Чем сплавы отличаются от чистых металлов
Elton-zoloto.ru

Драгоценные металлы

Чем сплавы отличаются от чистых металлов

Сплавы металлов

Разработка урока с использованием

технологии критического мышления.

Цели и задачи урока:

1. Учащиеся должны знать особенности состава, строения и свойств сплавов металлов.

2. Систематизировать знания учащихся о металлах, строении атомов и физических свойствах.

3. Выявить черты различия между металлами и сплавами

4. Развивать логическое мышление, умение находить причинно-следственные связи между веществами, их строением и свойствами.

5. Воспитывать коммуникативные навыки.

Периодическая система элементов, кристаллические решетки железа, меди, образцы сплавов, комьютер, проектор, презентация «Сплавы»

1. Стадия вызова.

1. Ответьте на вопросы:

– в чем состоят особенности строения атомов металлов?

– каковы их физические свойства?

– какого типа кристаллические решетки металлов?

– каковы окислительно – восстановительные свойства металлов?

– каковы области применения металлов?

2. Сообщение учащихся о сплавлении металлов с целью улучшения их свойств. История получения первого сплава. Бронза. Бронзовый век.

Запись темы урока на доске, сообщение целей урока

3. Актуализация имеющихся знаний о сплавах.

Задание 1. Самостоятельная работа. Начертите в тетради таблицу и заполните 1 и 2 графы данной таблицы.

Что я знаю о сплавах

Что я хочу узнать

Задание 2. Работа в парах. Перескажите друг другу ваши записи.

Задание 3. Совместная работа учащихся. Отчеты учащихся о результатах работы. Учащиеся не повторяют, а дополняют друг друга.

2. Стадия осмысления новой информации.

1. Самостоятельная работа с новой информацией.

Задание: изучите текст, в ходе работы на полях текста карандашом делайте пометки

! очень ценная информация,

? не очень понятно,

– думал иначе, противоречит моим представлениям

2. Структурная организация информации в памяти. Работа в парах – обсуждение полученных данных

3. Решение задачи на установление состава сплава

4. Защита презентаций учащихся

– некоторые примеры сплавов

– проверка решения задачи

4. Совместная работа учащихся. Систематизация полученных знаний.

В ходе обсуждения составляется опорный конспект темы

3. Стадия размышления (рефлексии).

Задание 1. Заполните графу 3 таблицы.

Задание 2. Ответьте на вопрос: чем сплавы отличаются от чистых металлов?

Задание 3. Продолжите высказывание Сплавы – это…..

4. Задание на дом: пар.

Текст новой информации

Под металлическим сплавом понимают вещество, получаемое сплавлением двух или более элементов с характерными металлическими свойствами. Сплавы даже при сравнительно простой кристаллической структуре часто обладают более высокими механическими и физическими свойствами, чем составляющие их чистые металлы, например твёрдые растворы Cu ‒ Sn ( бронза ) или Fe ‒ C ( чугун , сталь ). Два больших периода истории материальной культуры ‒ бронзовый век и железный век ‒ названы по тем металлам и сплавам, из которых изготовлялись орудия труда, предметы вооружения и пр. Издавна было известно, что свойства сплавов зависят не только от их состава, но и от тепловой (например, закалка ) и механической (например, ковка) обработки. В технике металлические сплавы применяют шире, чем чистые металлы. Сплавы часто обладают очень ценными механическими, технологическими, магнитными и другими характеристиками, которые не свойственны чистым металлам

Получение сплавов. Металлические сплавы получают сплавлением элементов-металлов или металлов с неметаллами при преимущественном содержании металлов. В жидком состоянии большинство металлов растворяется взаимно в любых пропорциях. В технике сплавы обычно получают путем взаимного растворения их составляющих в жидком состоянии. При кристаллизации в процессе охлаждения получаются твердые сплавы. Но из этого правила есть исключения. Например, жидкий свинец почти не растворяется в жидкой меди и в жидком железе. Не растворяются взаимно в жидком состоянии металлы с большой разницей в объемах атомов и температурах плавления.

Строение сплавов . При кристаллизации жидкого сплава могут получаться твердые металлические сплавы с различным строением. 1. Механическая смесь двух чистых металлов А и В получается в том случае, когда в процессе кристаллизации сплава из жидкого состояния разнородные атомы не входят в общую кристаллическую решетку. В механической смеси каждый металл образует самостоятельные кристаллы. Кристаллы каждого из металлов, находящиеся в этом сплаве, имеют то же строение и свойства, которыми они обладают в куске чистого металла.

2. Твердый раствор — сплав, у которого атомы растворимого элемента размещены в кристаллической решетке растворителя. В кристаллах твердого раствора существует только один тип кристаллической решетки. Растворителем является тот элемент, кристаллическую решетку которого имеет твердый раствор. Растворимый элемент может либо замещать элемент-растворитель в узлах кристаллической решетки, либо располагаться в междоузлиях. По типу расположения атомов растворимого элемента в кристаллической решетке твердые растворы делят на две группы: замещения и внедрения. Растворы замещения образуют металлы с металлами Твердые растворы внедрения образуют металлы с неметаллами. Атомы неметаллов меньше атомов металлов. Поэтому атомы неметаллов могут располагаться в междоузлиях кристаллической решетки металлов. Твердые растворы внедрения в металлах дают углерод, бор, азот, водород и другие неметаллы.

3. Химические соединения между металлами могут существовать при избытке одного из компонентов. Химические соединения дают металлы, далеко стоящие друг от друга в периодической таблице элементов и сильно отличающиеся по свойствам. Химические соединения имеют повышенную твердость и пониженную пластичность. Они объясняются сложным строением кристаллической решетки. Характерное отличие химического соединения металлов от твердого раствора заключается в том, что твердый раствор имеет кристаллическую решетку металла-растворителя, а химическое соединение — свою особую кристаллическую решетку.

Многообразие сплавов. Современные промышленные сплавы ‒ основная часть конструкционных материалов . При этом 95% мировой металлопродукции составляют сплавы на основе железа ‒ самого дешёвого и доступного металла (сталь, чугун, ферросплавы ).

Большое число всевозможных сплавов требует их классификации. Сплавы классифицируют:

1. По составу : а) по числу компонентов ‒ на двойные , тройные и т. д.;

б) по числу фаз ‒ на однофазные (твёрдый раствор или интерметаллид) и многофазные (гетерофазные), состоящие из двух и более фаз.

2. По практическому получению и применению принята следующая классификация

а) по металлам ‒ сплавы чёрных металлов и сплавы цветных металлов – алюминиевые сплавы , железные сплавы , никелевые сплавы и т. П., либо по добавленным в небольших количествах и придающим особо ценные свойства легирующим компонентам (бериллиевая бронза, ванадиевая, вольфрамовая стали);

б) по применению – конструкционные для изготовления конструкций или инструментальные для изготовления инструментов

в) свойствам ‒ антифрикционные, жаропрочные, жаростойкие, износостойкие, лёгкие и сверхлёгкие, легкоплавкие, химически стойкие и многие другие, а также

в) по технологии изготовления изделий ‒ на литейные (отливка жидких сплавов в формы); деформируемые (в холодном или горячем состоянии путём ковки, прокатки, волочения, прессования, штамповки); полученные методами порошковой металлургии (см. Спечённые материалы ).

Для обозначения качественного состава сплавы маркируются. Например, бериллиевая бронза Бр. Б2, нержавеющая хромоникелевая сталь X18H9. Кроме того, многие сплавы имеют названия, связанные с различными их признаками: составом (например, нихром ), особыми свойствами (например, инвар , константан ). Сплавы называют и по фамилиям изобретателей ( Вуда сплав).

Сталь и всё о стали

Ещё один сайт на WordPress

Рубрики

Свежие записи

Архивы

Чистые металлы и главнейшие сплавы

Эти металлы отнесены к группе низкоплавких и удельнотяжелых, так как они имеют следующие температуры плавления и удельные веса. Каждый из этих металлов маркируется по степени загрязненности примесями. Они отличаются низкими, механическими свойствами и в практике, за некоторым исключением, не находят применения как конструкционный материал.

Из сплавов следует отметить лишь следующие:

1) сплавы для отливок под давлением, чаще всего на цинковой основе, содержащие Sn (до 5-10%) или А1 (4-12%), иногда с другими легирующими добавками. Эти сплавы, не отличающиеся также большой прочностью и твердостью, удобны по своим литейным качествам и позволяют легко получать отливки самой сложной формы на изделия и части машин и приборов, не подвергаемых большим усилиям в работе (швейные, пишущие машины и т. п.);

2) сплавы антифрикционные (подшипниковые).

Антифрикционными называют сплавы, применяемые для изготовления деталей, непосредственно соприкасающихся с трущимися- частями механизмов, и по своей структуре способствующие уменьшению трения в деталях. Чаще всего эти сплавы идут на вкладыши подшипников, поэтому и называются подшипни ко-в ы м и сплавами.

По составу подшипниковые сплавы бывают самые разнообразные. Их можно разделить на две группы:

Цветные металлы и сплавы

1) высокоплавкие сплавы, из которых вкладыши подшипников получаются путем выточки на станках (например, антифрикционные бронзы, чугуны);

2) низкоплавкие сплавы, применяемые для заливки вкладышей подшипников; эти сплавы называются баббитами (по имени изобретателя, впервые предложившего подобный тип сплавов).

Наиболее применимы баббиты на оловянной и свинцовой основах. Из оловянных наибольшую известность получил сплав марки Б83. 1 В этом сплаве 83% Sn, 11% Sb и 6% Си, и он считается наилучшим из подшипниковых сплавов по своим качествам и структуре.

Структура подшипникового сплава (согласно «правилу», установленному Шарли) должна представлять собой твердые включения средних размеров, в определенном количестве, равномерно рассеянные в относительно мягкой и пластичной основе. Полагают, что при этом мягкая основа хорошо «прирабатывается» к трущейся поверхности, не истирая ее, а твердые включения не позволяют ей прилипать к поверхности и вместе с тем создают капиллярные ходы для смазочного материала.

На фиг. 228 приведена структура баббита Б83. Здесь темное основное поле представляет твердый раствор сурьмы (и меди) в олове; в нем равномерно рассеяны светлые кубики — соединение 2 SnSb — и наряду с ними светлые звездочки и иголочки (дендриты медного соединения с оловом Cu3Sn)3.

Основной твердый раствор, близкий по составу к олову, сходен с Последним и по свойствам, представляя мягкую и вязкую пластичную фазу, однако более прочную и твердую, чем чистое олово. Соединения SnSb и Cu8Sn являются, наоборот, относительно твердыми фазами. Таким образом, в данном сплаве структура вполне согласуется с указанным выше правилом Шарли.

Читать еще:  Как почистить золото с помощью перекиси водорода

Так как при этом необходимо, чтобы твердые включения обязательно равномерно располагались в мягкой массе и имели размеры не очень крупные, но и не слишком мелкие, а это достигается лишь в определенных условиях отливки, то для получения надлежащих качеств сплава для

1 В технике он известен также под названием сплава Шарпи.

2 Точнее, это не само соединение, а его твердый раствор, обозначаемый как фаза

3 Относительно состава этих включений нет определенности; указывают на составы Cu.;,Sn, CuMSn8 и др. Не вполне установлен также и состав SnSb. вкладыша в подшипнике недостаточно иметь только правильный химический состав, но необходимо позаботиться и о соответствующих условиях его заливки и охлаждения.

Кроме надлежащей структуры, от баббита требуется, чтобы он удовлетворял следующим условиям:

1) обладал известной легкоплавкостью, потому что наилучший способ его применения — это заливка непосредственно в подшипник; однако плавкость антифрикционного сплава не должна быть и очень низка, чтобы сплав не размягчался и тем более не расплавлялся при обычном незначительном разогревании в шейке во время работы;

2) легко переплавлялся и при этом не изменял своего состава от выгорания составляющих;

3) при заливке сплав должен легко прилипать (припаиваться) к стенкам подшипника;

4) желательно, чтобы сплав имел хорошую теплопроводность и значительное сопротивление сжатию, износу и коррозионным воздействиям.

Этим требованиям сплав Б83 удовлетворяет в наибольшей степени. Но недостатком его является дороговизна, обусловленная большим содержанием дефицитного олова. Это ограничивает его применение в практике и приводит к замене Sn более дешевым металлом — Pb.

Свинцовые баббиты: Практика, а также ряд исследований показали, что при замене части олова свинцом получаются баббиты, хотя и несколько худшие, но все же вполне применимые для тех или иных случаев практики. В разных странах приняты различные составы подобных оловянно-свинцовых баббитов.

У нас имеются, например, свинцово-сурьмянистые баббиты с 16% Sn (Б16), с 6% Sn (Б6) и, наконец, совсем без олова, относящиеся к простой системе Pb-Sb (диаграмма 30, приложение II), где основу составляет богатая свинцом (87%) эвтектика, а выделения — твердые кристаллики сурьмы.1 Присутствие меди и здесь преследует главную цель — уменьшить ликвацию выделением игл соединения CuSb2.

Структура такого сплава с 17% Sb отвечает заэвтектическому сплаву с небольшими выделениями-сурьмы, как твердой составляющей, рассеянными на мягкой массе эвтектики.

Присутствием этой явно выраженной эвтектики свинцовые баббиты отличаются от оловянных по структуре; в остальном же структура их сходна, так как сурьма в свинцовых сплавах выделяется в таком же виде, как соединение SnSb в оловянных (Б83). Кроме того, и здесь наблюдаются скелетные выделения в виде иголок (палочек); только эти соединения представляют не CusSn, a CuSb2. Присутствие этих медистых соединений, как и в оловянных

Точнее, твердого раствора на основе сурьмы, баббитах, кроме повышения твердости сплава, влияет благоприятно на уменьшение ликвации по удельному весу, которая в этих сплавах легко получается при отсутствии меди.

Описанный свинцовый баббит наиболее дешев, но и наименее качественен; пригоден для применения лишь при малых нагрузках и скоростях. Прочие свинцовые баббиты с малым количеством олова (Б 16 и др.) лучше, но все же применяются преимущественно в неответственных случаях. Для повышения их качества как антифрикционных сплавов к ним прибавляют As.Cd, Ni, Р и др. Эти баббиты известны под различными названиями («бондрат», «термит» и т. п.).

Кроме указанного класса баббитов на свинцовой основе с добавкой Sb в качестве главного компонента, существует еще класс так называемых щелочноземельных баббитов, в которых к свинцу добавляются щелочноземельные элементы — Са, Ва, Sr, обычно в количестве не более 1-2%.

Эти элементы образуют со свинцом твердые химические соединения (Pb3Ca, PbsBa и др.), которые и являются твердой составляющей, рассеянной на мягкой основе — почти чистом свинце. Чтобы последний сделать несколько более твердым, к нему добавляют обычно натрий в количестве нескольких десятых процента. Например, марка одного из подобных баббитов, называемого кальциевым (БК), содержит 0,75-1,1% Са и 0,6-0,9% Na.

Структура подобного сплава показана на фиг. 230, где белые включения — соединения РЬ3Са, а темная основная масса — свинец, содержащий в себе растворенный натрий.

Существует множество подобных свинцово-щелочноземельных сплавов под различными названиями.

Здесь к свинцу добавляется вообще незначительное количество прочих элементов, поэтому эти сплавы недороги. Вместе с тем по качеству в некотором отношении они не уступают свинцово-сурь-мянистым и даже оловянным, например, по твердости и стойкости при нагреве. Поэтому щелочноземельные баббиты находят большое применение в практике (особенно в железнодорожной технике).

Главный их недостаток — малая стойкость против коррозии на воздухе, а при расплавлении — сильная окисляемость и выгорание щелочноземельных добавок; вследствие этого при переплавке и заливке ими подшипников рекомендуется несколько повышать содержание выгораемых примесей против нормального.

Прочие подшипниковые сплавы. С недавнего времени большое практическое значение в качестве антифрикционных приобрели алюминиевые сплавы разнообразного состава. Наибольшую известность получили сплавы алюминия с медью, никелем и с железом.

Эти сплавы, помимо своей легкости и дешевизны, отличаются от прочих подшипниковых сплавов малой склонностью к саморазогреванию в работе. По сравнению с оловянными и свинцовыми баббитами они имеют большую прочность и способность выдерживать более высокие нагрузки в работе, уступая в этом лишь бронзовым сплавам.

Недочетами алюминиевых баббитов являются их большая усадка и значительная разница в коэффициенте расширения при нагревании по сравнению со сталью. Вкладыши из этих сплавов иногда можно получать не только заливкой, но и путем штамповки и вырезки из предварительно прокатанной заготовки. В качестве подшипникового сплава применяют и силумины с повышенным содержанием Si (12-20%).

Сплавы металлов

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:

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

Виды сплавов по их основе

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.

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.

Область применения титановых сплавов

Металлические сплавы на основе титана используются в следующих областях:

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:

      • 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:

      • 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.

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:

      • 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.

Сплавы металлов. Основные сплавы металлов. Свойства металлов и сплавов

Металлургия в нашей жизни занимает исключительно важную роль. Нет, далеко не каждый из нас принадлежит к славному сословию сталеваров, но мы ежедневно сталкиваемся с изделиями из металлов. Как правило, сделаны они из самых разнообразных сплавов. Кстати, а что это такое?

Основные определения

Нужно четко понимать, что сплавы металлов в большинстве случаев образуются вообще без участи человека. Дело в том, что получить абсолютно чистый с химической точки зрения материал можно только в лаборатории. В любом металле, который используется в бытовых условиях, наверняка есть следы другого элемента. Классический пример – золотые украшения. В каждом из них есть определенная доля меди. Впрочем, в классическом смысле под этим определением все равно понимают соединение двух и более металлов, которое было целенаправленно получено человеком.

Вся история человека является отличным примером того, как сплавы металлов оказались способны оказать огромное влияние на развитие всей нашей цивилизации. Не случайно есть даже длительный исторический период, который называется «Бронзовый век».

Общие характеристики сплавов металлов

А сейчас мы рассмотрим общие свойства металлов и сплавов, которыми те характеризуются. Их же очень часто можно встретить в специализированной литературе.

Способность сплава противостоять механическим нагрузкам и противиться разрушению.

Свойство, которое определяет сопротивляемость материала попыткам внедрить в его толщу деталь из другого сплава или металла.

Способность к восстановлению начальной формы после приложения значительного механического усилия, нагрузки.

Напротив, это свойство, характеризующее возможность изменения формы и размером под действием приложенного усилия, механической нагрузки. Кроме того, это оно же характеризует способность детали сохранять вновь приобретенную форму на протяжении длительного времени.

— способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) нагрузкам

Вот какими качествами характеризуются сплавы металлов. Таблица поможет вам в них разобраться.

Сведения о производстве

К примеру, анализ металлов и сплавов показывает, что древние индийцы овладели удивительным для своего времени уровнем обработки металла. Они даже начали создавать сплавы с использованием тугоплавкого цинка, что и в наше время является довольно-таки трудоемкой и сложной процедурой.

На сегодняшний день для этих целей довольно широко используется также порошковая металлургия. Особенно часто этим методом обрабатывают черные металлы и сплавы на их основе, так как в этом случае зачастую требуется максимальная дешевизна как самого процесса, так и выпускаемой продукции.

Распространение сплавов в современной промышленности

Следует заметить, что все металлы, которые интенсивно используются современной промышленностью, являются именно сплавами. Так, более 90% всего получаемого в мире железа идет на изготовление чугунов и различных сталей. Объясняется такой подход к делу тем, что сплавы металлов в большинстве случаев демонстрируют лучшие свойства, нежели чем их «прародители».

Так, предел текучести чистого алюминия составляет всего лишь 35 Мпа. А вот если в него добавить 1,6% меди, магния и цинка в соотношении 2,5% и 5,6% соответственно, то этот показатель может легко превысить даже 500 МПа. Кроме прочего, можно значительно улучшить свойства электропроводности, теплопроводности или другие. Никакой мистики в этом нет: в сплавах строение кристаллической решетки изменяется, что и позволяет приобретать им прочие свойства.

Проще говоря, количество такого рода материалов в наши дни велико, но оно постоянно продолжает расти.

Основные классификационные сведения

В общем-то, никаких особенных сложностей здесь нет: соединения, в которых использованы цветные металлы и сплавы на основе железа. Ниже мы разберем обе этих категории на примере основных видов, а также обсудим сферы их применения в современной промышленности и на производстве.

Стали

Мы уже говорили, что механические свойства металлов и сплавов сильно отличаются, но в случае этих материалов нередко противоположными качествами обладают даже различные виды сталей, отчего сферы их применения сильно расходятся.

Если в материале менее 0,25% углерода, то он используется в каких-то технических конструкциях. Если же в стали более 0,55% углерода, то она идеально подходит для производства различных высококачественных режущих инструментов, в том числе резцов для токарных станков, сверл и хирургических принадлежностей. Но если речь идет о приспособлениях, которые применяются для быстрой резки, то на их производство идет исключительно легированная сталь.

Чугун

Если в сплаве железа содержится более 3-4% углерода, то он называется чугуном. Кроме того, его важным элементом является кремний. Из чугуна изготавливается масса деталей и готовых изделий. К примеру, блоки двигателей для автомобилей. В случае качественно сделанной отливки без полостей и каверн, изделие обладает впечатляющей механической прочностью. В этой связи стоит вспомнить хотя бы пушки 14-15 века, которые нередко выдерживали трех-четырехкратное увеличение порохового заряда.

Конечно же, применение металлов и сплавов никогда не ограничивалось исключительно военной отраслью, но зачастую получалось так, что именно эта отрасль промышленности постоянно находила новые методы обработки металла, двигая вперед всю цивилизацию.

Медные сплавы

Чаще всего под этим термином понимаются разные сорта латуни. Это такие сплавы меди, в которых содержится от 5 до 45% цинка. Если его содержание колеблется в пределах 5-20%, то это красная латунь (томпак). Если же в материале содержится уже 20–36% Zn, то это – желтая латунь.

Эти материалы идеальны в случае необходимости производства и формовки мелких деталей. Малоизвестно, но сплав меди с кремнием носит название кремнистой бронзы и обладает большой механической прочностью. Практически тем же характеризуется фосфористая разновидность (к меди прибавляется 5% олова и некоторое количество фосфора). Как и в прошлом случае, отличается высокой прочностью и пружинистыми качествами, а потому идеальна для изготовления мембран и разного рода пружин.

Сплавы свинца

Наиболее известен в настоящее время обычный припой, который изготавливается из одной части свинца и двух частей олова. Как видно из названия, он используется для пайки деталей. Применяется в радиотехнике и прочих технических отраслях. Из сурьмы и свинца делают сплавы, которые используются для изготовления оболочек разного рода кабелей.

Давно известно, что соединения этого металла с кадмием, висмутом или оловом могут плавиться приблизительно при температуре 70 градусов по шкале Цельсия. Именно поэтому сегодня из них делают различные предохранители в системах автоматического пожаротушения.

Как ни странно, но свинец издавна был известен поварам и рестораторам, так как из него нередко делали столовую посуду и приборы. Сплав, который использовался для этого, называется пьютер. В его состав входит приблизительно 85–90% олова. Оставшиеся 10-15% как раз-таки занимает свинец (стандартный сплав двух металлов).

Техники также наверняка знакомы с баббитами. Это также соединения на основе свинца, в состав которых также входит олово, а также мышьяк и сурьму. Эти сплавы весьма ядовиты, но из-за некоторых особых качеств их активно используют в подшипниковой отрасли промышленности.

О легких сплавах

Как мы уже говорили, свойства металлов и сплавов отличаются тем, что у вторых во многих случаях характеристики выше. Особенно это заметно в отношении современной промышленности. В последние годы ей требуется огромное количество легких сплавов, которые обладают повышенной механической прочностью, а также устойчивостью к воздействиям неблагоприятных факторов внешней среды и высокой температуре.

Чаще всего для их производства используется алюминий, бериллий, а также магний. Особенно востребованы соединения на основе алюминия и магния, так как сфера их возможного применения чрезвычайно широка.

Сплавы на основе алюминия

Какими они бывают?

Делятся сплавы алюминия сразу на три большие группы:

  • Литейные (Al – Si). Особенно широко они распространены в автомобилестроении и военной промышленности.
  • Сплавы, предназначенные для литья под давлением (Al – Mg).
  • Соединения повышенной прочности, самозакаливающиеся (Al – Cu).

Достоинства и недостатки этого материала

Многие сплавы из этого материала экономичны, сравнительно недороги и весьма долговечны, так как не поддаются коррозии. Отличаются высокой прочностью в условиях экстремально низких температур (аэрокосмические отрасли) и весьма простым процессом обработки. Для их формовки не требуется особенно сложного и дорогостоящего оборудования, так как они сравнительно пластичные и вязкие (смотрите таблицу с характеристиками).

Увы, но есть у них и свои недостатки. Так, при температурах выше 175 °С механические свойства алюминия и сплавов на его основе начинают стремительно ухудшаться. Зато благодаря наличию амальгамы на их поверхности (защитной пленки из гидроксида алюминия) они обладают выдающейся устойчивостью к действию агрессивных химических сред, в том числе кислот и щелочей.

Они имеют отличную электропроводность и теплопроводность, немагнитны. Считается, что они абсолютно безвредны для здоровья человека, а потому их можно использовать для производства пищевой посуды и столовых принадлежностей. Впрочем, последние исследователи медиков все же говорят о том, что соединения алюминия в некоторых случаях могут провоцировать развитие болезни Альцгеймера.

Военные полюбили эти материалы за то, что они не дают искр даже при резких механических воздействиях и ударах. Кроме того, они отлично поглощают ударные нагрузки. Проще говоря, некоторые эти сплавы металлов (состав которых чаще всего засекречен) активно используются для производства легкой брони для оснащения ей разнообразных БТР, БМП, БРДМ и прочей техники.

Благодаря всем этим свойствам сплавы на основе повсеместно используют для производства поршней для двигателей внутреннего сгорания, а также в производстве строительных конструкций (устойчивость к коррозии). Широко используется алюминий и материалы на его основе в производстве отражателей для светотехнических представлений, электропроводки, а также для изготовления корпусов разнообразной техники (не намагничивается).

Ослабить негативное действие примесей железа помогает кобальт, хром или марганец. Если же в состав сплава входит литий, то получается весьма прочный и упругий материал. Неудивительно, что такое соединение пользуется большой популярностью в авиакосмической промышленности. Увы, но сплавы лития с алюминием имеют неприятное свойство, которое опять-таки выражается в плохой пластичности.

Подведем некоторые итоги. Получается, что основные сплавы металлов в космонавтике, авиации и прочих высокотехнологичных отраслях, имеют в своем составе алюминий. В общем-то, именно так и обстоят дела на сегодняшний день, но нередко в современной промышленности используется магний и его сплавы.

Сплавы магния

Они имеют крайне невысокую массу, а также характеризуются весьма впечатляющей прочностью. Кроме того, именно эти материалы великолепно подходят для литейной промышленности, а заготовки прекрасно поддаются токарной и фрезеровочной обработке. А потому их активно используют в производстве ракет и авиационных турбин, корпусов приборов, дисков автомобильных колес, а также некоторых сортов броневой стали.

Некоторые разновидности этих сплавов отличаются великолепными показателями вязкостного демпфирования, а потому они идут на производство деталей и конструкций, которым приходится работать в условиях экстремально высокого уровня вибраций.

Достоинства и недостатки магниевых сплавов

Они довольно мягкие, сравнительно неплохо сопротивляются износу, но отличаются не слишком впечатляющей пластичностью. Зато они отличаются прекрасной приспособленностью к формовке в условиях высоких температур, отлично приспособлены для соединения с использованием всех существующих разновидностей сварок, а также могут быть соединены посредством болтовых соединений, клепки и даже склеивания.

Увы, но все эти сплавы не отличаются особенной стойкостью к воздействию кислот и щелочей. Крайне негативно на них воздействует долгое пребывание в морской воде. Впрочем, магниевые сплавы на удивление стабильны в условиях воздушной среды, так что многими их недостатками можно пренебречь. Если же требуется надежно защитить такие детали от действия коррозии, то применяют нанесение хромового покрытия, анодирование или подобные же методы.

Их можно плакировать при помощи никеля, меди или хрома, предварительно погружая в расплав химически чистого цинка. При такой обработке резко возрастают показатели их прочности и устойчивости к истиранию. Нужно напомнить, что магний является довольно-таки активным с химической точки зрения металлом, а потому при работе с ним необходимо соблюдать хотя бы базовые меры безопасности.

§ 273. Сплавы

В технике почти никогда не применяют чистых металлов, т. е. металлов, состоящих из атомов только одного элемента (например, железа). Почти всегда металлические изделия состоят из различных сплавов металлов с металлами или с неметаллическими элементами. Например, большое значение в технике имеют всевозможные стали — сплавы железа, углерода и других элементов (хрома, вольфрама, марганца и многих других); широко употребляется латунь (сплав меди и цинка). В самолетостроении широко используются сплавы алюминия или магния с рядом элементов (медью, железом, цинком и др.), очень легкие и вместе с тем прочные.

Причина распространенности сплавов заключается в ряде их преимуществ перед чистыми металлами. Прежде всего, сплавы почти всегда прочнее металлов, из которых они состоят (заметим, что чистое железо называют «мягким»). Сплавы нередко плавятся при более низкой температуре, чем составляющие их металлы. Например, олово плавится при , свинец — при , а сплав олова со свинцом— около .

Современная техника располагает множеством сплавов, технологические свойства которых сильно отличаются от свойств чистых металлов, благодаря чему удается удовлетворить самым разнообразным требованиям практики. Есть сплавы, почти столь же твердые, как алмаз; существуют весьма упругие сплавы; сплавы, сочетающие легкость и прочность (дюрали); сплавы, не окисляющиеся не только при соприкосновении с водой, но даже при соприкосновении с кислотами (нержавеющие стали); сплавы, не изменяющиеся при накаливании докрасна (жаростойкие); сплавы с очень большим электрическим сопротивлением (нихром) или со специальными магнитными свойствами; сплавы, почти не расширяющиеся при нагревании (инвар), и т. д.

Отметим, что и так называемые чистые металлы всегда содержат в себе небольшое количество примесей, удаление которых крайне затруднительно. Поэтому чистые металлы можно рассматривать как сплавы с очень большим преобладанием одного из составляющих металлов. Между тем даже ничтожные количества примесей иногда резко меняют свойства металлов. Например, присутствие небольших количеств серы или фосфора в стали или чугуне делает их ломкими, присутствие примесей в меди резко понижает ее электропроводность, и т. д.

Что же представляют собой сплавы и почему их свойства разнятся от свойств составляющих их элементов? На этот вопрос нельзя дать общего ответа, так как сплавы могут иметь весьма различное, иногда очень сложное строение, в особенности если между элементами, его составляющими, возможны химические соединения.

Иногда при затвердевании сплава из него выделяются мелкие кристаллики чистых металлов, тесно перемешанные между собой (рис. 455). Рост кристалликов в этой смеси затруднен присутствием кристалликов другого металла. А мы уже знаем, что мелкокристаллическое состояние металла является причиной повышенной прочности его.

Рис. 455. Шлиф поверхности латуни (сплав меди и цинка) при большом увеличении. Видны черные кристаллики меди вперемежку с серыми кристалликами цинка

Отметим, что кристаллики в металле всегда разделены очень тонкими прослойками (рис. 456). Эти прослойки имеют совсем иные физические свойства, чем сами кристаллики. Физические свойства металла определяются одновременно свойствами и кристалликов и прослоек. Например, слишком малая прочность прослоек привела бы к тому, что металл рассыпался бы в порошок. Обычно прослойки прочнее самих кристалликов, и излом металла происходит по кристалликам, а не по границам между ними.

Рис. 456. Шлиф поверхности алюминия. Черные тонкие линии — следы прослоек между кристалликами

Так как кристаллики состоят из чистых металлов (или из химических соединений их), то в прослойках скопляются неметаллические примеси к металлу. Вследствие тонкости прослоек достаточно ничтожного количества примеси, чтобы резко изменить свойства прослоек, а вместе с тем и всего металла. Таким образом, можно объяснить, например, почему примеси серы к железу столь вредны.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector