которое контролируется приборами и которое было приложено к детали, в самый момент перед её разрывом) разделенное на площадь поперечного сечения детали, и показывает предел её прочности (ну и разумеется предел прочности сплава, из которого изготовлена испытываемая деталь).

Самые распространённые на нашей планете металлы (и разумеется на их основе получаемые сплавы) - это железо, алюминий, магний и как ни странно для многих - титан. Все эти металлы в чистом виде не употребимы в технике, а вот их сплавы напротив - очень распространены.

Железо и сплавы металлов на его основе.

Металл железо - это «хлеб» всей мировой промышленности. Ведь большинство сплавов, используемых в мировой промышленности (более девяноста процентов) используют именно сплавы железа. Причём очень важной добавкой в железо является совсем не добавки металла, а неметалла - углерода.

Если в железо добавить не более двух процентов углерода, то получим самый востребованный сплав (сплав номер один) - это сталь. Ну а если в сплаве железа содержание углерода будет более двух процентов (от двух до пяти) то получим чугун, который тоже является важнейшим материалом в мировой промышленности. Теперь остановимся на сплавах железа более подробно.

Сталь.

Сплав железа с углеродом, в котором углерода содержится не более двух процентов. Так же содержит примеси кремния, марганца, фосфора, серы и др. Как было сказано выше, является важнейшим сплавом для промышленности, так как обладает отличной ковкостью и довольно высокой прочностью.

К какой бы детали автомобиля, мотоцикла, ну или оборудования (на заводе или в обычном гараже) мы бы не кинули взор, везде мы увидим присутствие стальных деталей. Те же элементы подвески машин и мотоциклов, кузовные элементы автомобиля, рамы, рули, подвеска и навеска большинства мотоциклов, внутренние детали, или, да много ещё чего, начиная от сложнейших деталей различного оборудования и заканчивая обычными болтами и гайками.

Предел прочности на разрыв составляет от 30 до 115 кг/мм² - это для углеродистой стали, ну и предел прочности для легированной стали достигает 165 кг/мм².

Легированную сталь получают добавкой, кроме углерода, ещё и различных легирующих элементов, добавляющих стали различных важных и полезных свойств.

• Так например добавка марганца увеличивает стойкость стали к ударным нагрузкам и добавляет твёрдости.
• Добавка никеля повышает коррозионную стойкость и пластичность, ну и добавляет прочности.
• Ванадий повышает сопротивление ударным нагрузкам, истиранию (уменьшает коэффициент трения) и тоже добавляет прочности стали.
• Хром в составе стали тоже повышает коррозионную стойкость и прочность.

Ну а при добавке хрома и молибдена в определённых пропорциях, получают самую прочную и податливую хром-молибденовую сталь, которая используется для производства ответственных деталей, например для производства рам спортивных автомобилей и мотоциклов.

Ну и вершиной металлургической эволюции стала легендарная прочнейшая сталь «хромансиль» (хромо-кремне-марганцовая сталь) с самым высоким показателем прочности на разрыв.

И хотя новейшие технологии не стоят на месте и сейчас кроме хром-молибденовых и алюминиевых рам уже изготавливают (точнее склеивают) рамы из композитных материалов (тот же карбон, кевлар и т.п), но всё же стальные рамы кроме своей прочности ещё и ощутимо дешевле и поэтому используются до сих пор. Ну а большинство внутренних деталей двигателей, коробок передач и оборудования (станков) думаю ещё долго будут изготавливать из стали.

Выше были перечислены далеко не все компоненты, добавка которых может существенно улучшить свойства стали и при умелом подходе позволит достичь нужных и важных качеств стальных деталей, работающих в разных условиях.

Кроме множества плюсов, главными из которых являются прочность и ковкость, у стали имеются и минусы. Первый из них - это довольно высокая стоимость и ограничения по свариваемости легированных сталей (используют сложную технологию сварки), так как обычные «улетучивают» большинство легирующих элементов и ощутимо снижают прочность сварного шва.

Ну и у большинства сталей (кроме нержавеющих) ещё одним существенным минусом является малая стойкость к коррозии, хотя опять же при грамотной добавке нужных элементов можно существенно повысить коррозионную стойкость.

Сталь разных сортов выпускают в виде проката: полосы, ленты, листы, прутки (круглые и шестигранные) профильный материал, трубы, проволока и др.

По назначению сталь делят на конструкционную, инструментальную и специальную:

• Конструкционная содержит до 0,7 процентов углерода и из неё изготавливают детали машин, оборудования, различных приборов и приспособлений.
• Инструментальная сталь содержит от 0,7 до 1,7 процентов углерода и её используют как правило для изготовления различного инструмента.
• Специальная сталь - это жаропрочная сталь, нержавеющая, немагнитная и другие стали с особыми свойствами.

По качеству разделяют сталь обыкновенного качества, качественную и высококачественную:

Углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества содержит от 0,08 до 0,63 процента углерода. Содержание углерода в каждой марке этой стали как правило точно не выдерживают и марку определяют по механическим свойствам этой стали.

Из стали №1 изготавливают листовой и полосовой материал, а так же различные прокладки, заклёпки, шайбы, бачки и т.п. А из стали №2 делают ручки, петли, крючки, болты, гайки и т.п. Из стали №3 и №4 изготавливают как правило строительные конструкции, а из стали №7 делают шпонки, кулачковые муфты, клинья, рельсы, рессоры, которые затем термически обрабатывают.

Углеродистая конструкционная качественная сталь содержит до 0,2 процентов углерода и из неё изготавливают детали, к которым предъявляются повышенные требования по их механическим свойствам и для термически обработанных деталей. Эта сталь имеет марку от №8 и вплоть до сталь №70. А число показывает примерно среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Эта сталь довольно пластичная и вязкая и благодаря этому отлично штампуется и сваривается. А при изготовлении деталей работающих с ударными нагрузками, или подвергающиеся трению, такие детали из этой стали цементируют. А сталь с содержанием углерода свыше 0,3 процента не цементируют.

Из сталей марок Ст 30 или 35 делают гайки, болты, шпильки и шайбы (для ответственных конструкций), а из сталей 45 изготавливают валы, муфты, втулки и другие подобные детали, которые подвергают термической обработке (закалке и отпуску). Ну а из прочной и твёрдой стали марок Ст 50, 55 и 60 изготавливают шестерни, звёздочки (зубчатые колёса), шатуны, рессоры и другие детали, которые так же подвергаются термической обработке.

Углеродистую конструкционную качественную сталь, с повышенным содержанием марганца, который увеличивает твёрдость и прочность, выпускают марок от 15Г, 20Г, 30Г и вплоть до 70Г или марки с цифрой 2: 10Г2, 30Г2 и вплоть до 50Г2. Ну а цифра, стоящая перед буквой Г опять же показывает среднее процентное содержание углерода (в сотых долях процента). Буква Г означает, что марганца в этой стали около 1 процента, а если за буквой Г стоит цифра 2, то содержание марганца в такой стали около 2 процентов.

Из сталей 10Г2, 15Г и 20Г изготавливают цементируемые детали, из стали 45Г2 делают шатуны двигателей, вагонные оси, а из стали 65Г изготавливают клапанные пружины двигателей.

Из конструкционной легированной стали делают детали машин, у которых должна быть большая прочность, кислотостойкость, твёрдость (даже при сильном нагреве) и другие качества, которые достигаются добавкой легирующих компонентов.

Двузначное число, стоящее в начале марки стали, указывает на процентное содержание углерода в сотых долях. А стоящие далее буквы обозначают легирующую добавку: Н - никель, Х-хром, С - кремний, В - вольфрам, К - кобальт, Т - титан, М - молибден, Г - марганец, Ю - алюминий, Д - медь …..

• Добавка хрома способствует повышению твёрдости и прочности стали (атак же коррозионную стойкость) при этом сохраняется достаточная вязкость стали. Из хромистых сталей делают зубчатые колёса (шестерни) коленвалы, червяки и др. детали. Если же встали содержится хрома до 14 процентов, то она отлично сопротивляется коррозии. Из такой стали изготавливают контрольно-измерительные и медицинские инструменты. Ну а если процентное содержание хрома составляет более 17 процентов, то такая сталь становится кислотостойкой и нержавеющей.
• Добавка никеля повышает прочность стали и также повышает коррозионную стойкость, ну и делает сталь более вязкой (менее хрупкой).
• Добавка кремния повышает прочность и упругость стали и поэтому его добавляют в рессорную сталь Если же встали содержится значительное содержание кремния и хрома, то такая сталь называется сильхромовой и обладает высокой жаропрочностью. Из сильхромовой стали изготавливают клапаны двигателей.
• Добавка Молибдена и вольфрама повышает твёрдость и прочность стали, причём эти качества сохраняются и при довольно высоких температурах и поэтому из такой стали изготавливают режущие инструменты .

Числа за буквой показывают процентное содержание легирующего компонента. Если же за буквой отсутствуют цифры, то значит легирующего компонента содержится в стали всего около 1 процента. Если же в конце маркировки стоит буква А, то значит эта сталь высококачественная.

Конструкционную сталь выпускают в виде листов, полос и лент, труб, разной толщины, а так же прутков (круглых, квадратных и шестигранных) в виде различных балок, которые имеют различное сечение (тавровое, двутавровое, угловое, швеллерное и др.).

Из углеродистой инструментальной стали делают различные слесарные инструменты: зубила, молотки, полотна, напильники, кернеры, бородки, свёрла, гаечные ключи , торцовые головки и другой различный инструмент.

Чугун.

Как было сказано выше, если содержание углерода в сплаве металла (точнее железа) содержится от двух до пяти процентов, то такой материал - чугун. Кроме углерода в чугун добавляются примеси фосфора, кремния, серы и др. компонентов. Чугун со специальными примесями (хром, никель, и др.) которые придают чугуну особые свойства, называют легированным. Температура плавления чугуна 1100 - 1200 градусов.

Литейный чугун бывает серый, белый, высокопрочный и ковкий.

• Серый чугун содержит углерод в виде пластинчатого графита (и часть цементита) и обладает относительно небольшой твёрдостью и хрупкостью, легко обрабатывается резанием. Но благодаря малой стоимости и отличными литейными свойствами, из серого чугуна льют различные колонны, плиты, станины станков, корпуса электро-моторов, шкивы, маховики, зубчатые колёса, радиаторы отопления, и многие другие детали. Серый чугун обозначается буквами СЧ и двумя двухзначными цифрами. К примеру серый чугун марки СЧ21-40 имеет предел прочности при растяжении 210 Мн/м² (или 21 кгс/мм²) а при изгибе предел прочности составляет 400 Мн/м² (или 40 кгс/мм²).
• Белый чугун - в нём весь углерод содержится в виде цементита и это придаёт белому чугуну большую твёрдость, но и хрупкость и этот чугун трудно поддаётся обработке резанием.
• Высокопрочный чугун содержит углерод в виде включений шаровидного свободного графита (с добавлением цементита) и это придаёт высокопрочному чугуну бóльшую прочность, по с равнению с выше описанным серым чугуном. Прочность этого чугуна увеличивают добавками легирующих компонентов, таких как никель, хром, молибден, титан. Но высокопрочный чугун труднее обрабатывается резанием, чем серый чугун. Из этого чугуна отливают ответственные детали: блоки, головки, гильзы, поршни и цилиндры двигателей, компрессоров, зубчатые колёса и другие детали машин и оборудования. Маркируется этот чугун двумя буквами ВЧ и двумя числами. К примеру марка ВЧ40-10 говорит о том, что это высокопрочный чугун, спределом прочности при растяжении 400 Мн/м² (или 40 кгс/мм²) с относительным удлинением в 10 процентов.
• Ковкий чугун производят с помощью длительного томления болванок (отливок) из белого чугуна при высокой температуре, которая способствует выжиганию части углерода и переходу остальной части в графит. Ковкий чугун при этом получает полезные качества : относительно большое сопротивление изгибу, хорошую обрабатываемость, меньшую плотность. Из ковкого чугуна делают детали механизмов, которые работают в условиях повышенных напряжений и ударных нагрузок, а так же работающих при высоком давлении пара, воды, газов. Делают картеры задних мостов и коробок передач автомобилей, корпуса редукторов промышленного оборудования , тормозные диски, суппорта и, задвижки водопроводов, патроны и планшайбы токарных станков и другие детали. Обозначается ковкий чугун буквами КЧ и двумя цифрами. К примеру буквы и цифры марки КЧ45-6 означают, что такой чугун ковкий и имеет предел прочности при растяжении 450 Мн/м² (или 45 кгс/мм²) с относительным удлинением 6 процентов.

Он распространён в промышленности (особенно в станкостроительной при производстве) не менее стали, а его дешевизна (ведь он самый дешёвый из конструкционных материалов) наверное является одним из главных факторов его популярности.

К тому же у чугуна, кроме его минусов, имеется достаточно полезных свойств. Литейный чугун прекрасно заполняет различные формы, но один из главных его минусов - это хрупкость. Но несмотря на малую прочность, чугун издавна применяют в двигателестроении. Ещё не так давно из чугуна отливали блоки двигателей, картерные детали, картеры различных редукторов, гильзы цилиндров, головки блоков двигателей, поршни.

Кстати, оторвусь от темы: чугунные поршни, в отличие от алюминиевых, имеют такой же коэффициент расширения как и чугунная гильза и поэтому зазор поршень-цилиндр можно сделать минимальным, а это способствует повышению мощности и других полезных свойств. Конечно же алюминиевые поршни ощутимо легче чугунных и лучше ведут себя на больших оборотах и в алюминиевом блоке с никасилевым покрытием, но всё же поршни различных компрессоров предпочтительнее изготавливать из чугуна.

Ну и ещё, несмотря на то, что алюминиевые блоки с никасилевым покрытием сейчас уже изготавливают для современных машин, но всё же до сих пор многие заводы льют и чугунные блоки. Ведь если добавить в чугун немного графита, то можно существенно снизить коэффициент трения поршня о гильзу.

Но всё же чугунные блоки двигателей постепенно вытесняются лёгкосплавными, особенно блоки моторов мотоциклов. А всё из-за того, что у чугуна имеется ещё один существенный минус - он довольно тяжёлый. И поэтому блоки (и цилиндры) двигателей спортивных машин и мотоциклов уже с двадцатых готов прошлого века начали отливать из алюминия (об алюминии ниже).

Сначала делали алюминиевые блоки и цилиндры с чугунной гильзой, затем от чугунной гильзы отказались и сейчас начали покрывать стенки цилиндров различными твёрдыми и износостйкими гальваническими покрытиями , сначала хром, затем никасиль, далее более сложные металло-керамические композиции, самое продвинутое из которых керонайт, о котором подробнее я написал.

Но всё же чугун используют до сих пор, (особенно в станкостроительной промышленности) и особенно ковкий чугун. Ведь ковкий чугун пластичнее обычного и прочнее. Предел прочности ковкого чугуна от 30 до 60 кг/мм² и это позволяет использовать его не только в станкостроении, но и изготавливать даже детали машин и мотоциклов, ведь тормозные диски до сих пор изготавливают из ковкого чугуна.

Ну а некоторые марки чугуна до сих пор используют для изготовления коленвалов двигателей (например в), а также для изготовления, не забываем, что при добавке графита, чугунные кольца имеют малый коэффициент трения, а это важно для любого двигателя. Ну и ещё: многие наверное знают, что чугунная головка двигателя (несмотря на свой бóльший вес) меньше подвержена деформации при, чем более лёгкая алюминиевая головка.

И всё же ещё достаточно долго чугун будет материалом номер два (после стали) практически в любой тяжёлой промышленности.

Цветные металлы и сплавы металлов.

Несмотря на то, что тема статьи сплавы металлов, обязательно следует упомянуть и о цветных металлах, на основе которых и получают большинство сплавов. К цветным металлам относятся практически все металлы кроме железа. И они делятся на:

• лёгкие: рубидий, литий, натрий, калий, натрий, церий, бериллий, кальций, магний, титан и алюминий.
• тяжёлые: свинец, цинк, медь, кобальт, никель, марганец, олово, сурьма, хром, висмут, мышьяк и ртуть.
• благородные: платина, золото, серебро, палладий, родий, иридий, осьмий, рутений.
• редкие: молибден, вольфрам, ванадий, тантал, теллур, селен, индий, цезий, германий, цирконий и т.д.

Но если начать описывать все, то как уже говорилось в начале статьи, она превратится в необъятное полотно. И ниже будут описаны только те металлы и их сплавы, которые наиболее распространены и используются в авто-мото промышленности.

Алюминий.

Как знают многие, железо знакомо человечеству несколько тысяч лет, но вот алюминий используют всего то пару сотен лет. И самое интересное то, что алюминий вначале считался ювелирным материалом, а технологии его добычи и получения были такими дорогостоящими, что он считался чуть ли не дороже серебра.

Многим известна история о том, как какой то правитель, получив в руки от ювелира изготовленный и отполированный им алюминиевый кубок, был настолько поражён красотой этого металла и изделия из него, что начал беспокоиться о своих запасах серебра и о том, что его серебро обесценится благодаря алюминию. От этого бедный ювелир был казнён, а кубок надёжно спрятан.

И наверное так и остался бы этот белый металл и его сплавы ювелирным материалом, если б не развитие авиации. Ведь рано или поздно первые летательные аппараты, изготовленные из дерева, должны были доказать свою непрочность, что и случилось и далее инженеры всерьёз взялись за усовершенствование добычи алюминия.

А постараться стоило, ведь этот конструкционный материал в три раза легче стали. Плотность алюминиевых сплавов составляет от 2,6 до 2,85 г/см² (в зависимости от состава). Конечно же инженеры вначале столкнулись и с тем, что механические свойства алюминия совсем не высокие, ведь предел прочности даже для литейных алюминиевых сплавов всего от 15 до 35 кг/мм², а для деформируемых сплавов от 20 до 50 кг/мм² и лишь для самых дорогих и многокомпонентных сплавов прочность достигает 65 кг/мм².

И если сравнивать со сталью, то на первый взгляд покажется, что ведь выигрыша вовсе нет: алюминий втрое легче стали, но зато и в трое слабее. Но ведь законы сопромата никто не отменял и они стали спасением для инженеров, ведь жёсткость конструкционной детали зависит не только от прочности материала, из которого она изготовлена, но ещё и от её геометрической формы и размеров.

И в итоге стал ясно, что алюминиевая деталь того же веса, что и стальная, гораздо жёстче её на кручение и изгибание. Ну а если показатели жесткости стальной и алюминиевой детали одинаковые, то при этом алюминиевая деталь всё равно будет легче по весу, что и нужно для авиации и не только для неё.

И примерно после первой мировой войны, алюминиевые сплавы начали завоёвывать мировую промышленность. Конечно же в начале алюминий хлынул в авиационную промышленность (корпуса, крылья самолётов), позже из него стали отливать картеры, поршни и не только для моторов самолётов, но и автомобилей и мотоциклов. А ещё позднее начали отливать головки цилиндров и сами цилиндры, или блоки двигателей практически для всего транспорта.

Кстати, деталями двигателей дело не ограничилось и ещё в конце двадцатых годов прошлого века были замечены попытки изготавливать из алюминиевых сплавов рамы спортивных автомобилей и мотоциклов, а так же и кузова, но всё же на поток для многих серийных машин и мотоциклов такие изделия удалось поставить лишь к концу 80-х годов прошлого столетия.

Ну а в современной технике алюминиевые детали (кроме перечисленных выше) можно перечислять почти бесконечно - это и детали, как автомобилей, так и мотоциклов (скутеров, велосипедов), рамы, маятники, рули, траверсы, различные кронштейны, вплоть до багажников на крышу машины или на заднее крыло мотоцикла. Да мало ли ещё чего.

Ну и далее стоит сказать про одну особенность самого алюминия и сплавов металла алюминия. Алюминий очень активный металл к воздействию окружающей среды , но самое интересное, что сама супер активность и помогает ему сохраниться (уберечься от коррозии). Ведь алюминий настолько активный металл, что он мгновенно вступает в реакцию с кислородом воздуха (и влагой, присутствующей в нём).

И от этого на поверхности алюминиевой детали моментально образуется тончайшая окисная плёнка, и именно она и защищает любую алюминиевую деталь от коррозии. Хотя у разных сплавов, в зависимости от компонентов, различная стойкость к коррозии. Например литейные сплавы имеют хорошую защиту, а вот на деформируемых сплавах окисная плёнка очень тонка и слаба и её защитные свойства напрямую зависят от легирующих добавок в сплав.

Например широко известный и применяемый в авиации такой алюминиевый сплав как дюралюминий, имеет настолько слабую окисную плёнку, что очень быстро корродирует, покрываясь белым налётом, и если его не покрыть защитным покрытием, то коррозия его быстро «съест».

В качестве покрытия его ранее покрывали (плакировали) тонкой плёнкой чистого алюминия, но сейчас, при широком развитии, покрывают различными покрытиями всевозможных довольно ярких цветов (золотого, ярко-синего, красного и т.д).

Ну и ещё стоит написать несколько слов про сам алюминий - это металл с малой плотностью, который хорошо поддаётся ковке, штамповке, прессованию, обработке резанием, да к тому же он обладает довольно высокой электро и теплопроводностью. И поэтому он довольно широко используется в электротехнике (электропромышленности), приборостроении, машиностроении, авиации, как в чистом виде, так и в виде сплавов.

Обладающие относительно достаточной прочностью и твёрдостью сплавы алюминия с медью, марганцем, кремнием и магнием называют дюралюминием, который,как было упомянуто выше, используется в самолётостроении, в машиностроении и других отраслях.

Наряду с дюралюминием, практически все сплавы на основе алюминия (как и сталь) выпускают в виде проката: полосы, ленты, листы, прутки (круглые и шестигранные) профильный материал, трубы, проволока…

Магний.

Наверное всем, кто держал в руках кусок этого интересного и одного из самых лёгких металлов, кажется что не металл это вовсе, а кусок пластика, настолько он лёгкий. Относится к числу самых лёгких металлов, из применяемых в технике. А его сплавы с цинком, алюминием, кремнием и марганцем используют при изготовлении различных деталей радиоаппаратуры, приборов и т.п.

Раньше этот металл называли модным словом электрон. Плотность этого металла в четыре с половиной раза меньше, чем у железа и составляет всего 1,74 г/см³, и в 1,5 раза меньше чем у сплавов алюминия. Но и прочность магния ниже и предел прочности для литейных сплавов магния составляет от 9 до 27 кг/мм², а для деформируемых от 18 до 32 кг/мм².

Казалось бы совсем небольшая прочность, но опять же не забываем, что законы сопромата никто не отменял, да и очень малый вес перекрывает казалось бы всё.

Но кроме малой прочности, у магния есть и более существенные минусы, первым из которых является высокая цена. И детали мотоциклов или автомобилей, выполненные из магния, существенно поднимают их цену. Но и это ещё не все минусы: пи производстве маний очень легко возгорается при его литье (ну или при сварке) и даже при его механической обработке!

К тому же магний ну уж очень нестойкий к воздействию окружающей среды (к коррозии) и каждую деталь, выполненную из магния, приходится дважды защищать от коррозии - сначала оксидировать, а затем наносить покрытие (лакокрасочное или гальваническое). Но в плохих условиях (например в агрессивной среде зимних дорог) достаточно небольшой царапины на покрытии магниевой детали и она начинает мгновенно корродировать и быстро разрушаться.

Но всё же слишком маленький вес затмевает все минусы и магниевые сплавы используют для изготовления дорогих деталей автомобилей и мотоциклов (и не только). И начали применять его ещё в двадцатые годы прошлого века, а в 80-е годы его применение почти удвоилось даже на серийной технике. Например некоторые не слишком ответственные детали - крышки картеров, сами картеры, крышки головок и другие детали (кстати, картер двигателя даже нашей самой дешёвой советской машины - Запорожца отливали из магниевого сплава).

Но всё же применяли и применяют сплавы магния до сих пор лишь для изготовления рам, шасси, колёс и других деталей спортивной техники, точнее некоторых дорогих серийных автомобилей и мотоциклов, например элитные спортбайки итальянской фирмы «Агуста», модель мотоцикла MV Agusta F4 750 Serie Oro, которая стоила вдвое дороже спортбайков этой же фирмы, но с алюминиевыми рамами, а разница в весе составляла всего лишь в 10 кг.

Но думаю в будущем, с развитием гальванотехники и применения более стойких покрытий, использование магния ещё больше увеличится.

Титан.

Ну это уж совсем интересный материал и само название говорит за себя. Кстати оно появилось из-за титанических сложностей его извлечения из земной коры, особенно на начальном этапе его добычи. На первый взгляд титан внешне похож на сталь, пока не возьмёшь в руки и не почувствуешь, что весит он ощутимо меньше.

Как я упомянул чуть выше, довольно сложная технология извлечения его из земной коры и определила его высокую цену и небольшую распространённость. Большинство металлов и сплавов добывали уже несколько столетий, а вот металлический титан удалось получить только лишь в 1910 году прошлого века. А к 50-м годам прошлого столетия на всей нашей планете было добыто всего то чуть более двух тонн титана!

Но после 50-х годов прошлого века, с развитием покорения космоса (космической техники и скоростной авиации) титан оказался лучшим из конструкционных материалов, благодаря своей большой прочности и лёгкости (об уникальных свойствах титана чуть ниже), и его добыча начала развиваться быстрыми темпами.

Несмотря на то, что титан ощутимо легче стали (4,51 г/см³) прочность его сплавов практически такая же, как и у лучших легированных сталей (75 - 180 кг/см²). К тому же, в отличие от стали, титан обладает отличной коррозионной стойкостью, так как его окисная плёнка имеет высокую прочность. Но и это ещё не всё: некоторые сплавы титана обладают довольно высокой жаростойкостью.

К тому же титановые сплавы нормально свариваются в нейтральной среде, не плохо обрабатываются, ну и обладают хорошими литейными свойствами. Короче плюсов у титана предостаточно, и если б не один существенный минус - его высокая цена, то про стали наверное все бы забыли.

И именно из-за высокой цены, применение титана в авто-мото промышленности пока ограниченно. Но на спортивной технике, которая никогда не отличалась скромной ценой, применение титана с каждым годом увеличивается. Ведь ни для кого не секрет, что из космической промышленности, практически все технические достижения плавно переходят в авто-мото спорт.

И со временем из титана и его сплавов начали изготавливать детали ходовой части спортивных машин и мотоциклов, но всё же чаще всего из него изготавливают детали форсированных оборотистых моторов: клапаны и их пружины, шатуны и другие детали, для которых основное требование - это высокая прочность и лёгкость. А на самых дорогих спортивных машинах из титана даже изготавливают детали крепежа (болты, шпильки и гайки).

Следует сказать ещё вот что: так же, как наблюдалось плавное «перетекание» титановых деталей из космической промышленности в спорт, думаю впоследствии так же будет и постепенное перетекание использования титана и для серийных автомобилей и мотоциклов, впрочем, поживём увидим…

Медь.

Этот металл обладает относительно большой плотностью, имеет характерный красноватый цвет и отличную пластичность. Также медь обладает довольно высоким коэффициентом трения, и отличной электро и теплопроводностью.

Благодаря этому свойству из меди и её сплавов изготавливают электропроводку, контакты, клеммы, детали радиоаппаратуры и приборов (вплоть до паяльников), используют для оборудования пищевой промышленности. Ну а благодаря высокому коэффициенту трения медь используют даже для изготовления различных фрикционных накладок муфт трения и добавки меди можно встретить даже в дисках сцепления автомобилей и мотоциклов.

Но в большинстве случаев чистую медь сейчас довольно редко используют в целях экономии, преимущественно в составе сплавов на её основе (латуни и бронзы - о них позже) или в качестве покрытий (кстати сейчас медное покрытие даже стало популярнее хрома, например на мотоциклах кастомах в стиле старой школы кастомайзинга - олдскул).

Но всё же чистую медь, даже для покрытий, сейчас используют редко, и поэтому не будем особо задерживаться на чистой меди и перейдём к её сплавам.

Латунь.

Как знают многие - это сплав меди с цинком. Причём цинк, в составе этого сплава, повышает прочность и вязкость, ну и что немаловажно - удешевляет сплав. Латунь широко используется из-за своей относительной мягкости, пластичности, так же она отлично обрабатывается резанием, хорошо поддаётся гибке, штамповке, протяжке (вытягиванию) отлично спаивается.

Выпускают латунь в виде болванок (отливок) листов, полос, прутков, труб и проволоки. А так как латунь (так же как и бронза), в отличии от меди имеет малый коэффициент трения, то из отливок (или из прутков) делают подшипники скольжения.

Так же довольно широко применяют латунь при изготовлении различных приборов. Ну и благодаря довольно высокой антикоррозийной стойкости латуни, её широко используют в сантехнике: различные втулки (сгоны, муфты) водопроводные краны, задвижки и т.п. А из тонких листов латуни изготавливают различные регулировочные прокладки.

Ну и кроме коррозионной стойкости латунь обладает ещё и отличной теплопроводностью и поэтому из неё (наряду с алюминием) делают радиаторы, из трубок делают трубки радиаторов и различные трубопроводы в промышленности.

Бронза.

Бронза - это сплав меди с алюминием, оловом, марганцем, кремнием, свинцом и другими металлами. Бронза более хрупкий и твёрдый материал, чем выше описанная латунь, но зато она имеет ещё более низкий коэффициент трения и поэтому чаще используется в подшипниках скольжения.

Наиболее качественная и ценная считается оловянистая бронза, которая имеет более полезные качества, так как олово в составе сплава повышает механические свойства бронзы (делает её менее хрупкой) и добавляет коррозионную стойкость бронзе, ну и ещё делает этот сплав ещё более скользким (повышает антифрикционные свойства). Из оловянистой бронзы изготавливают наиболее качественные и достаточно долговечные подшипники скольжения (наряду с баббитами).

Бронза отлично обрабатывается резанием и хорошо паяется, но она дороже латуни. Как было сказано выше, из бронзы чаще всего делают подшипники скольжения, различные втулки, а так же детали, работающие под давлением до 25 кг/см². Выпускают бронзу, как и латунь, в виде прутков, полос, проволоки, трубок, отливок и т.п.

Баббиты.

Эти сплавы обладают очень низким коэффициентом трения (если со смазкой то коэффициент трения всего 0,004 - 0,009) и довольно низкой температурой плавления (всего 240 - 320 градусов). И поэтому баббиты чаще всего используют для заливки трущихся поверхностей подшипников скольжения. А так как температура плавления баббитов достаточно низкая, то в двигателях их не используют, а чаще всего для подшипников скольжения коленвалов.

В сплавах баббитов основной компонент - это олово и в самом качественном баббите марки Б83 содержится 83% олова. Так же были разработаны заменители баббитов (например Б16) с меньшим содержанием олова, которые отливают на свинцовой основе с добавками мышьяка и никеля - это БН и БТ и другие сплавы металлов.

Свинец.

Этот металл и сплавы на его основе (например припои) имеет относительно малую температуру плавления (327,46 °C) и серебристо-белый (с синеватым отливом) цвет. Обладает хорошей вязкостью (ковкостью) отличными литейными свойствами. Но он очень мягкий, легко режется острым ножом и даже царапается ногтем. Достаточно тяжёлый металл (имеет плотность 11,3415 г/см³, а с повышением температуры, плотность его падает.

Прочность этого металла очень маленькая (предел прочности на растяжение - 12-13 МПа (МН/м²) .Известен и применяется ещё с глубокой древности, так как имел небольшую температуру плавления и чаще применялся для отливки трубопроводов в Кремле и древнем Риме (там же в древнем Риме его производство достигало больших объёмов - около 80-ти тысяч тонн в год).

Свинец и его соединения токсичны и особенно ядовиты водорастворимые, например ацетат свинца, ну и летучие соединения, например, тетраэтилсвинец. А во времена отливки водопроводов в древнем Риме и Кремле никто не знал про вредность свинца и вода, проходящая по свинцовым трубопроводам, существенно сокращала жизнь людей.

Сейчас же основное использование свинца - это отливка решёток аккумуляторных батарей, а также он используется для изготовления листов (камер), защищающих от рентгеновского излучения в медицине. А сплавы свинца, сурьмы и олова используют в декоративном литье (затем фигурки покрывают медью), а так же для изготовления подшипников скольжения (см. выше баббиты) и для различных припоев для пайки.

Твёрдые сплавы металлов.

Это сплавы на основе тугоплавких карбидов вольфрама, ванадия, титана и эти сплавы отличаются высокой прочностью, твёрдостью и износоустойчивостью, даже при повышенных температурах. Применяют твёрдые сплавы чаще всего для изготовления рабочих частей режущего инструмента (, фрез и т.п.).

Кобальто-вольфрамовые твёрдые сплавы выпускают под маркой от ВК2, ВК3 и вплоть до ВК15. Цифры в маркировке указывают на процентное содержание кобальта в сплаве, а остальное как правило составляет карбид вольфрама.

Титано-вольфрамовые твёрдые сплавы цифры в маркировке указывают на процентное содержание кобальта и титана, а остальное составляет карбид вольфрама (Т5К10, Т15К6).

Вот вроде бы и всё. Конечно же в одной статье нереально описать всю массу полезных и интересных фактов, связанных с различными металлами и сплавами металлов, но всё же, надеюсь, что многие металловеды (материаловеды) простят меня, ведь нельзя объять необъятное, успехов всем!

Металлы и сплавы

В промышленности металлы применяются в основном в виде сплавов : черных (чугун, сталь) и цветных (бронза, латунь, дюралюминий и др.)

.
Сталь и чугун - это сплавы железа с углеродом . Но в стали содержание углерода немного меньше, чем в чугуне.

В чугуне содержится от 2 до 4% углерода. В состав чугуна входят также кремний, марганец, фосфор и сера. Чугун - хрупкий твердый сплав. Поэтому его используют в тех изделиях, которые не будут подвергаться ударам. Например, из чугуна отливают радиаторы отопления, станины станков и другие изделия.

Сталь , как и чугун, имеет примеси кремния, фосфора, серы и других элементов, но в меньшем количестве.
Сталь не только прочный, но и пластичный металл. Благодаря этому она хорошо поддается механической обработ ке. Сталь бывает мягкой и твердой .

Более твердая сталь используется для изготовления проволоки, гвоздей, шурупов, заклепок и других изделий.

Из очень твердой стали делают металлические конструкции (конструкционная сталь ) и режущие инструменты (инструментальная сталь). Инструментальная сталь имеет большую, чем конструкционная, твердость и прочность.

Добавление в сталь таких элементов, как хром, никель, вольфрам, ванадий , позволяет получить сплавы с особыми физическими свойствами - кислотостойкие, нержавеющие, жаропрочные и т. д.

Чугун выплавляют из железной руды в доменных печах . Руду вместе с коксом (специально обработанным углем, который дает при горении высокую температуру) загружают в доменную печь сверху. Снизу в домну все время вдувают чистый горячий воздух, чтобы кокс лучше горел. Внутри печи образуется высокая температура, руда плавится, и полученный чугун стекает на дно печи. Расплавленный металл вытекает из отверстия домны в ковши. Из смеси чугуна со стальным ломом в мартеновских печах, конверторах и электропечах получают сталь.

Из цветных сплавов наиболее широко применяются бронза, латунь и дюралюминий .

Бронза - желто-красный сплав на основе меди с добавлением олова, алюми ния и других элементов. Отличается высокой прочностью, стойкостью против коррозии. Из бронзы отливают художественные изделия , делают сантехническую арматуру, трубопроводы, детали, работающие в условиях трения и повышенной влажности.

Латунь - сплав меди с цинком , желтого цвета . Имеет высокую твердость, пластичность, коррозийную стойкость. Выпускается в виде листов, проволоки, шестигранного проката и применяется чаще всего для изготовления деталей, работающих в условиях повышенной влажности.

Дюралюминий - сплав алюминия с медью, цинком, магнием и другими металлами, серебристого цвета. Обладает высокими антикоррозийными свойствами, хорошо обрабатывается. Дюралюминий широко применяют в авиастроении, машиностроении и строительстве, где требуются легкие и прочные конструкции.

Основные свойства металлов

Вы знаете, что металлы обладают различными свойствами . Одни из них мягкие, вязкие , другие твердые, упруг ие или хрупкие . Знать свойства металлов необходимо для того, чтобы правильно определить наиболее подходящий для того или иного изделия материал.

Физические свойства.

К этим свойствам относятся: цвет, удельный вес , теплопроводность, электропроводность, температура плавления .

Цвет металла или сплава является одним из признаков, позволяющих судить о его свойствах.
Металлы различаются по цвету. Например, сталь - сероватого цвета , цинк - синевато-белого , медь - розовато-красного .
При нагреве по цвету поверхности металла можно примерно определить, до какой температуры он нагрет, что особо важно для сварщиков. Однако некоторые металлы (алюминий) при нагреве не меняют цвета.

Поверхность окисленного металла имеет иной цвет, чем не окисленного.

Удельный вес - вес одного кубического сантиметра вещества, выраженный в граммах . Например, углеродистая сталь имеет удельный вес, равный 7,8 г/см3. В авто- и авиастроении вес деталей является одной из важнейших характеристик , поскольку конструкции должны быть не только прочными, но и легкими. Чем больше удельный вес металла, тем более тяжелым (при равном объеме) получается изделие.

Теплопроводность - способность металла проводить тепло - измеряется количеством тепла, которое проходит по металлическому стержню сечением в 1 см2 за 1 мин. Чем больше теплопроводность, тем труднее нагреть кромки свариваемой детали до нужной температуры.

Температура плавления - температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое . У стали, например, температура плавления гораздо более высокая, чем у олова.

Чистые металлы плавятся при одной постоянной температуре, а сплавы - в интервале температур.

Механические свойства.

К механическим свойствам металлов и сплавов относятся прочность, твердость, упругость, пластичность, вязкость .
Эти свойства обычно являются решающими показателями, по которым судят о пригодности металла к различным условиям работы.

Прочность - способность металла сопротивляться разрушению при действии на него нагрузки .

Твердость - способность металла сопротивляться внедрению в его поверхность другого более твердого тела . Если ударить молотком по кернеру, поставленному на стальную пластинку, образуется небольшая лунка. Если то же самое сделать с пластинкой из меди, лунка будет больше. Это свидетельствует о том, что сталь тверже меди.

Упругость - свойство металла восстанавливать свою форму и размеры после прекращения действия нагрузки . Высокой упругостью должна обладать, например, рессоры и пружины, поэтому они изготовляются из специальных сплавов. Попробуйте одновременно растянуть и отпустить пружины из стальной и медной проволоки. Вы увидите, что первая вновь сожмется, а вторая останется в том же положении. Значит, сталь более упругий материал, чем медь.

Пластичность - способность металла изменять форму и размеры под действием внешней нагрузки и сохранять новую форму и размеры после прекращения действия сил . Пластичность - свойство, обратное упругости. Чем больше пластичность, тем легче металл куется, штампуется, прокатывается.

Вязкость - способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) нагрузкам. Например, если наносить удары по чугунной плите, она разрушится. Чугун - хрупкий металл. Вязкость - свойство, обратное хрупкости. Вязкие металлы применяются в тех случаях, когда детали при работе подвергаются ударной нагрузке (детали вагонов, автомобилей и т. п.).

Металлы используются человеком уже много тысячелетий. По именам металлов названы определяющие эпохи развития человечества: Бронзовый Век, Железный Век, Век Чугуна и т.д. Ни одно металлическое изделие из числа окружающих нас не состоит на 100% из железа, меди, золота или другого металла. В любом присутствуют сознательно введенные человеком добавки и попавшие помимо воли человека вредные примеси.

Абсолютно чистый металл можно получить только в космической лаборатории. Все остальные металлы в реальной жизни представляют собой сплавы - твердые соединения двух или более металлов (и неметаллов), полученные целенаправленно в процессе металлургического производства.

Классификация однородности сплавов

Классификация

Металлурги классифицируют сплавы металлов по нескольким критериям:

1. метод изготовления:
2. технология производства:
   • литейные;
   • деформируемые;
   • порошковые;
3. однородность структуры:

   Виды сплавов по их основе

4. вид металла – основы:
   • черные (железо);
   • цветные (цветные металлы);
   • редких металлов (радиоактивные элементы);
5. количество компонентов:
   • двойные;
   • тройные;
   • и так далее;
6. физико-химические свойства:
   • тугоплавкие;
   • легкоплавкие;
   • высокопрочные;
   • жаропрочные;
   • твердые;
   • антифрикционные;
   • коррозионностойкие и др.;
7. предназначение:
   • конструкционные;
   • инструментальные;
   • специальные.

Металлы и сплавы на их основе имеют различные физико-химические характеристики.

Металл, имеющий наибольшую массовую долю, называют основой.

Свойства сплавов

Свойства, которыми обладают металлические сплавы, подразделяются на:

1. Структурно - нечувствительные. Они обуславливаются свойствами компонентов, и их процентным содержанием. К ним относятся:
   • плотность;
   • температура плавления;
   • тепловые и упругие характеристики;
   • коэффициент термического расширения;
2. структурно - чувствительные. Определяются свойствами элемента - основы.
3. https://youtu.be/qgzo40bfL1o
4. Все сплавные материалы в той или иной мере проявляют характерные металлические свойства:
   • блеск;
   • пластичность;
   • теплопроводность;
   • электропроводность.
5. Кроме того, свойства подразделяют на:
   • Химические, определяемые взаимоотношениями материала с химически активными веществами.
   • Механические, определяемые взаимодействием с другими физическими телами.

   Механические свойства

6. Основными характеристиками сплавных материалов, влияющими на их пригодность для применения в той или иной инженерной конструкции, являются:
   • Прочность-характеристика силы противостояния механическим нагрузкам и разрушению.
   • Твердость-способность к сопротивлению внедрению в материал твердых тел.
   • Упругость-возможность восстановить исходную форму тела после деформации, вызванной внешней нагрузкой.
   • Пластичность - свойство, обратное упругости. Определяет способность материала к изменению формы тела без его разрушения под приложенной нагрузкой и сохранения этой новой формы.
   • Вязкость - способность сопротивляться быстро возрастающим (ударным) нагрузкам

Для количественного выражения этих свойств вводят специальные физические величины и константы, такие, как предел упругости, модуль Гука, коэффициент вязкости и другие.

Основные виды сплавов

Самые многочисленные виды сплавов металлов изготавливаются на основе железа. Это стали, чугуны и ферриты.

Сталь - это вещество на основе железа, содержащее не более 2,4% углерода, применяется для изготовления деталей и корпусов промышленных установок и бытовой техники, водного, наземного и воздушного транспорта, инструментов и приспособлений. Стали отличаются широчайшим диапазоном свойств.

Общие из них - прочность и упругость. Индивидуальные характеристики отдельных марок стали определяются составом легирующих присадок, вводимых при выплавке. В качестве присадок используется половина таблицы Менделеева, как металлы, так и неметаллы.

Самые распространенные из них - хром, ванадий, никель, бор, марганец, фосфор.

Легированная сталь

Если содержание углерода более 2,4% , такое вещество называют чугуном. Чугуны более хрупкие, чем сталь. Они применяются там, где нужно выдерживать большие статические нагрузки при малых динамических. Чугуны используются при производстве станин больших станков и технологического оборудования, оснований для рабочих столов, при отливке оград, решеток и предметов декора. В XIX и в начале XX века чугун широко применялся в строительных конструкциях. До наших дней в Англии сохранились мосты из чугуна.

Чугунные радиаторы

Вещества с большим содержанием углерода, имеющие выраженные магнитные свойства, называют ферритами. Они используются при производстве трансформаторов и катушек индуктивности.

Сплавы металлов на основе меди, содержащие от 5 до 45% цинка, принято называть латунями. Латунь мало подвержена коррозии и широко применяется как конструкционный материал в машиностроении.

Желтая латунь

Если вместо цинка к меди добавить олово, то получится бронза. Это, пожалуй, первый сплав, сознательно полученный нашими предками несколько тысячелетий назад. Бронза намного прочнее и олова, и меди и уступает по прочности только хорошо выкованной стали.

Вещества на основе свинца широко применяются для пайки проводов и труб, а также в электрохимических изделиях, прежде всего, батарейках и аккумуляторах.

Двухкомпонентные материалы на основе алюминия, в состав которых вводят кремний, магний или медь, отличаются малым удельным весом и высокой обрабатываемостью. Они используются в двигателестроении, аэрокосмической промышленности и производстве электрокомпонентов и бытовой техники.

Цинковые сплавы

Сплавы на основе цинка отличаются низкими температурами плавления, стойкостью к коррозии и отличной обрабатываемостью. Они применяются в машиностроении, производстве вычислительной и бытовой техники, в издательском деле. Хорошие антифрикционные свойства позволяют использовать цинковые сплавы для вкладышей подшипников.

Титан не самый доступный металл, он сложен в производстве и тяжело обрабатывается. Эти недостатки искупаются его уникальными свойствами титановых сплавов: высокой прочностью, малым удельным весом, стойкостью к высоким температурам и агрессивным средам. Эти материалы плохо поддаются механической обработке, но зато их свойства можно улучшить с помощью термической обработки.

Легирование алюминием и небольшими количествами других металлов позволяет повысить прочность и жаростойкость. Для улучшения износостойкости в материал добавляют азот или цементируют его.

Область применения титановых сплавов

Металлические сплавы на основе титана используются в следующих областях:

1. 1. • аэрокосмическая;
      • химическая;
      • атомная;
      • криогенная;
      • судостроительная;
      • протезирование.

Алюминиевые сплавы

Если первая половина XX века была веком стали, то вторая по праву назвалась веком алюминия.

Трудно назвать отрасль человеческой жизнедеятельности, в которой бы не встречались изделия или детали из этого легкого металла.

Алюминиевые сплавы подразделяют на:

1. 1. • Литейные (с кремнием). Применяются для получения обычных отливок.
      • Для литья под давлением (с марганцем).
      • Увеличенной прочности, обладающие способностью к самозакаливанию (с медью).

Основные преимущества соединений алюминия:

1. 1. • Доступность.
      • Малый удельный вес.
      • Долговечность.
      • Устойчивость к холоду.
      • Хорошая обрабатываемость.
      • Электропроводность.

Основным недостатком сплавных материалов является низкая термостойкость. При достижении 175°С происходит резкое ухудшение механических свойств.

Еще одна сфера применения - производство вооружений. Вещества на основе алюминия не искрят при сильном трении и соударениях. Их применяют для выпуска облегченной брони для колесной и летающей военной техники.

Весьма широко применяются алюминиевые сплавные материалы в электротехнике и электронике. Высокая проводимость и очень низкие показатели намагничиваемости делают их идеальными для производства корпусов различных радиотехнических устройств и средств связи, компьютеров и смартфонов.

Слитки из алюминиевых сплавов

Присутствие даже небольшой доли железа существенно повышает прочность материала, но также снижает его коррозионную устойчивость и пластичность. Компромисс по содержанию железа находят в зависимости от требований к материалу. Отрицательное влияние железа скомпенсируют добавлением в состав лигатуры таких металлов, как кобальт, марганец или хром.

Конкурентом алюминиевым сплавам выступают материалы на основе магния, но ввиду более высокой цены их применяют лишь в наиболее ответственных изделиях.

Медные сплавы

Обычно под медными сплавами понимают различные марки латуни. При содержании цинка в 5-45% латунь считается красной (томпак), а при содержании в 20-35%- желтой.

Благодаря отличной обрабатываемости резанием, литьем и штамповкой латунь - идеальный материал для изготовления мелких деталей, требующих высокой точности. Шестеренки многих знаменитых швейцарских хронометров сделаны из латуни.

Латунь - смесь меди и цинкаМедь и ее сплавы

Малоизвестный сплав меди и кремния называют кремнистой бронзой. Он отличается высокой прочностью. По некоторым источникам, из кремнистой бронзы ковали свои мечи легендарные спартанцы. Если вместо кремния добавить фосфор, то получится отличный материал для производства мембран и листовых пружин.

Это устойчивые к износу и обладающие высокой твердостью материалы на основе железа, к тому же сохраняющие свои свойства при высоких температурах до 1100оС.

В качестве основной присадки применяются карбиды хрома, титана, вольфрама, вспомогательными являются никель, кобальт, рубидий, рутений или молибден.

Основными сферами применения являются:

1. 1. • Режущий инструмент (фрезы, сверла, метчики, плашки, резцы и т.п.).
      • Измерительный инструмент и оборудование (линейки, угольники, штангенциркули рабочие поверхности особой ровности и стабильности).
      • Штампы, матрицы и пуансоны.
      • Валки прокатных станов и бумагоделательных машин.
      • Горное оборудование (дробилки, шарошки, ковши экскаваторов).
      • Детали и узлы атомных и химических реакторов.
      • Высоконагруженные детали транспортных средств, промышленного оборудования и уникальных строительных конструкций, таки, например, как башня Бурж - Дубай.

Области применения твердых сплавов

Существуют и другие области применения твердосплавных веществ.

Пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник: http://StankiExpert.ru/spravochnik/materialovedenie/splavy-metallov.html

Доклад по химии Тема: “Сплавы”

МОСКОВСКИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ

ШКОЛА - ЛАБОРАТОРИЯ № 799

Доклад по химии

Тема: “Сплавы”

Ученика Кудашева Алексея

Окружающие нас металлические предметы редко состоят из чистых металлов. Только алюминиевые кастрюли или медная проволка имеют чистоту около 99,9%. В большин­стве же других случаев люди имеют дело со сплавами.

Так, различные виды железа и стали содержат наряду с металлическими добавками незначительные количества углерода, которые оказывают решающее влияние на механическое и тер­мическое поведение сплавов. Все сплавы имеют специльную маркировку, т.к.

сплавы с одним названием (например, латунь) могут иметь разные массовые доли других металлов.

Для изготовления сплавов применяют различные металлы. Самое большое значение среди всех сплавов имеют стали раз­личных составов. Простые конструкционные стали состоят из железа относительно высокой чистоты с небольшими (0,07-0,5%) добавками углерода.

Так, чугун, получаемый в доменной печи, содержит около 10% других металов, из них примерно 3% составляет углерод, а остальные - кремний, марганец, сера и фосфор.

А легированные стали получают, добавляя к железу кремний, медь, марганец, никель, хром, вольфрам, ванадий и молибден.

Никель наряду с хромом является важнейшим компонентом многих сплавов. Он придает сталям высокую химическую стойкость и механическую прочность. Так, известная нержа­веющая сталь содержит в среднем 18% хрома и 8% никеля.

Для производства химической аппаратуры, сопел самолетов, космических ракет и спутников требуются сплавы, которые устойчивы при тем­пературах выше 1000 °С, то есть не разрушаются кислородом и горючими газами и обладают при этом прочностью лучших сталей.

Этим условиям удовлетворяют сплавы с высоким содержанием никеля. Большую группу составляют медно-никелевые сплавы.

Сплав меди, известный с древ­нейших времен, – бронза содержит 4-30% олова (обычно 8-10%). До наших дней сохрани­лись изделия из бронзы мастеров Древнего Египта, Греции, Китая. Из бронзы отливали в средние века орудия и многие другие изделия. Знаменитые Царь-пушка и Царь-колокол в Московском Кремле также отлиты из сплава меди с оловом.

В настоящее время в бронзах олово часто заменяют другими ме­таллами, что приводит к изменению их свойств. Алюминиевые бронзы, которые содержат 5-10% алюми­ния, обладают повышенной проч­ностью. Из такой бронзы чеканят медные монеты. Очень прочные, твердые и упругие бериллиевые бронзы содержат примерно 2% бе­риллия. Пружины, изготовленные из бериллиевой бронзы, практически вечны.

Широкое применение в народном хозяйстве нашли бронзы, изготовленные на основе других металлов: свинца, марганца, сурь­мы, железа и кремния.

Сплав мельхиор содержит от 18 до 33% никеля (остальное медь). Он имеет красивый внешний вид. Из мельхио­ра изготавливают посуду и укра­шения, чеканят монеты («серебро»). Похожий на мельхиор сплав -нейзильбер -содержит, кроме 15% ни­келя, до 20% цинка. Этот сплав используют для изготовления худо­жественных изделий, медицинского инструмента.

Медно-никелевые спла­вы константан (40% никеля) и ман­ганин (сплав меди, никеля и мар­ганца) обладают очень высоким электрическим сопротивлением. Их используют в производстве элект­роизмерительных приборов. Харак­терная особенность всех медно-ни­келевых сплавов – их высокая стой­кость к процессам коррозии – они почти не подвергаются разрушению даже в морской воде. Сплавы меди с цинком с содер­жанием цинка до 50% носят наз­вание латунь.

Латунь «60» содержит, например, 60 весовых частей меди и 40 весовых частей цинка. Для литья цинка под давлением применяют сплав, содер­жащий около 94% цинка, 4% алюминия и 2% меди. Это дешевые сплавы, обладают хорошими механическими свойствами, легко обрабатываются. Латуни благодаря своим качествам нашли широкое применение в ма­шиностроении, химической промыш­ленности, в производстве бытовых товаров.

Для придания латуням особых свойств в них часто добав­ляют алюминий, никель, кремний, марганец и другие металлы. Из латуней изготавливают тру­бы для радиаторов автомашин, тру­бопроводы, патронные гильзы, па­мятные медали, а также части технологических аппаратов для полу­чения различных веществ.

По следующим рецептам можно получить легкоплавкие сплавы. Сплав Ньютона: 31 массовая часть свинца, 19 частей олова и 50 частей висмута. Температура плавления 95 °С. Сплав Вуда: 25 частей свинца, 12,5 частей олова, 50 частей висмута и 12,5 частей кадмия. Температура плавления 60 °С. Ложка из такого сплава расплавится, если ею помешать горячий кофе. Раньше это демонстрировали в качестве шутли­вого опыта. Однако перемешанный таким образом напиток ядовит из-за солей свинца и висмута!

Очень давно было замечено, что если смешать расплавленные металлы и остудить полученную смесь, то получается вещество, свойства которого отличаются от свойств каждого из металлов. Так, если в расплавленную медь добавить алюминий, то в результате химической реакции получается новое соединение с формулой АlСи.

Сплавы получают различными способами. Если смешивают расплавленные компоненты, а затем производят кристаллизацию полученного расплава, то получают литой сплав. Кристаллизация – это процесс перехода из жидкого состояния в твердое.

При этом образуется соединение с кристаллической структурой. А если смешивают порошки компонентов, а затем спекают смесь при высокой температуре, то получают сплав, который называется порошковым сплавом.

Для улучшения свойств в сплавы вводятся элементы, которые называются легирующими.

Виды сплавов

В состав сплавов могут входить только металлы или соединения металлов с неметаллами. Свое название сплав обычно получает от названия элемента, который содержится в сплаве в самом большом количестве и составляет основу сплава. Так, если основой сплава является железо, то сплавы называются чёрными. А если основа сплавов – цветные металлы, то и сплавы называются цветными. Бывают ещё сплавы редких металлов и сплавы радиоактивных металлов.

Черные сплавы

В сплавах могут быть два и более компонентов.

Наиболее известные чёрные сплавы – сталь и чугун. Оба эти сплава являются смесью железа и углерода. Но чугун содержит углерода намного больше, чем сталь. Кроме углерода, в чугун входят сера, фосфор, марганец и кремний. В сталь также добавляются эти элементы, но в гораздо меньших количествах. Чугун – хрупкий материал.

Его применяют там, где не требуется ковка. А вот сталь не только прочный, но и пластичный материал. Поэтому она широко применяется в промышленности в металлических конструкциях, механизмах, деталях, для изготовления режущих инструментов и т. д.

В нашем доме нас окружают изделия из нержавеющей стали: ножи, вилки, ложки, ножницы, тёрки, кастрюли.

Цветные сплавы

Самые известные сплавы меди – бронза и латунь.

Сплав меди с оловом называют бронзой. В III тысячелетии до н.э из меди изготавливались орудия труда, так как залежи меди в то время были огромны. Выяснилось, что если медь соединить с оловом, то получается вещество, более поддающееся литью. Так впервые была получена бронза. Следующее тысячелетие назвали «бронзовым веком». В XV в. из бронзы начали отливать пушки. В наше время бронза применяется в машиностроение для изготовления различных деталей.

Латунь – сплав меди с цинком. Используется в производстве техники, автомобилестроении, в химической промышленности. Интересно, что латунь внешне схожа с золотом. Поэтому до XIX века ее часто выдавали за золото.

Соединение меди с алюминием называют алюминиевой бронзой. Алюминиевая бронза – очень пластичный материал.

Мельхиор - сплав меди и никеля. Используется для изготовления столовых приборов и художественных изделий.

Известный алюминиевый сплав дюралюминий – соединение алюминия с медью, магнием и марганцем. Применяется в авиационной промышленности и авиастроении.

Магниевые, титановые, берилиевые сплавы также находят свое применение в промышленности и медицине.

Металлы и сплавы играют очень важную роль в различных видах жизнедеятельности человека. Невозможно перечислить все сферы, в которых металлы и их сплавы находят применение.

Источник: http://kursak.net/doklad-po-ximii-tema-splavy/

Способы получения металлов. Виды сплавов. Получение щелочных металлов

Современный человек в своей повседневной жизни окружен различными металлами. В большинстве предметов, которыми мы пользуемся, присутствуют эти химические вещества. Это все произошло потому, что люди нашли разнообразные способы получения металлов.

Что такое металлы

Этими ценными для людей веществами занимается неорганическая химия. Получение металлов позволяет человеку создавать все более совершенную технику, совершенствующую нашу жизнь. Что же они собой представляют? Прежде чем рассмотреть общие способы получения металлов, необходимо разобраться, какими они бывают. Металлы представляют собой группу химических элементов в виде простых веществ, обладающую характерными свойствами:

Тепло- и электропроводностью;

Высокой пластичностью;

Блеском.

Человек легко может отличить их от других веществ. Характерной чертой всех металлов является наличие особого блеска. Он получается благодаря отражению падающих лучей света на не пропускающую их поверхность. Блеск – это общее свойство всех металлов, но ярче всего оно проявляется у серебра.

На сегодняшний день учеными открыто 96 таких химических элементов, хотя еще не все из них признаны официальной наукой. Их разбивают на группы в зависимости от присущих им характерных свойств. Так выделяют следующие металлы:

Щелочные – 6;

Щелочноземельные – 6;

Переходные – 38;

Легкие – 11;

Полуметаллы – 7;

Лантаноиды – 14;

Актиноиды – 14.

Получение металлов

Для того чтобы изготовить сплав, необходимо в первую очередь получить металл из природной руды. Самородные элементы – это те вещества, которые находятся в природе в свободном состоянии. К ним относится платина, золото, олово, ртуть. Их отделяют от примесей механически или с помощью химических реагентов.

Остальные металлы добывают путем обработки их соединений. Они содержатся в различных ископаемых. Руда – это минералы и горные породы, в состав которых входят соединения металлов в виде оксидов, карбонатов или сульфидов. Для их получения используют химическую обработку.

Методы получения металлов:

Восстановление оксидов углем;

Получение олова из оловянного камня;

Выплавка чугуна из железной руды;

Обжигание сернистых соединений в специальных печах.

Для облегчения добывания металлов из рудных пород к ним добавляют различные вещества, называемые флюсами. Они помогают удалять нежелательные примеси, такие как глина, известняк, песок. В результате этого процесса получаются легкоплавкие соединения, называемые шлаками.

При наличии значительного количества примесей руду перед выплавкой металла обогащают путем удаления большой части ненужных компонентов. Наиболее широко применяемые способы данной обработки – флотация, магнитный и гравитационный способ.

Щелочные металлы

Массовое получение щелочных металлов – более сложный процесс. Это обусловлено тем, что они встречаются в природе только в виде химических соединений. Поскольку они являются восстановителями, их получение сопровождается высокими энергетическими затратами. Существует несколько способов добывания щелочных металлов:

Литий можно получить из его оксида в вакууме или путем электролиза расплава его хлорида, образующегося при переработке сподумена.

Натрий добывают путем прокаливания соды с углем в плотно закрытых тиглях или электролизом расплава хлорида с добавлением кальция. Первый способ наиболее трудоемкий.

Калий получают электролизом расплава его солей либо, пропуская пары натрия через его хлорид. Также он образуется при взаимодействии расплавленного гидроксида калия и жидкого натрия при температуре 440°С.

Цезий и рубидий добывают при помощи восстановления их хлоридов кальцием при 700–800 °С или цирконием при 650 °С. Получение щелочных металлов таким способом является крайне энергоемким и дорогостоящим.

Различия между металлами и сплавами

Принципиально четкой границы между металлами и их сплавами практически не существует, поскольку даже самые чистые, простые вещества имеют какую-то долю примесей. Так в чем же различие между ними? Практически все металлы, используемые в промышленности и в других отраслях народного хозяйства, используются в виде сплавов, полученных целенаправленно путем добавления к основному химическому элементу других компонентов.

Сплавы

Техника нуждается в разнообразных металлических материалах. При этом чистые химические элементы практически не применяются, поскольку они не обладают необходимыми для людей свойствами. Для своих нужд мы изобрели разные способы получения сплавов. Под этим термином подразумевается макроскопически однородный материал, который состоит из 2 или нескольких химических элементов. При этом в сплаве преобладают металлические компоненты. Это вещество имеет свою структуру. В сплавах различают следующие составляющие:

Основа, состоящая из одного или нескольких металлов;

Малые добавки модифицирующих и легирующих элементов;

Неудаленные примеси (технологические, природные, случайные).

Именно сплавы металлов являются основным конструкционным материалом. В технике их насчитывают более 5000.

Типы сплавов

Способы получения металлов бывают разными, при этом и изготовленные благодаря им материалы обладают различными свойствами. В твердом агрегатном состоянии сплавы бывают:

Гомогенными (однородными), состоящими из кристаллов одного типа. Их часто называют однофазными.

Гетерогенными (неоднородными), именуемые многофазными. При их получении в качестве основы сплава берется твердый раствор (матричная фаза). Состав гетерогенных веществ такого типа зависит от состава его химических элементов. В таких сплавах могут быть следующие компоненты: твердые растворы внедрения и замещения, химические соединения (карбиды, интерметаллиды, нитриды), кристаллиты простых веществ.

Вне зависимости от того, какие способы получения металлов и сплавов используются, их свойства полностью определяются кристаллической структурой фаз и микроструктурой этих материалов. У каждого из них они разные.

Макроскопические свойства сплавов зависят от их микроструктуры. Они в любых случаях отличаются от характеристик их фаз, зависящих исключительно от кристаллической структуры материала.

Макроскопическая однородность гетерогенных (многофазных) сплавов получается в результате равномерного распределения фаз в матрице металла.

Важнейшим свойством сплавов считается свариваемость. В остальном они идентичны металлам. Так, сплавы обладают тепло- и электропроводностью, пластичностью и отражательной способностью (блеском).

Разновидности сплавов

Различные способы получения сплавов позволили человеку изобрести большое количество металлических материалов, обладающих различными свойствами и характеристиками. По своему назначению они делятся на такие группы:

Конструкционные (сталь, дюралюминий, чугун). К данной группе относятся и сплавы со специальными свойствами. Так они отличаются искробезопасностью или антифрикционными свойствами. К ним относятся латуни и бронзы.

Для заливки подшипников (баббит).

Для электронагревательной и измерительной аппаратуры (нихром, манганин).

Для производства режущих инструментов (победит).

В производстве люди используют и другие виды металлических материалов, таких как легкоплавкие, жаропрочные, коррозионностойкие и аморфные сплавы. Также широкое применение находят магниты и термоэлектрики (телуриды и селениды висмута, свинца, сурьмы и другие).

Железные сплавы

Практически все выплавляемое на Земле железо направляется на производство простых и легированных сталей. Также оно используется в производстве чугуна. Сплавы железа получили свою популярность благодаря тому, что обладают полезными для человека свойствами.

Они были получены в результате добавления к простому химическому элементу различных компонентов. Так, несмотря на то, что различные сплавы железа изготавливаются на основе одного вещества, стали и чугуны обладают различными свойствами. Благодаря этому они находят разные сферы применения. Большинство сталей тверже чугуна.

Различные методы получения этих металлов позволяют получать разные сорта (марки) этих сплавов железа.

Улучшение свойств сплавов

Благодаря сплавлению некоторых металлов и других химических элементов можно получить материалы с улучшенными характеристиками. Так, например, предел текучести чистого алюминия составляет 35 МПа. При получении сплава этого металла с медью (1,6%), цинком (5,6%), магнием (2,5%) этот показатель превышает 500 МПа.

Благодаря соединению в разных соотношениях различных химических веществ можно получить металлические материалы с улучшенными магнитными, термическими или электрическими свойствами. Главную роль в этом процессе играет структура сплава, представляющая собой распределение его кристаллов и тип связей между атомами.

Стали и чугуны

Эти сплавы получаются путем соединения железа и углерода (2%). При производстве легированных материалов к ним добавляются никель, хром, ванадий. Все обычные стали подразделяют на виды:

Малоуглеродистая (0,25 % углерода) используется для изготовления различных конструкций;

Высокоуглеродистая (более 0,55%) предназначена для производства режущих инструментов.

Различные марки легированных сталей применяются в машиностроении и другой продукции.

Сплав железа с углеродом, процентное содержание которого составляет 2-4%, называется чугуном. В состав этого материала входит и кремний. Из чугуна отливают различные изделия, обладающие хорошими механическими свойствами.

Цветные металлы

Помимо железа, для изготовления различных металлических материалов используются и другие химические элементы. В результате их соединения получают цветные сплавы. В жизни людей наибольшее применение нашли материалы на основе:

Меди, называемые латунями. Они содержат 5-45% цинка. Если его содержание составляет 5-20%, то латунь называется красной, а если 20-36%– желтой. Существуют сплавы меди с кремнием, оловом, бериллием, алюминием. Они называются бронзами. Имеется несколько видов таких сплавов.

Свинца, представляющие собой обычный припой (третник). В этом сплаве на 1 часть данного химического вещества припадает 2 части олова. При производстве подшипников применяется баббит, который являет собой сплав свинца, олова, мышьяка и сурьмы.

Алюминия, титана, магния и бериллия, представляющие собой легкие цветные сплавы, обладающие высокой прочностью и отличными механическими свойствами.

Способы получения

Основные способы получения металлов и сплавов:

Литейный, при котором происходит затвердевание однородной смеси разных расплавленных компонентов. Для получения сплавов используют пирометаллургический и электрометаллургический методы получения металлов.

При первом варианте для разогрева сырья используют тепловую энергию, полученную в процессе сгорания топлива. Пирометаллургическим методом получают стали в мартеновских печах и чугуны в домнах.

При электрометаллургическом способе сырье нагревают в индукционных или дуговых электрических печах. При этом сырье расславляется очень быстро.

Порошковый, при котором для изготовления сплава используются порошки его компонентов. Благодаря прессованию им придают определенную форму, а затем спекают в специальных печах.

Металлы используются человеком уже много тысячелетий. По именам металлов названы определяющие эпохи развития человечества: Бронзовый Век, Железный Век, Век Чугуна и т.д. Ни одно металлическое изделие из числа окружающих нас не состоит на 100% из железа, меди, золота или другого металла. В любом присутствуют сознательно введенные человеком добавки и попавшие помимо воли человека вредные примеси.

Абсолютно чистый металл можно получить только в космической лаборатории. Все остальные металлы в реальной жизни представляют собой сплавы — твердые соединения двух или более металлов (и неметаллов), полученные целенаправленно в процессе металлургического производства.

Классификация

Металлурги классифицируют сплавы металлов по нескольким критериям:

Металлы и сплавы на их основе имеют различные физико-химические характеристики.

Металл, имеющий наибольшую массовую долю, называют основой.

Свойства сплавов

Свойства, которыми обладают металлические сплавы, подразделяются на:

Для количественного выражения этих свойств вводят специальные физические величины и константы, такие, как предел упругости, модуль Гука, коэффициент вязкости и другие.

Основные виды сплавов

Самые многочисленные виды сплавов металлов изготавливаются на основе железа. Это стали, чугуны и ферриты.

Сталь — это вещество на основе железа, содержащее не более 2,4% углерода, применяется для изготовления деталей и корпусов промышленных установок и бытовой техники, водного, наземного и воздушного транспорта, инструментов и приспособлений. Стали отличаются широчайшим диапазоном свойств. Общие из них — прочность и упругость. Индивидуальные характеристики отдельных марок стали определяются составом легирующих присадок, вводимых при выплавке. В качестве присадок используется половина таблицы Менделеева, как металлы, так и неметаллы. Самые распространенные из них — хром, ванадий, никель, бор, марганец, фосфор.

Если содержание углерода более 2,4% , такое вещество называют чугуном. Чугуны более хрупкие, чем сталь. Они применяются там, где нужно выдерживать большие статические нагрузки при малых динамических. Чугуны используются при производстве станин больших станков и технологического оборудования, оснований для рабочих столов, при отливке оград, решеток и предметов декора. В XIX и в начале XX века чугун широко применялся в строительных конструкциях. До наших дней в Англии сохранились мосты из чугуна.

Вещества с большим содержанием углерода, имеющие выраженные магнитные свойства, называют ферритами. Они используются при производстве трансформаторов и катушек индуктивности.

Сплавы металлов на основе меди, содержащие от 5 до 45% цинка, принято называть латунями. Латунь мало подвержена коррозии и широко применяется как конструкционный материал в машиностроении.

Если вместо цинка к меди добавить олово, то получится бронза. Это, пожалуй, первый сплав, сознательно полученный нашими предками несколько тысячелетий назад. Бронза намного прочнее и олова, и меди и уступает по прочности только хорошо выкованной стали.

Вещества на основе свинца широко применяются для пайки проводов и труб, а также в электрохимических изделиях, прежде всего, батарейках и аккумуляторах.

Двухкомпонентные материалы на основе алюминия, в состав которых вводят кремний, магний или медь, отличаются малым удельным весом и высокой обрабатываемостью. Они используются в двигателестроении, аэрокосмической промышленности и производстве электрокомпонентов и бытовой техники.

Цинковые сплавы

Сплавы на основе цинка отличаются низкими температурами плавления, стойкостью к коррозии и отличной обрабатываемостью. Они применяются в машиностроении, производстве вычислительной и бытовой техники, в издательском деле. Хорошие антифрикционные свойства позволяют использовать цинковые сплавы для вкладышей подшипников.

Титановые сплавы

Титан не самый доступный металл, он сложен в производстве и тяжело обрабатывается. Эти недостатки искупаются его уникальными свойствами титановых сплавов: высокой прочностью, малым удельным весом, стойкостью к высоким температурам и агрессивным средам. Эти материалы плохо поддаются механической обработке, но зато их свойства можно улучшить с помощью термической обработки.

Легирование алюминием и небольшими количествами других металлов позволяет повысить прочность и жаростойкость. Для улучшения износостойкости в материал добавляют азот или цементируют его.

Металлические сплавы на основе титана используются в следующих областях:

1. 1. • аэрокосмическая;
      • химическая;
      • атомная;
      • криогенная;
      • судостроительная;
      • протезирование.

Алюминиевые сплавы

Если первая половина XX века была веком стали, то вторая по праву назвалась веком алюминия.

Трудно назвать отрасль человеческой жизнедеятельности, в которой бы не встречались изделия или детали из этого легкого металла.

Алюминиевые сплавы подразделяют на:

1. 1. • Литейные (с кремнием). Применяются для получения обычных отливок.
      • Для литья под давлением (с марганцем).
      • Увеличенной прочности, обладающие способностью к самозакаливанию (с медью).

Основные преимущества соединений алюминия:

1. 1. • Доступность.
      • Малый удельный вес.
      • Долговечность.
      • Устойчивость к холоду.
      • Хорошая обрабатываемость.
      • Электропроводность.

Основным недостатком сплавных материалов является низкая термостойкость. При достижении 175°С происходит резкое ухудшение механических свойств.

Еще одна сфера применения — производство вооружений. Вещества на основе алюминия не искрят при сильном трении и соударениях. Их применяют для выпуска облегченной брони для колесной и летающей военной техники.

Весьма широко применяются алюминиевые сплавные материалы в электротехнике и электронике. Высокая проводимость и очень низкие показатели намагничиваемости делают их идеальными для производства корпусов различных радиотехнических устройств и средств связи, компьютеров и смартфонов.

Присутствие даже небольшой доли железа существенно повышает прочность материала, но также снижает его коррозионную устойчивость и пластичность. Компромисс по содержанию железа находят в зависимости от требований к материалу. Отрицательное влияние железа скомпенсируют добавлением в состав лигатуры таких металлов, как кобальт, марганец или хром.

Конкурентом алюминиевым сплавам выступают материалы на основе магния, но ввиду более высокой цены их применяют лишь в наиболее ответственных изделиях.

Медные сплавы

Обычно под медными сплавами понимают различные марки латуни. При содержании цинка в 5-45% латунь считается красной (томпак), а при содержании в 20-35%- желтой.

Благодаря отличной обрабатываемости резанием, литьем и штамповкой латунь — идеальный материал для изготовления мелких деталей, требующих высокой точности. Шестеренки многих знаменитых швейцарских хронометров сделаны из латуни.

Латунь — смесь меди и цинка

Малоизвестный сплав меди и кремния называют кремнистой бронзой. Он отличается высокой прочностью. По некоторым источникам, из кремнистой бронзы ковали свои мечи легендарные спартанцы. Если вместо кремния добавить фосфор, то получится отличный материал для производства мембран и листовых пружин.

Твердые сплавы

Это устойчивые к износу и обладающие высокой твердостью материалы на основе железа, к тому же сохраняющие свои свойства при высоких температурах до 1100 о С.

В качестве основной присадки применяются карбиды хрома, титана, вольфрама, вспомогательными являются никель, кобальт, рубидий, рутений или молибден.

Основными сферами применения являются:

1. 1. • Режущий инструмент (фрезы, сверла, метчики, плашки, резцы и т.п.).
      • Измерительный инструмент и оборудование (линейки, угольники, штангенциркули рабочие поверхности особой ровности и стабильности).
      • Штампы, матрицы и пуансоны.
      • Валки прокатных станов и бумагоделательных машин.
      • Горное оборудование (дробилки, шарошки, ковши экскаваторов).
      • Детали и узлы атомных и химических реакторов.
      • Высоконагруженные детали транспортных средств, промышленного оборудования и уникальных строительных конструкций, таки, например, как башня Бурж — Дубай.

Существуют и другие области применения твердосплавных веществ.