Определение металла в сплаве
Обновлено: 06.05.2024
Из-за низких механических свойств чистые металлы как конструкционные материалы в машиностроении находят ограниченное применение по сравнению со сплавами.
Сплав — это конструкционный материал, полученный путем сплавления нескольких химических элементов (металлов и неметаллов) и обладающий свойствами, присущими основному сплавляемому элементу.
Металлический сплав может быть получен не только сплавлением химических элементов, но и такими способами, как спекание, электролиз, диффузия, плазменное напыление, возгонка и др. Конструкционный материал, полученный не сплавлением, называется псевдосплавом. Если сплав имеет в своем составе 50 % металла и более, то он называется металлическим сплавом.
Металлический сплав имеет более высокие механические и технологические свойства по сравнению с неметаллическим сплавом. Химические элементы, образующие сплав, называются компонентами.
По своему составу сплавы могут быть двухкомпонентными (металл + металл, металл + неметалл), трех- и более компонентными. Внутреннее строение сплавов определяется формой связи между компонентами.
Двухкомпонентные сплавы при нагревании (охлаждении) в силу особенностей взаимодействия друг с другом ведут себя неадекватно и, в связи с этим, имеют различное физическое строение и свойства.
К промышленным сплавам, которые находят широкое применение, относятся:
- чугун и сталь — сплавы железа с углеродом;
- латунь — сплав меди с цинком;
- бронза — сплав меди с оловом и др.
Сплавы имеют атомно-кристаллическое строение, обладают аллотропией (полиморфизмом) и, по сравнению с чистыми металлами, более высокими механическими и технологическими свойствами.
Форма металлической связи сплавляемых химических элементов влияет на образование структуры сплава, их атомно-кристаллическую решетку.
Фазы. Сплавам, так же как и чистым металлам, характерно атомно-кристаллическое строение. Сплав в твердом состоянии может иметь различную связь атомно-кристаллических решеток. Жидкое или твердое состояние химических компонентов, образующих сплав при определенной температуре и давлении, называется системой.
Однородная часть системы, отделенная от других частей условной границей (линией), называется фазой.
Жидкая фаза характеризуется тем, что атомные кристаллические решетки сплавляемых компонентов распадаются и компоненты растворяются друг в друге или не растворяются и присутствуют в сплаве самостоятельно. Эта закономерность присуща многим сплавам.
Твердая фаза — это однородная часть сплава с определенными атомно-кристаллическим строением и массовой долей сплавляемых компонентов. Атомные решетки сплавляемых компонентов взаимодействуют в строго определенном порядке. Атомные решетки химических элементов, образующих сплав в твердом состоянии, образуют мелкие кристаллы — структуры.
В зависимости от внутреннего строения сплавов и металлической или химической связи между сплавляемыми элементами сплавы подразделяются на две группы:
- однородные сплавы;
- неоднородные сплавы.
Однородные сплавы имеют общие атомные кристаллические решетки, в которые входят атомы сплавляемых компонентов.
Неоднородные сплавы имеют самостоятельные кристаллические решетки сплавляемых компонентов.
По характеру взаимодействия сплавляемых компонентов в твердой фазе различают механические смеси, твердые растворы и химические соединения.
Механическая смесь сплавляемых компонентов А и Б (рис. 1, а) образуется тогда, когда атомные кристаллические решетки сохраняются и не вступают в химическую реакцию с образованием какого-либо нового соединения. Связь между атомными решетками осуществляется за счет металлической связи. Механическая смесь сплава будет неоднородного типа, т. е. сплавляемые компоненты А и Б в сплаве будут самостоятельными и чередоваться между собой в зависимости от их соотношения.
Рис. 1. Схематическое изображение структуры сплава: а — механическая смесь; б — твердый раствор (I — раствор замещения; II — раствор внедрения); в — химическое соединение; А, Б — сплавляемые компоненты
Свойства механической смеси зависят от свойств сплавляемых компонентов А и Б. Как правило, эти микроструктуры имеют относительно высокую твердость, прочность, ударную вязкость, хорошо обрабатываются резанием.
Твердые растворы в зависимости от взаимодействия атомов подразделяются на твердые растворы внедрения и твердые растворы замещения (рис. 1, б ).
На рис. 1, б, I показана атомно-кристаллическая решетка твердого раствора замещения. Атомно-кристаллическая решетка основного компонента А в форме объемно-центрированного куба (девять атомов) сохранилась, но три атома этого компонента замещены атомами сплавляемого компонента Б.
На рис. 1, б, II показана атомно-кристаллическая решетка твердого раствора внедрения. При этом виде образования сплава атомно-кристаллическая решетка основного компонента А сохраняется. Атомно-кристаллическая решетка сплавляемого компонента Б разрушается, и его отдельные атомы внедряются в пространство атомно-кристаллической решетки основного компонента А. Таким образом, в атомно-кристаллической решетке твердого раствора внедрения девять атомов, как в основном компоненте А, плюс два-три атома компонента Б.
Твердые растворы по своим свойствам наиболее близки к свойствам основного компонента. Они имеют низкую твердость, высокую плотность, ударную вязкость, прочность, хорошо деформируются в холодном и горячем состоянии. Микроструктура большинства конструкционных и инструментальных сталей представляет собой твердые растворы внедрения и замещения.
Химические соединения сплава образуются тогда, когда атомно-кристаллические решетки сплавляемых компонентов А и Б распадаются. Отдельные атомы этих компонентов образуют новые атомные решетки, которые по своему типу, форме и числу атомов отличаются от атомно-кристаллических решеток сплавляемых компонентов.
Химические соединения в сплаве образуются при строго определенном массовом соотношении сплавляемых компонентов А и Б. Например, химическое соединение углерода с железом образуется при массовой доле углерода, равной 6,67 %.
Свойства химических соединений также резко отличаются от свойств сплавляемых компонентов. Химические соединения, как правило, очень твердые, хрупкие, тугоплавкие, имеют мелкозернистую или игольчатую микроструктуру. На рис. 1, в показана атомно-кристаллическая ячейка химического соединения углерода с железом. Это сложная ромбическая пространственная атомно-кристаллическая решетка, состоящая из атомов железа и атомов углерода (компонентов А и Б).
В практике чаще всего в сплаве наблюдается смесь нескольких соединений (микроструктур), например механическая смесь химического соединения и твердого раствора или механическая смесь двух твердых растворов.
Диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов. Любое изменение химического состава сплава влечет за собой изменение физических параметров: температуры, давления и структуры. Изменение этих параметров на границах фаз происходит скачкообразно или замедленно.
В практике металловедения для определения температур, давления, структуры и взаимодействия сплавляемых компонентов применяют графики — диаграммы состояния сплавов. Для этого нагревают (охлаждают) сплав в закрытом тигле с помощью термопары, по прибору наблюдают поведение этого сплава и по наблюдениям строят соответствующие графики.
На диаграммах состояния отображаются только условия, когда сплав имеет постоянные параметры, — равновесие, поэтому в научной литературе диаграммы состояния также называют диаграммами равновесия. В связи с тем что сплавляемые компоненты (металлы и неметаллы) обладают аллотропией, при нагревании (охлаждении) в сплавах происходят аллотропные изменения. Аллотропные изменения можно наблюдать при лабораторных исследованиях с помощью термического метода, а иногда визуально (цвет сплава становится ярче или, наоборот, тускнеет, или длительное время остается постоянным).
Любое изменение в металле при нагревании (охлаждении) характеризуется определенной температурой, которая называется критической температурой. Критические температуры на прямой отражаются соответствующими точками, которые называются критическими точками. Если рассматривать любой металл или сплав в одном измерении (температура нагрева), то графическая характеристика будет отображена в виде вертикальной прямой, на которой указывают критические температуры (точки). Если состояние металла или сплава рассматривать в двух измерениях (температура нагрева (охлаждения) и время нагрева (охлаждения), то график будет изображен в двух координатах (ось ординат и ось абсцисс).
Для примера рассмотрим состояние чистого железа при нагревании и охлаждении. На рис. 2 приведены критические температуры чистого железа при нагревании (охлаждении). Железо имеет следующие критические точки (температуры): 768; 910; 1 392 и 1 539 °С. При температуре 910 °С Fе-α (α-железо) переходит в Fе-β (β-железо). При температуре 1 392 °С Fе-β переходит в Fe-γ (γ-железо). При температуре 1 539 °С Fe-γ начинает медленно расплавляться с поглощением энергии (температуры).
При всех критических температурах на диаграммах показаны задержки перекристаллизации (горизонтальные участки). При охлаждении железа процесс перекристаллизации происходит в обратном порядке.
Для двухкомпонентных сплавов диаграмма состояния — это графическое изображение состояния сплавов в двух измерениях: температура нагрева (охлаждения) и химический состав сплава (концентрация).
Рис. 2. Кривые нагрева и охлаждения железа: t — температура; τ — время
Температуру нагрева (охлаждения) откладывают по оси ординат, по оси абсцисс откладывают массовую долю сплавляемых компонентов (концентрация).
Для примера рассмотрим диаграмму состояния двухкомпонентного сплава свинец — сурьма (рис. 3). На оси абсцисс слева берем 100 % свинца (Pb), справа — 100 % сурьмы (Sb). Свинец и сурьма в жидком состоянии неограниченно растворяются друг в друге, в твердом состоянии — образуют механическую смесь сплавляемых компонентов.
При нагревании (охлаждении) сплава от твердого состояния до температуры плавления (а при охлаждении от жидкого состояния до температуры затвердевания) в сплаве происходит образование механических смесей (эвтектика) и расплавление при различных температурах.
Возьмем чистый свинец. При нормальной температуре и до температуры 245 °С в свинце никаких изменений внутреннего строения не происходит, и свинец будет иметь структуру Рb-α (α-свинец). При температуре 245 °С Рb-α перестраивается в Рb-β (β-свинец). Эта структура остается до температуры 327 °С.
При температуре 327 °С свинец начинает расплавляться. При расплавлении за счет поглощения энергии (температуры) температура свинца остается постоянной — 327 °С. При охлаждении свинца процесс происходит в обратном порядке.
Рис. 3. Кривые охлаждения и структуры (а, б, в, д, е), диаграмма состояния (г) сплавов свинец—сурьма: 1 — температура ликвидуса; 2 — температура солидуса; АВС — линия ликвидуса; DBE — линия солидуса; Ж — жидкость; Эвт. — эвтектика
При нагревании сурьмы до температуры 245 °С никаких изменений в металле не происходит. Структура сурьмы будет Sb-α (α-сурьма). При температуре 245 °С Sb-α переходит в Sb-β. При температуре 631°С сурьма начинает расплавляться. В связи с тем что при расплавлении происходит большое поглощение теплоты, температура расплавления сурьмы на 8 … 10 °С будет ниже. При охлаждении процесс идет в обратном порядке. Далее рассмотрим поведение типовых сплавов свинца и сурьмы: 95 % Рb + 5 % Sb; 87 % Рb + 13 % Sb; 60 % Рb + 40 % Sb. Для составления диаграммы состояния двухкомпонентного сплава свинец — сурьма строим кривые нагрева (охлаждения).
При нагревании (охлаждении) 100 % Pb (рис. 3, а) при температуре 327 °С на графике будет горизонтальный участок. При нагревании (охлаждении) сплава 95 % Рb + 5 % Sb (рис. 3, б) при температуре 245 °С на графике будет горизонтальный участок. Далее при нагревании (охлаждении) при температуре 300 °С будет перегиб кривой, при этой температуре сплав начнет расплавляться (при нагревании) или кристаллизоваться (при охлаждении). При нагревании (охлаждении) сплава 87 % Рb + 13 % Sb (рис. 3, в) при температуре 245 °С также будет горизонтальный участок. При этой температуре сплав начинает плавиться и заканчивает расплавление при температуре 245 °С.
При нагревании (охлаждении) сплава 60 % Рb + 40 % Sb (рис. 3, д) до температуры 245 °С в структуре сплава никаких изменений не происходит. При температуре 245 °С свинец начинает расплавляться — на графике будет горизонтальный участок. При дальнейшем нагревании (охлаждении) при температуре 350 °С сплав расплавляется (при нагревании) или начинает кристаллизоваться (при охлаждении).
При нагревании (охлаждении) 100 % сурьмы (рис. 3, е) до температуры 631 °С сплав будет иметь твердую фазу, и при температуре 631 °С на графике будет горизонтальный участок, сурьма начинает расплавляться. За счет поглощения энергии расплавление сурьмы происходит при температуре несколько ниже 631 °С.
Для наглядного изображения характеристики сплава свинец — сурьма строим следующий график. На оси ординат откладываем температуры нагрева (охлаждения) от нормальной температуры. На этой оси будем откладывать критические точки для 100 % свинца. На оси абсцисс откладываем массовую долю в сплаве свинца и сурьмы. Справа проводим ось температур для 100 % содержания сурьмы. Далее на оси ординат проектируем критические точки, полученные в результате нагрева рассмотренных ранее сплавов.
Как видим из графиков, первое фазовое изменение сплавов происходит при температуре 245 °С. Проводим горизонтальную прямую DE, соответствующую этой температуре. На оси температур свинца проектируем точку, соответствующую температуре 327 °С — температуре плавления чистого свинца. Полученную точку обозначим буквой А.
На оси температур сурьмы проектируем точку, соответствующую 631 °С — температуре плавления сурьмы. Полученную точку обозначим буквой С. На оси абсцисс из точки, соответствующей 87 % Рb и 13 % Sb, восстанавливаем перпендикуляр (пунктиром) до горизонтальной прямой DE (температура расплавления данного сплава). Точку А (критическую температуру 327 °С) на оси ординат соединяем с критической точкой, лежащей на горизонтальной прямой, соответствующей температуре плавления данного сплава (87 % Рb + 13 % Sb). Полученную точку обозначим буквой В.
На оси абсцисс из точки, соответствующей 95 % Рb и 5 % Sb, восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с отрезком АВ. В данной точке имеем критическую температуру 300 °С — температуру плавления (затвердевания) сплава 95 % Pb + 5 % Sb.
На оси абсцисс из точки, соответствующей 60 % Рb и 40 % Sb, восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с отрезком ВС, получаем точку, которая соответствует критической температуре 350 °С — плавления (затвердевания) сплава 60 % Pb + 40 % Sb.
Таким образом, мы получили диаграмму состояния двухкомпонентного сплава свинец — сурьма. Все сплавы Рb— Sb независимо от массовой доли компонентов до температуры 245 °C имеют твердую фазу — механическая смесь. Сплав по линии DВЕ начинает медленно расплавляться при нагревании и затвердевает при охлаждении. Эту линию называют линией солидуса (от лат. solidus — твердый).
По линии АВС сплавы расплавляются при нагревании, при охлаждении начинают медленно кристаллизоваться. Эта линия называется линией ликвидуса (от лат. liquidus — жидкий). Между линиями DBE и линией АВС сплавы находятся в полужидком состоянии. Сплав с 87 % Рb и 13 % Sb имеет самую низкую температуру плавления (затвердевания). Этот сплав, так же как и чистые металлы, плавится при одной температуре. Такие сплавы получили название эвтектических сплавов.
Эвтектика — мелкодисперсная механическая смесь двух компонентов, образовавшаяся при температуре плавления (кристаллизации), значительно ниже температуры плавления сплавляемых компонентов в процессе затвердевания. Левее эвтектики сплавы называются доэвтектическими, правее — заэвтектическими.
Рассмотрим фазовые состояния сплава свинец — сурьма. Выше линии АВС сплав находится в жидком состоянии (жидкая фаза), между линией АВ и DB — в полужидком (Pb + жидкость). Ниже лини DB сплав состоит из механической смеси свинца и эвтектики. Между линиями ВС и ВЕ сплав будет иметь полужидкую фазу и кристаллы сурьмы. Ниже линии ВЕ сплав будет состоять из механической смеси (эвтектика и сурьма).
Диаграмма состояния сплава Pb — Sb относится к типу диаграмм, в которых сплавляемые компоненты неограниченно растворяются в жидком состоянии и не растворяются в твердом состоянии, образуя механические смеси (эвтектика).
Анализируя диаграмму состояния сплавов, можно изучить следующие характеристики: температуру плавления (кристаллизации), виды структур сплавов, способность образовывать ликвацию, режимы термообработки и обработки давлением. При изучении диаграмм состояния двухкомпонентных сплавов следует обращать внимание на превращение компонентов сплавов в кристаллическом (твердом) состоянии.
В связи с этим различают следующие особенности аллотропных изменений сплавов (типовые диаграммы состояния):
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.
Определение металлов и сплавов
Исходя из природы конструкционных и инструментальных материалов, их можно разделить на следующие основные группы:
1. Металлические материалы, к которым относятся:
сплавы на основе железа – чистое железо, стали, чугуны;
стали и сплавы с особыми физическими свойствами (магнитные и немагнитные стали и сплавы, аморфные сплавы, сплавы с высоким электрическим сопротивлением, сплавы с эффектом памяти формы и т.д.);
цветные металлы и сплавы – алюминий и сплавы на его основе (деформирующиеся и литейные; упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой), медь и сплавы на ее основе (латуни, бронзы), титан и сплавы на его основе, подшипниковые сплавы и др.
композиционные материалы с металлической матрицей;
2. Неметаллические материалы:
полимерные органические материалы – пластмассы (термореактивные и термопластичные), резины;
композиционные материалы с неметаллической матрицей (стекло-пластики, углепластики, оргпластики и др.);
неорганические материалы (стекло, ситаллы, керамика);
3. Материалы со специальными свойствами – электронные материалы, материалы с особыми оптическими свойствами (волоконная оптика, люминофоры), проводниковые материалы.
Определение металлов и сплавов
Металлами называются вещества, атомы которых располагаются в определённом геометрическом порядке, образуя при этом кристаллы. Им присущ специфический металлический блеск. Кроме того, металлы обладают хорошей пластичностью, высокой теплопроводностью и электропроводностью. Это дает возможность обрабатывать их под давлением (прокатка, ковка, штамповка, волочение). Металлы обладают хорошими литейными свойствами, а также свариваемостью, способны работать при низких и высоких температурах. Металлические изделия и конструкции легко соединяются с помощью болтов, заклепок и сварки. Наряду с этим металлы обладают и существенными недостатками: имеют большую плотность, при действии различных газов и влаги коррозируют, а при высоких температурах значительно деформируются.
Существует такое определение как «чистый металл» оно весьма условно. Так как любой чистый металл содержит примеси, а потому его следует рассматривать как сплав. Под термином «чистый металл» всегда понимается металл, содержащий примеси 0,01–0,001 %. Современная металлургия позволяет получать металлы высокой чистоты (99,999 %). Однако примеси даже в малых количествах могут оказывать существенное влияние на свойства металла.
Чистые металлы обладают высокой пластичностью и низкой прочностью, что не обеспечивает требуемых физико-химических и технологических свойств. Поэтому их применение в строительстве и технике в качестве конструкционных материалов сильно ограничено. Наиболее широко используют сплавы, обладающие более высокой прочностью, твердостью и износостойкостью и т. д.
Сплавы – это системы, состоящие из нескольких металлов или металлов и неметаллов. Так, например, прочность технического железа составляет примерно 250 МПа, при введении в железо углерода в количестве 0,9 мас.% прочность повышается до 980 МПа. Все металлы и образованные из них сплавы делят на две группы: черные и цветные
К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе – стали и чугуны, остальные металлы являются цветными. В строительстве в основном применяют черные металлы – чугуны и стали для каркасов зданий, мостов, труб, кровли, арматуры в бетоне и для других металлических конструкций и изделий.
К цветным металлам относятся все металлы и сплавы на основе алюминия, меди, цинка, титана. Цветные металлы являются более дорогостоящими и дефицитными.
Чугун получают в ходе доменного процесса, основанного на восстановлении железа из его природных оксидов коксом при высокой температуре. Процесс восстановления железа оксидом углерода в верхней части доменной печи можно представить по обобщенной схеме: Fe2O3 > Fe3O4 > >FeO > Fe. Опускаясь в нижнюю часть печи, расплавленное железо соприкасается с коксом и превращается в чугун.
Чугуны в зависимости от состава и структуры подразделяются на серые (углерод в виде цементита и свободного графита) и белые (углерод в виде цементита). В зависимости от формы графита и условий его образования различают: серый, высокопрочный и ковкий чугуны.
Стали можно подразделить на две основные группы – углеродистые и легированные (рис. 1).
Углеродистые стали – основной конструкционный материал, который используется в различных областях промышленности. Они дешевле легированных и проще в производстве. В углеродистой стали свойства зависят от количества углерода, поэтому эти стали классифицируются на низкоуглеродистые, средне- и высокоуглеродистые.
Легированные стали содержат специально вводимые элементы для получения заданных свойств. По степени легированости стали подразделяются на низколегированные, средне- и высоколегированные.
Классификация сталей по качеству основывается на содержании вредных примесей серы и фосфора. Различают углеродистую сталь обыкновенного качества, сталь качественную конструкционную и сталь высококачественную.
По назначению стали подразделяются на три группы: конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами. Конструкционные углеродистые стали содержат углерод в количестве 0,02 – 0,7 мас.%, к ним относятся и строительные стали, содержащие до 0,3 мас.% углерода. Низкое содержание углерода обусловлено тем, что строительные конструкции соединяются сваркой, а углерод ухудшает свариваемость. Стали, содержащие углерод в пределах 0,7 – 1,5 мас.%, используют для изготовления режущего и ударного инструмента. К группе сталей и сплавов с особыми свойствами относятся коррозионностойкие, нержавеющие и кислотоупорные, жаропрочные и жаростойкие стали и т. д.
Металлы и их сплавы
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.
СПЛАВЫ
СПЛАВЫ, материалы, имеющие металлические свойства и состоящие из двух или большего числа химических элементов, из которых хотя бы один является металлом. Многие металлические сплавы имеют один металл в качестве основы с малыми добавками других элементов. Самый распространенный способ получения сплавов – затвердевание однородной смеси их расплавленных компонентов. Существуют и другие методы производства – например, порошковая металлургия. В принципе, четкую границу между металлами и сплавами трудно провести, так как даже в самых чистых металлах имеются «следовые» примеси других элементов. Однако обычно под металлическими сплавами понимают материалы, получаемые целенаправленно добавлением к основному металлу других компонентов.
Почти все металлы, имеющие промышленное значение, используются в виде сплавов (см. табл. 1, 2). Так, например, все выплавляемое железо почти целиком идет на изготовление обычных и легированных сталей, а также чугунов. Дело в том, что сплавлением с некоторыми компонентами можно существенно улучшить свойства многих металлов. Если для чистого алюминия предел текучести составляет всего лишь 35 МПа, то для алюминия, содержащего 1,6% меди, 2,5% магния и 5,6% цинка, он может превышать 500 МПа. Аналогичным образом могут быть улучшены электрические, магнитные и термические свойства. Эти улучшения определяются структурой сплава – распределением и структурой его кристаллов и типом связей между атомами в кристаллах.
Многие металлы, скажем магний, выпускают высокочистыми, чтобы можно было точно знать состав изготавливаемых из него сплавов. Число металлических сплавов, применяемых в наши дни, очень велико и непрерывно растет. Их принято разделять на две большие категории: сплавы на основе железа и сплавы цветных металлов. Ниже перечисляются наиболее важные сплавы промышленного значения и указываются основные области их применения.
Сталь.
Сплавы железа с углеродом, содержащие его до 2%, называются сталями. В состав легированных сталей входят и другие элементы – хром, ванадий, никель. Сталей производится гораздо больше, чем каких-либо других металлов и сплавов, и все виды их возможных применений трудно было бы перечислить. Малоуглеродистая сталь (менее 0,25% углерода) в больших количествах потребляется в качестве конструкционного материала, а сталь с более высоким содержанием углерода (более 0,55%) идет на изготовление таких низкоскоростных режущих инструментов, как бритвенные лезвия и сверла. Легированные стали находят применение в машиностроении всех видов и в производстве быстрорежущих инструментов. См. также СТАНКИ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИЕ.
Чугун.
Чугуном называется сплав железа с 2–4% углерода. Важным компонентом чугуна является также кремний. Из чугуна можно отливать самые разнообразные и очень полезные изделия, например крышки для люков, трубопроводную арматуру, блоки цилиндров двигателей. В правильно выполненных отливках достигаются хорошие механические свойства материала. См. также МЕТАЛЛЫ ЧЕРНЫЕ.
Сплавы на основе меди.
В основном это латуни, т.е. медные сплавы, содержащие от 5 до 45% цинка. Латунь с содержанием от 5 до 20% цинка называется красной (томпаком), а с содержанием 20–36% Zn – желтой (альфа-латунью). Латуни применяются в производстве различных мелких деталей, где требуются хорошая обрабатываемость и формуемость. Сплавы меди с оловом, кремнием, алюминием или бериллием называются бронзами. Например, сплав меди с кремнием носит название кремнистой бронзы. Фосфористая бронза (медь с 5% олова и следовыми количествами фосфора) обладает высокой прочностью и применяется для изготовления пружин и мембран.
Свинцовые сплавы.
Обычный припой (третник) представляет собой сплав примерно одной части свинца с двумя частями олова. Он широко применяется для соединения (пайки) трубопроводов и электропроводов. Из сурьмяно-свинцовых сплавов делают оболочки телефонных кабелей и пластины аккумуляторов. Сплавы свинца с кадмием, оловом и висмутом могут иметь точку плавления, лежащую значительно ниже точки кипения воды ( ~ 70 ° C); из них делают плавкие пробки клапанов спринклерных систем противопожарного водоснабжения. Пьютер, из которого ранее отливали столовые приборы (вилки, ножи, тарелки), содержит 85–90% олова (остальное – свинец). Подшипниковые сплавы на основе свинца, называемые баббитами, обычно содержат олово, сурьму и мышьяк.
Легкие сплавы.
Современная промышленность нуждается в легких сплавах высокой прочности, обладающих хорошими высокотемпературными механическими свойствами. Основными металлами легких сплавов служат алюминий, магний, титан и бериллий. Однако сплавы на основе алюминия и магния не могут применяться в условиях высокой температуры и в агрессивных средах.
Алюминиевые сплавы.
К ним относятся литейные сплавы (Al – Si), сплавы для литья под давлением (Al – Mg) и самозакаливающиеся сплавы повышенной прочности (Al – Cu). Алюминиевые сплавы экономичны, легкодоступны, прочны при низких температурах и легко обрабатываемы (они легко куются, штампуются, пригодны для глубокой вытяжки, волочения, экструдирования, литья, хорошо свариваются и обрабатываются на металлорежущих станках). К сожалению, механические свойства всех алюминиевых сплавов начинают заметно ухудшаться при температурах выше приблизительно 175 ° С. Но благодаря образованию защитной оксидной пленки они проявляют хорошую коррозионную стойкость в большинстве обычных агрессивных сред. Эти сплавы хорошо проводят электричество и тепло, обладают высокой отражательной способностью, немагнитны, безвредны в контакте с пищевыми продуктами (поскольку продукты коррозии бесцветны, не имеют вкуса и нетоксичны), взрывобезопасны (поскольку не дают искр) и хорошо поглощают ударные нагрузки. Благодаря такому сочетанию свойств алюминиевые сплавы служат хорошими материалами для легких поршней, применяются в вагоно-, автомобиле- и самолетостроении, в пищевой промышленности, в качестве архитектурно-отделочных материалов, в производстве осветительных отражателей, технологических и бытовых кабелепроводов, при прокладке высоковольтных линий электропередачи.
Примесь железа, от которой трудно избавиться, повышает прочность алюминия при высоких температурах, но снижает коррозионную стойкость и пластичность при комнатной температуре. Кобальт, хром и марганец ослабляют охрупчивающее действие железа и повышают коррозионную стойкость. При добавлении лития к алюминию повышаются модуль упругости и прочность, что делает такой сплав весьма привлекательным для авиакосмической промышленности. К сожалению, при своем превосходном отношении предела прочности к массе (удельной прочности) сплавы алюминия с литием обладают низкой пластичностью.
Магниевые сплавы.
Магниевые сплавы легки, характеризуются высокой удельной прочностью, а также хорошими литейными свойствами и превосходно обрабатываются резанием. Поэтому они применяются для изготовления деталей ракет и авиационных двигателей, корпусов для автомобильной оснастки, колес, бензобаков, портативных столов и т.п. Некоторые магниевые сплавы, обладающие высоким коэффициентом вязкостного демпфирования, идут на изготовление движущихся частей машин и элементов конструкции, работающих в условиях нежелательных вибраций.
Магниевые сплавы довольно мягки, плохо сопротивляются износу и не очень пластичны. Они легко формуются при повышенных температурах, пригодны для электродуговой, газовой и контактной сварки, а также могут соединяться пайкой (твердым), болтами, заклепками и клеями. Такие сплавы не отличаются особой коррозионной стойкостью по отношению к большинству кислот, пресной и соленой воде, но стабильны на воздухе. От коррозии их обычно защищают поверхностным покрытием – хромовым травлением, дихроматной обработкой, анодированием. Магниевым сплавам можно также придать блестящую поверхность либо плакировать медью, никелем и хромом, нанеся предварительно покрытие погружением в расплавленный цинк. Анодирование магниевых сплавов повышает их поверхностную твердость и стойкость к истиранию. Магний – металл химически активный, а потому необходимо принимать меры, предотвращающие возгорание стружки и свариваемых деталей из магниевых сплавов. См. также СВАРКА.
Титановые сплавы.
Титановые сплавы превосходят как алюминиевые, так и магниевые в отношении предела прочности и модуля упругости. Их плотность больше, чем всех других легких сплавов, но по удельной прочности они уступают только бериллиевым. При достаточно низком содержании углерода, кислорода и азота они довольно пластичны. Электрическая проводимость и коэффициент теплопроводности титановых сплавов малы, они стойки к износу и истиранию, а их усталостная прочность гораздо выше, чем у магниевых сплавов. Предел ползучести некоторых титановых сплавов при умеренных напряжениях (порядка 90 МПа) остается удовлетворительным примерно до 600 ° C, что значительно выше температуры, допустимой как для алюминиевых, так и для магниевых сплавов. Титановые сплавы достаточно стойки к действию гидроксидов, растворов солей, азотной и некоторых других активных кислот, но не очень стойки к действию галогеноводородных, серной и ортофосфорной кислот.
Титановые сплавы ковки до температур около 1150 ° C. Они допускают электродуговую сварку в атмосфере инертного газа (аргона или гелия), точечную и роликовую (шовную) сварку. Обработке резанием они не очень поддаются (схватывание режущего инструмента). Плавка титановых сплавов должна производиться в вакууме или контролируемой атмосфере во избежание загрязнения примесями кислорода или азота, вызывающими их охрупчивание. Титановые сплавы применяются в авиационной и космической промышленности для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах (150–430 ° C), а также в некоторых химических аппаратах специального назначения. Из титанованадиевых сплавов изготавливается легкая броня для кабин боевых самолетов. Титаналюминиевованадиевый сплав – основной титановый сплав для реактивных двигателей и корпусов летательных аппаратов.
В табл. 3 приведены характеристики специальных сплавов, а в табл. 4 представлены основные элементы, добавляемые к алюминию, магнию и титану, с указанием получаемых при этом свойств.
Бериллиевые сплавы.
Пластичный бериллиевый сплав можно получить, например, вкрапляя хрупкие зерна бериллия в мягкую пластичную матрицу, такую, как серебро. Сплав этого состава удалось холодной прокаткой довести до толщины, составляющей 17% первоначальной. Бериллий превосходит все известные металлы по удельной прочности. В сочетании с низкой плотностью это делает бериллий пригодным для устройств систем наведения ракет. Модуль упругости бериллия больше, чем у стали, и бериллиевые бронзы применяются для изготовления пружин и электрических контактов. Чистый бериллий используется как замедлитель и отражатель нейтронов в ядерных реакторах. Благодаря образованию защитных оксидных слоев он устойчив на воздухе при высоких температурах. Главная трудность, связанная с бериллием, – его токсичность. Он может вызывать серьезные заболевания органов дыхания и дерматит. См. также КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ и статьи по отдельным металлам.
Читайте также: