Металлы и их сплавы
Обновлено: 28.04.2024
При конструировании и изготовлении машин и приборов, организации их эксплуатации и ремонта инженер в повседневной работе сталкивается с конструкционными материалами и их использованием.
Материаловедение – наука, изучающая связь между составом, структурой и свойствами материалов и изучающая их изменения при внешних воздействиях (тепловом, механическом, химическом, электромагнитном и радиоактивном).
Задача материаловедения – установление закономерностей взаимосвязи структуры и свойств материалов для того, чтобы целенаправленно воздействовать на них при переработке в изделия и эксплуатации, а также для создания материалов с заданным сочетанием свойств и прогнозирования срока службы материалов.
Различают две основные группы материалов:
металлы и их сплавы
Металлы и сплавы разделяют на черные и цветные.
К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе: сталь и чугун.
К цветным относятся все остальные металлы: Al, Cu, Ti, Mg, Pb, Sn, Ni.
Из всех металлов и сплавов наиболее важную роль в машиностроении играет сталь. Доля производства стали составляет 95 % всех металлических материалов. При сравнительно низкой стоимости сталь характеризуется высокой прочностью, пластичностью и вязкостью в сочетании с хорошими технологическими свойствами. Из других металлов наиболее развивается производство алюминия и его сплавов. Содержание железа в земной коре составляет 4,6 %, а алюминия – 8.8 %., т.е. почти в 2 раза больше. Хотя объем производства других металлов и сплавов существенно меньше, без их применения было бы невозможно создание таких отраслей современной техники, как электро-, радио-, приборостроение, авиация, атомная, ракетно-космическая техника.
Кроме того, все цветные металлы, применяемые в технике, в свою очередь, делятся на следующие группы:
• легкие металлы Mg, Be, Al, Ti с плотностью до 5 г/см 3 ;
• тяжелые металлы Pb, Mo, Ag, Au, Pt, W, Та, Ir, Os с плотностью, превышающей 10 г/см 3 ;
• легкоплавкие металлы Sn, Pb, Zn с температурой плавления 232; 327; 410 °С соответственно;
• тугоплавкие металлы W, Мо, Та, Nb с температурой плавления выше, чем у железа (> 1536 °С);
• благородные металлы Au, Ag, Pt с высокой устойчивостью против коррозии;
• урановые металлы или актиноиды, используемые в атомной технике;
• редкоземельные металлы (РЗМ) – лантаноиды, применяемые для модифицирования стали;
• щелочные и щелочноземельные металлы Na, К, Li, Ca в свободном состоянии применяются в качестве жидкометаллических теплоносителей в атомных реакторах; натрий также используется в качестве катализатора в производстве искусственного каучука, а литий – для легирования легких и прочных алюминиевых сплавов, применяемых в самолетостроении.
2) неметаллические материалы (пластмасса, резина, керамика, стекло, клей, лакокрасочные покрытия, древесина, ткань и др.) в качестве конструкционных материалов служат важным дополнением к металлам, в ряже случаев с успехом заменяют их, а иногда неметаллические материалы сами являются незаменимыми (обувь, одежда,…). Достоинством неметаллических материалов является сочетание требуемого уровня химических, физических и механических свойств с низкой стоимостью и высокой технологичностью при изготовлении изделий сложной конфигурации. Трудоемкость при изготовлении изделий из неметаллических материалов в 5-6 раз ниже, и они в 4-5 раз дешевле по сравнению с металлическими. В связи с этим непрерывно возрастает использование неметаллических материалов в пищевой, торговой, холодильной и криогенной технике.
История развития науки о металлах. В основе любой цивилизации лежит развитие металлургии. Не случайно первые сведения о металлах мы находим у Геродота в V веке до н.э. и у Платона в IV веке до н.э.
На заре своего существования человек сталкивался главным образом с камнем. Но однажды он нашел ярко окрашенный кусок медной руды. Человек быстро понял преимущества металла перед камнем, и открытия пошли один за другим. Самые первые металлические орудия человек изготовил именно из самородной меди в Египте в V тысячелетии до н.э. Несколько позже появилась бронза – сплав меди с оловом и другими металлами. Медь и бронза долгое время были самыми распространенными металлами. Целая эпоха в развитии человечества называлась бронзовым веком. Археологи до сих пор находят такие бронзовые изделия, которые смущают даже современных металлургов (как были изготовлены эти предметы). А что, если это достижения какой-то еще неизвестной нам и давно погибшей цивилизации?
Железо пришло на смену бронзе и вызвало бурное развитие общества. Железооткрыли и быстро освоили на рубеже II и I тысячелетий до н.э. в Восточной Европе, Азии, Африке. А может быть и значительно раньше. В Австралии обнаружен метеорит возрастом несколько миллионов лет. Гвоздь длиной 18 см, обнаруженный в Перу, по мнению ученых, был изготовлен несколько десятков тысячелетий назад. По распространенности в природе железо занимает второе место после алюминия. Земная кора содержит 5 % железа. Однако в самородном состоянии оно встречается крайне редко, так как легко окисляется. Были времена, когда оно ценилось значительно дороже золота. При раскопках гробницы египетского фараона Тутанхамона был обнаружен золотой перстень, на котором знак божества был изготовлен из железа. Позднее из него стали делать обручальные кольца. По мере развития металлургии этот металл становился доступнее. Выработка железа росла очень быстро, и к началу нашей эры оно из «благородных» металлов превратилось в обычный. Сегодня железо – самый распространенный, самый дешевый металл. Нет другого конструкционного материала, который использовался бы так широко и на земле, и на воде, и в космосе.
Много веков знакомы металлы человеку и верно служат ему.… Без них мы сегодня себя не представляем. До М.В. Ломоносова были известны 7 металлов. «Семь металлов создал свет по числу семи планет», - говорили наши предки, а алхимики считали, что у каждого металла есть своя планета. Золото будто бы представлено на небесах Солнцем, серебро – Луною, медь связана тесными узами с Венерой, железо – с Марсом.
К 1788 году их список пополнился до 17 наименований. В первой половине 19 века были открыты щелочные и щелочно-земельные , а затем редкоземельные , радиоактивные и многие другие металлы. Из известных сегодня химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева 4/5 являются металлами (это 80 наименований металлов).
В нашей стране, как многим уже известно, наиболее интенсивно металлургия начала свое развитие в эпоху Петра I на Урале. Особым спросом пользовалось во многих странах Демидовское железо. Пока железо все еще остается основой металлургии и машиностроения, судостроения и транспорта. Но в последнее время у железа появилось много конкурентов: и алюминий, и ванадий, и бериллий, и титан. Широко используются (в первую очередь в авиастроении) сплавы на основе алюминия и магния. Высокий комплекс механических свойств позволяет использовать титановые сплавы в ракетной технике, для приборов, аппаратов и инструмента, используемого в медицинской технике, оборудования химической и нефтехимической промышленности. Недалеко время, когда металлы будут выплавляться и обрабатываться в космосе, а сырьем будет служить рудное сырье с луны и астероидов. (Лунные породы, например, оказались богаты торием, титаном, цирконием, иттрием.)
Длинный и сложный путь к прогрессу прошел человек. От каменного топора к меди и бронзе, к железу и металлам космической эры. Многие открытия еще впереди.
Сегодня мы знаем о металлах много, но далеко не все. Каждый из них обладает своими признаками, особенностями. В дальнейшем нам придется познакомиться с наиболее часто используемыми в машиностроении материалами-металлами.
Металлы и их сплавы
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 обработке. 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, алюминия 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, упругие 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.).
Какие бывают виды металлов и сплавов?
Металлы окружают нас повсюду: их них сделаны автомобили, каркасы домов, бытовая техника, смартфоны и многие другие изобретения человечества. Но много ли мы о них знаем? Первое, что нужно знать о металлах — это то, что они делятся на черные и цветные. Из этих разновидностей металлы разделяются еще на несколько больших групп, в зависимости от их свойств. Давайте сразу же перейдем к конкретике. В этом материале мы вкратце разберемся, по каким признакам металлы разделяются по разным группам и в каких отраслях они применяются.
На сегодняшний день науке известно более 90 видов металлов и все они используются в самых разных сферах
Характеристика металлов
Металлы — это группа из более 90 простых веществ из периодической таблицы Менделеева. В природе они редко обнаруживаются в чистом виде, поэтому их чаще всего добывают из руды. Так называют вид полезных ископаемых, которые представляют собой соединение нескольких химических компонентов, вроде минералов и тех же самых металлов. Металлам характерны несколько свойств, по которым их разделяют по группам:
- твердость — сопротивление к проникновению в материал другого, более твердого тела;
- прочность — стойкость к разрушению под воздействием внешней нагрузки;
- упругость — изменение формы материала под воздействием внешних сил и восстановление ее после того, как эти силы перестают на нее воздействовать;
- пластичность — изменение формы материала под внешним воздействием и сохранение ее после устранения этого воздействия;
- износостойкость — сохранение хорошего внешнего вида и физических свойств материала после сильного трения;
- вязкость — способность материала вытягиваться под воздействием внешних сил;
- усталость — свойство материала выдерживать многократные нагрузки;
- жароустойчивость — сопротивление окислительным процессам при нагревании до высоких температур.
Недавно ученые создали улучшенный алюминиевый сплав 6063, который уничтожает бактерии. Считается, что из него можно будет изготавливать ручки дверей больниц и других общественных мест.
Черные металлы
Три главные особенности черных металлов: большая плотность, высокая температура плавления и темная окраска. Так как с черными металлами в чистом виде тяжело работать, в них добавляют легирующие компоненты — примеси для изменения физических и химических свойств основного материала.
Чтобы придать черным металлам форму, их сначала нагревают до высоких температур, а потом прессуют
Черные металлы делятся на 5 подгрупп:
Железные металлы
К ним относятся кобальт, никель и марганец. Они применяются как добавки к железу — чаще всего, из сплавов получают прочную сталь, которая используется в изготовлении различных деталей для крупной техники, ножей и других изделий.
Из стали изготавливаются прочные и красивые ножи причем не только кухонные
Тугоплавкие металлы
К этой подгруппе относятся ниобий, молибден, вольфрам и рений. Их общей чертой является то, что ох температура плавления выше, чем у железа — то есть, составляет более 1539 градусов Цельсия. Из них, как правило, изготавливают детали для техники и нити накаливания для различных лампочек.
Нити накаливания в лампочках, как правило, сделаны из вольфрама
Урановые металлы
В эту группу входят уран, калифорний и другие радиоактивные металлы. Они используются исключительно в отрасли атомной энергетики.
В древние времена уран использовался для изготовления желтой посуды
Редкоземельные металлы
В эту классификацию входят лаптан, празеодим, неодим и другие металлы. Все они серебристо-белого цвета и имеют практически полностью одинаковые химические свойства. Свое название редкоземельные материалы получили потому, что их трудно найти в земной коре. Они используются в атомной энергетике и машиностроении. Например, из редкоземельных металлов можно создавать стекла, которые не пропускают через себя ультрафиолетовые лучи.
Редкоземельный элемент скандий используется в ртутно-газовых лампах
Щелочноземельные металлы
В эту подгруппу входят бериллий, магний, кальций, радий и другие металлы. Все они окрашены природой в серый цвет и при комнатной температуре всегда остаются в твердом состоянии. В чистом виде они практически нигде не применяются, за исключением атомных реакторов.
Щелочноземельный элемент бериллий используют для изготовления рентгеновских трубок, через которые лучи выходят наружу
Цветные металлы
Цветные металлы стоят дороже черных, потому что более востребованы в мире. Они нужны при изготовлении автомобилей, строительстве домов и в области высоких технологий — именно они являются основными материалами при изготовлении смартфонов и другой электроники. В сфере строительства они нужны для изготовления всевозможных арматур, балок, уголков и так далее.
Железо и его сплавы относятся к черным металлам, а все остальное — это цветные металлы
Цветные металлы принято разделять на три группы:
Тяжелые металлы
Самыми яркими представителями этой категории цветных металлов считаются медь, латунь и бронза. Наибольшим спросом среди них пользуется медь, потому что она — отличный проводник электрического тока и широко применяется в электронике. Из латуни изготавливают различные проволоки, подшипники и другие металлические элементы. Из бронзы нередко делают памятники, потому что она не боится дождя, снега и механических повреждений.
Легкие металлы
Самые популярные легкие металлы, это алюминий, магний и титан. Их довольно легко расплавить, а также они легче черных металлов. Благодаря устойчивости к коррозии, высокой пластичности и небольшой массе, алюминий активно используется в строительстве самолетов и автомобилей. Магний широко применяется в изготовлении корпусов для различной техники, начиная с фотоаппаратов и заканчивая двигателями. Титан отличается высокой прочностью и небольшой массой, поэтому применяется при изготовлении космических ракет.
В воздухе алюминий мгновенно покрывается пленкой, которая защищает ее от возникновения ржавчины
Благородные металлы
К благородным металлам относятся золото, серебро и платина. Из-за сложности добычи и своей красоты, они считаются самыми дорогими разновидностями металлов. Их стоимость постоянно меняется и их можно купить в банках, тем самым вложив в них свои деньги. Также благородные металлы широко используются в ювелирном деле. Из них изготавливаются кольца, браслеты и прочие украшения.
Про алюминий можно почитать в материале про самые ценные металлы в мире
Виды сплавов
Сплавами называют материалы, которые состоят из двух и более металлических компонентов. Как правило, сплавы состоят из основы, в которую входят несколько металлов, и так называемых легирующих элементов — они необходимы, чтобы придать сплаву мягкость, эластичность и другие свойства. Чаще всего в промышленности применяются смеси с использованием железа и алюминия, но вообще существует более 5 тысяч разновидностей сплавов.
В большинстве своем металлы, с которыми мы взаимодействуем — это сплавы
Сплавы делятся на два вида: литые и порошковые. Литые сплавы получаются путем смешивания расплавленных компонентов. А порошковый метод получения сплавов подразумевает прессование порошков нескольких металлов и их последующее спекания при высоких температурах.
Из металлических сплавов сегодня изготавливается практически все, вплоть до скамеек
По назначению сплавы делятся на конструкционные, инструментальные и специальные. Конструкционные сплавы предназначены для изготовления деталей автомобилей. Из инструментальных сплавов, как можно понять из названия, изготавливают инструменты — например, различные молотки и ножи. А специальные сплавы используются для изготовления деталей специального назначения — например, для предотвращения трения.
Как видно, металлов очень много и они сильно друг от друга отличаются. На тему металлов также рекомендую почитать материал, в котором я рассказал о самых интересных разновидностях этого материала. Вот знаете ли вы, как называется самый редкий металл на нашей планете и как его добывают?
4. Применение металлов и их сплавов
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, входящие в её состав.
Свойства чистых металлов, как правило, не соответствуют необходимым требованиям, поэтому практически во всех сферах человеческой деятельности 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.
- 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 его 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.
Сплавы, используемые для изготовления различных конструкций, должны быть прочными и легко обрабатываемыми.
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.
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.
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).
Для придания необходимых свойств инструментальные стали, как правило, легируют вольфрамом, ванадием или хромом.
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.
Главным востребованным свойством легкоплавких сплавов является заданная низкая температура плавления. Это свойство, в частности, используется для пайки микросхем. Кроме того, эти сплавы должны иметь определённую плотность, прочность на разрыв, химическую инертность, теплопроводность.
Легкоплавкие сплавы производят из висмута, свинца, кадмия, олова и других металлов. Такие сплавы используют в термодатчиках, термометрах, пожарной сигнализации, например, сплав Вуда. А также в литейном деле для производства выплавляемых моделей, для фиксации костей и протезирования в медицине.
Сплав натрия с калием (температура плавления \(–\)\(12,5\) °С) используется как теплоноситель для охлаждения ядерных реакторов.
 |  |
| Рис. \(7\). Припой (сплав для паяния) имеет невысокую температуру плавления | Рис. \(8\). Легкоплавкие сплавы незаменимы в датчиках пожарной сигнализации |
Применение в чистом виде драгоценных металлов в ювелирном деле не всегда оправдано и целесообразно из-за их дороговизны, физических и химических особенностей.
Для придания ювелирным изделиям из золота большей твёрдости и износостойкости используются сплавы с другими металлами.
Самая лучшая добавка — это серебро (понижает температуру плавления) и медь (повышает твёрдость). Чистое золото используют очень редко, так как оно слишком мягкое, легко деформируется и царапается.
Из сплавов золота с \(10–30\) % других благородных металлов (платины или палладия) изготавливают форсунки лабораторных приборов, а из сплава с \(25–30\) % серебра — ювелирные изделия и электрические контакты.
Оловянная бронза (сплав меди с оловом) — один из первых освоенных человеком сплавов металлов. Она обладает большей, по сравнению с чистой медью, твёрдостью, прочностью и более легкоплавка. Бронзы успешно применяют для получения сложных по конфигурации отливок, включая художественное литьё. Классической маркой бронзы является колокольная бронза.
Одно из новых направлений в искусстве — производство художественных литых изделий из чугуна. Литые изделия из чугуна существенно превосходят по качеству кованые изделия.
Чугун — металл гораздо более хрупкий и не такой ковкий, как сталь. Но даже из такого, казалось бы, грубого материала можно получать настоящие произведения литейного искусства способом литья, например, такие как литые лестницы или решётки на окна. Такие изделия подвержены лишь поверхностной коррозии и не требуют тщательного ухода.
Общие сведения о металлах и сплавах
Металлы — кристаллические вещества, характеризующиеся высокими электро- и теплопроводностью, ковкостью, способностью хорошо отражать электромагнитные волны и другими специфическими свойствами. Свойства металлов обусловлены их строением: в их кристаллической решетке есть не связанные с атомами электроны, которые могут свободно перемещаться.
В технике обычно применяют не чистые металлы, а сплавы, что связано с трудностью получения чистых веществ, а также с необходимостью придания металлам требуемых свойств.
Сплавы — это системы, состоящие из нескольких металлов или металлов и неметаллов. Сплавы обладают всеми характерными свойствами металлов. В строительстве применяют сплавы железа с углеродом (сталь, чугун), меди и олова (бронза) и меди и цинка (латунь) и др. На практике термин «металлы» распространяют и на сплавы, поэтому далее он относится и к металлическим сплавам.
Применяемые в строительстве металлы делят на две группы: черные и цветные.
К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе (чугун и сталь).
Сталь — сплав железа с углеродом (до 2,14%) и другими элементами. По химическому составу различают стали углеродистые и легированные, а по назначению — конструкционные, инструментальные и специальные.
Чугун — сплав железа с углеродом (более 2,14%), некоторым количеством марганца (до 2%), кремния (до 5%), а иногда и других элементов. В зависимости от строения и состава чугун бывает белый, серый и ковкий.
К цветным металлам относятся все металлы и сплавы на основе алюминия, меди, цинка, титана и др.
Широкое использование металлов в строительстве и других отраслях экономики объясняется сочетанием у них высоких физико-механических свойств с технологичностью.
Металлы обладают высокой прочностью, причем прочность на изгиб и растяжение у них практически такая же, как и на сжатие (у каменных материалов прочность на изгиб и растяжение в 10… 15 раз ниже прочности на сжатие). Так, прочность стали более чем в 10 раз превышает прочность бетона на сжатие и в 100…200 раз прочность на изгиб и растяжение; поэтому, несмотря на то что плотность стали (7850 кг/м ) в 3 раза выше плотности конструкционного бетона (2400 + 50 кг/м ), металлические конструкции при той же несущей способности значительно легче и компактнее бетонных. Этому способствует также высокий модуль упругости стали (в 10 раз выше, чем у бетона и других каменных материалов). Еще более эффективны конструкции из легких сплавов.
Металлы очень технологичны: во-первых, изделия из них можно получать различными индустриальными методами (прокатом, волочением, штамповкой и т. п.), во-вторых, металлические изделия и конструкции легко соединяются друг с другом с помощью болтов, заклепок и сварки.
Однако с точки зрения строителя металлы имеют и недостатки. Высокая теплопроводность металлов требует устройства тепловой изоляции металлоконструкций зданий. Хотя металлы негорючи, но металлические конструкции зданий необходимо специально защищать от действия огня. Это объясняется тем, что при нагревании прочность металлов резко снижается и металлоконструкции теряют устойчивость и деформируются. Большой ущерб экономике наносит коррозия металлов. Металлы широко применяют в других отраслях промышленности, поэтому их использование в строительстве должно быть обосновано экономически.
Наука, изучающая состав, строение и свойства металлов и сплавов, а также зависимость между внутренним строением (структурой) и свойствами металлических сплавов называется металловедением.
Отличительными особенностями металлов являются: блеск, ковкость, непрозрачность, теплопроводность и электропроводность.
Таким образом, под термином «металлы» понимают всю группу металлических материалов — чистые металлы и сплавы. Чистые металлы используют только в тех случаях, когда от материала требуются высокие показатели теплопроводности, электропроводности и высокая температура плавления. Эти свойства у них всегда выше, чем у сплавов.
Основными материалами при монтаже металлоконструкций, трубопроводов и оборудования являются сплавы, имеющие по сравнению с чистыми металлами следующие преимущества: – более высокую прочность; – способность изменять свойства при изменении химического состава; » – способность улучшать свойства под влиянием термической обработки; – более низкую температуру плавлеиия; – большую текучесть в расплавленном состоянии; – меньшую усадку.
Указанные свойства сплавов имеют большое практическое значение, так как позволяют получать всевозможные металлоконструкции с показателями, отвечающими требуемым эксплуатационным условиям.
Применяемые в строительстве сплавы делят на две группы:
I группа — сплавы на основе железа (сталь, чугун);
II группа—сплавы на основе металлов (сплавы на медной, алюминиевой, магниевой и другой основе — бронза, латунь, силумины и др.).
К физическим свойствам металлов относятся: удельный вес, теплопроводность, электропроводность и температура плавления.
Удельный вес — это вес 1 см3 металла, сплава или любого другого вещества, выраженный в граммах. Например, удельный вес железа равен 7,88 г/см3. Удельные веса наиболее распространенных металлов приведены в табл. 1.
Теплопроводность — способность металлов и сплавов проводить тепло. Теплопроводность измеряется количеством тепла, которое проходит по металлическому стержню сечением 1 см2 за 1 мин.
Электропроводность — способность металлов и, сплавов проводить электричество. Это свойство наиболее характерно для чистых металлов. Для сплавов более характерным является свойство, обратное электропроводности — электросопротивление.
Удельным электрическим сопротивлением называется сопротивление проводника сечением 1 мм2 и длиной 1 м, выраженное в омах.
Температура плавления — степень нагрева, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое (табл. 1).
К механическим свойствам металлов и сплавов относят: твердость, прочность, упругость, пластичность.
Эти свойства обычно являются решающими показателями, определяющими способность металлов сопротивляться прилагаемым к детали, узлам и металлоконструкциям внешним нагрузкам, характеризующим пригодность сплава” или изделия к различным условиям эксплуатации.
Твердость — способность металла сопротивляться внедрению в его поверхность другого, более твердого тела. ,
Прочность — способность металла сопротивляться разрушению при действии на него нагрузки.
Упругость—способность металла принимать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки.
Пластичность (вязкость) — способность металла изменять первоначальные формы и размеры под действием нагрузки и сохранять приданные формы и размеры после прекращения ее действия.
К технологическим свойствам относят обрабатываемость резанием, ковкость, жидкотекучесть, усадку, свариваемость и другие свойства, определяющие пригодность материала к обработке тем или иным способом.
Обрабатываемость резанием — способность металла более или менее легко обрабатываться острым режущим инструментом.
Ковкость — способность металла поддаваться обработке давлением, принимать новую форму и размеры под влиянием прилагаемой нагрузки без нарушения целостности.
Жидкотекучесть — способность расплавленного металла или сплава заполнять литейную форму.
Усадка—уменьшение объема отливки при охлаждении сплава.
Свариваемость — способность металлов образовывать прочные соединения отдельных металлических заготовок путем их местного нагрева до расплавленного или пластического состояния.
Химические свойства металлов — это способность металлов вступать в соединения с различными веществами, и в первую очередь с кислородом. Чем легче металл вступает в соединение с другими элементами, тем легче он разрушается. Разрушение металлов и сплавов под действием окружающей среды называется коррозией.
Читайте также: