Понятие о металлах и сплавах

Обновлено: 05.05.2024

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.

Понятие металлов, сплавов и изделий из них. Классификация, свойства и область применения.

Металлы – простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свойствами: блеском и непрозрачностью ,высокой тепло- и электропроводностью, прочностью, твердостью, ковкостью, пластичностью, жаропрочностью и коррозийной стойкостью.

Для диагностических исследований, проводимых в рамках КИМВИ, используются классификации, основанные на физических, химических свойствах металлов и степени их распространенности. По этим показателям металлы подразделяются

• легкие – алюминий, магний, титан, бериллий, литий, натрий;

• тяжелые – медь, свинец, никель, кобальт, олово, цинк, ртуть;

• тугоплавкие – вольфрам, молибден, ниобий, тантал, рений, хром;

• благородные (драгоценные) – золото, серебро, платина, палладий;

• радиоактивные – франций, радий, уран, актиний и актиниды;

• рассеянные – галлий, индий, таллий;

• магнитные – железо, никель, кобальт;

• редкоземельные – скандий, иттрий, лантан и лантаниды.

В промышленности металлы подразделяют на две основные группы: черные (на основе железа) и цветные (все остальные).

Металлы, которые производят и используют в ограниченном масштабе, называют редкими. К ним относят все рассеянные и редкоземельные металлы, большая часть тугоплавких, радиоактивные и некоторые легкие (бериллий, литий, рубидий

Сплаваминазываются твердые кристаллические тела, получаемые при сплавлении металлов и металлов с неметалла-

ми. По химическому составу первые подразделяются на сплавы следующих металлов:

• черных (чугун, сталь);

• цветных (алюминиевые – дюралюминий, силумин; медные – бронзы, латуни; свинцовые (баббиты, припой); магние-

вые, титановые и пр.);

• драгоценных (золотые, серебряные, платиновые и др.).

Особенности собирания объектов из металлов и сплавов.

Специфические свойства металлов облегчают поиск соответствующих объектов,даже в случаях, когда

последние сокрыты под землей, в воде, в тайниках и пр. С этой целью обычно используются металлоискатели разных модификаций, предназначенные для обнаружения изделий, изготовленных как из черных, так и из цветных металлов, на различном удалении.

Обращаться с металлическими объектами при их изъятии нужно таким образом, чтобы не поставить под сомнение возможность дальнейшего исследования не только материала изделий, но и имеющихся на их поверхности загрязнений (например, наслоений материалов взломанных преград на рабочих поверхностях предполагаемого орудия взлома), а также проведения различных традиционных криминалистических экспертиз: трасологических, дактилоскопических, баллистических и

пр. Поэтому замки и запирающие устройства изымаются в том состоянии, в котором обнаружены; проверять работу запирающего механизма на месте происшествия нельзя.

При изъятии пуль, дроби и картечи с целью сохранения следов на них

запрещается пользоваться пинцетами, плоскогубцами, щипцами и другими подобными предметами. Каждый из подобных предметов упаковывается отдельно в бумагу или ткань.

Поиск металлических опилок и стужек проводится визуально, а также при помощи дактилоскопической магнитной кисти, конец

которой обернут чистой бумагой или полиэтиленом, и фиксируются дактилоскопическими пленкам.

При изъятии металлов в виде порошка, напротив, пользоваться пылесосом и липкой пленкой недопустимо. Соответствующие пробы из значительных объемов отбираются при помощи шпателей и помещаются в стеклянные плотно закрываемые сосуды или полиэтиленовые пакетики, которые после этого запаиваются.

Изымаемая металлическая ртуть упаковывается только в герметично закрываемые стеклянные сосуды.

Если обнаруженные металлические объекты сырые, их необходимо просушить и упаковать в полиэтиленовые пакеты с

тем, чтобы исключить возможность их дальнейшей коррозии.

Предметы, на поверхности которых предполагается наличие микрочастиц или наслоений металла, как правило, изымаются целиком и упаковываются в полиэтилен или бумагу.

каждый предмет упаковывается в отдельный полиэтиленовый пакет.

Изъятые объекты следует предохранять герметичной упаковкой от воздействия атмосферы воздуха, влаги и других коррозийных сред.

Понятие о металлах и сплавах

Из всех известных в настоящее время элементов более половины являются металлами. Металлы — непрозрачные вещества, обладающие специфическим металлическим блеском, пластичностью, высокой теплопроводностью и электропроводностью.

Файлы: 1 файл

Курсовая прокатчика.doc

Титан в природе.

Титан входит в первую десятку самых распространенных элементов нашей планеты.

В пятнадцатикилометровой толще земной коры его более половины процента: почти все кристаллические горные породы, пески, глины и прочие составляющие поверхности нашей планеты содержат титан. Содержание титана в почвах (а речь может идти только о его соединениях, так как в свободном виде титана в природе нет) в различных районах земного шара колеблется от половины до полутора процентов. В землях Европы, к примеру, полпроцента титана, в землях Азии — вдвое больше. В основных почвенных зонах Европейской части России содержание титана колеблется от одной до трех четвертей процента Больше всего титана в глинах, в суглинках его меньше и сов сем немного в известковых почвах. Меньше всего титана в пахотных землях и в пустынях. Высокий процент титана обнаружили в глинистых грунтах Средиземноморских Альп, в окрестностях Дели, в почвах Бразилии. На острове Святой Елены, где провел свои последние годы Наполеон Бонапарт, количество титана в земле доходит до двух с половиной процента. Но никакие другие земли не могут соперничать с красноземами Западного Самоа, содержание титана в которых колеблется от восьми до двенадцати процентов.

Титан находят в вулканической пыли, в газах, выделяющихся из кратеров вулканов, в каменных материалах. В 1866 году с помощью метода спектрального анализа наличие титана обнаружено в атмосфере Солнца. Элемент этот находится на ближайшей к нам звезде в ионизированной форме. Линии, соответствующие титану, открыты в спектрах большинства звезд.

Но вернемся на Землю. Теми же методами спектрального анализа титан обнаружен в морской воде, в водах Дуная, в горячих ключах Японии и минеральных водах Испании, в каменном угле и в торфе, в сырой нефти и других веществах.

В различных лабораториях мира подвергают исследованиям сотни видов зерен, плодов, стеблей, деревьев, кустарников, определяя содержание в них микроэлементов. Во многих растениях есть титан, правда, его меньше, чем в почвах, на которых они растут. Титан в растениях исчисляется сотыми и тысячными долями процента. Впервые он был там обнаружен немецким химиком Адергольдом в 1852 году.

Довольно высокое содержание этого элемента характерно для листьев табака, для водорослей, сахарного тростника, лука. Из других культур наиболее богаты им бобовые и гречиха. А вот плоды какао совсем не имеют титана. Бедны титаном морковь, люцерна, картофель, земляной и лесной орехи. Но о кокосовом и грецком орехах этого сказать нельзя. Наличие титана отмечено в семенах хлопка, подсолнечника, в красном клевере, каштане, тыкве, кукурузе, а также в различных деревьях.

Титан в живых организмах впервые обнаружил английский химик Риз в 1835 году. Растения, как правило, концентрируют титан в больших количествах, чем животные, но многие организмы тоже содержат немало этого элемента. К ним в первую очередь необходимо отнести крабов, устриц, ракушек, целый ряд рыб и других обитателей морей.

Титан найден в тканях лошадей, овец, собак, кроликов, телят, причем больше всего титана содержится в легких, печени, волосяном покрове и в почках животных.

В организме взрослого человека находится около 20 миллиграммов титана. Особенно богаты этим элементом селезенка, надпочечники и щитовидная железа. Так как титана сравнительно много в почвах, то мы постоянно вдыхаем его вместе с обычной пылью и, по-видимому, именно этим обстоятельством объясняется тот факт, что у пожилых людей в легких чуть ли не в сто раз больше титана, чем у новорожденных, тогда как в других органах количество элемента постоянно и с возрастом не меняется.

До сих пор неизвестно, какую роль выполняет титан в человеческом организме, но степень его концентрации позволила советскому академику В. И. Вернадскому высказать предположение о том, что титан нужен для организма и выполняет какие-то определенные жизненно важные функции. Во всяком случае, на сегодняшний день точно установлено, что титан безвреден для людей и животных.

В медицинской литературе описан случай, когда один человек, очевидно, желая покончить с собой и не найдя под рукой ничего более существенного, принял внутрь почти полкилограмма диоксида титана. Никаких серьезных последствий для организма эта лошадиная доза не вызвала.

Небольшое количество титана есть в костях и зубах человека, в материнском молоке. Японские ученые установили, что титан находится и в волосах, но только в светлых, так что, выходит, шатены, брюнеты и рыжие этим элементом «обделены».

Обнаружено также, что титан — составная часть коровьего молока, куриных яиц и многих других пищевых продуктов.

Таким образом, по распространенности в природе титан занимает среди металлов четвертое место (после алюминия, железа и магния). В земной коре он составляет 0,6 %, то есть втрое больше, чем медь, цинк, никель, ванадий, хром и марганец вместе взятые.

Титан в настоящее время стал широко известным конструкционным металлом. Трудно представить какую-либо отрасль техники, где применение титана было бы невозможно. Мы являемся свидетелями того, как с каждым днем сбываются слова одного из основателей производства титана в нашей стране — академика И. П. Бардина: «Металл сегодня — это не только чугун и сталь. это и титан — юный соперник железа. »

Однако ограниченное его использование вызвано дороговизной первичного титана (губки титана) и особенно полуфабрикатов из основного металла и сплавов на его основе. Поэтому важной задачей исследователей, инженеров и техников является отыскание путей удешевления производства титана и его полуфабрикатов на всех этапах получения металла: электротермического процесса разделения железа и титана, хлорирования шлаков, магниетермнческого восстановления четыреххлористого титана, вакуумно-термической обработки реакционной массы, а также использования металлических и неметаллических отходов титана.

Характеристика титана.

Атомный номер титана в периодической системе — 22. Атомная масса – 47,9. Он относится к ΙV группе, его соседи – кремний и германий. В горизонтальном ряду титан находится между скандием (Sc) и ванадием (V) и возглавляет подгруппу титана, куда входят и его ближайшие родственники – цирконий (Zr) и гафний (Hf). Все они в чистом виде – не слишком твердые, серебристо-серого цвета металлы, обладающие очень похожими свойствами.

Элементарный титан – очень активный химический элемент, его химическая активность еще более возрастает при высоких температурах. По своей способности вступать в реакции с другими элементами титан превосходит многие металлы. Но исследователи гораздо больше интересовал титан в качестве материала для технического использования. Свойства чистого металлического титана оказались настолько уникальными, что встал вопрос о немедленном использовании его для нужд специальной техники. Но способа промышленного получения достаточно чистого титана еще не существовало.

Титан почти вдвое легче железа и всего лишь в 1,5 раза тяжелее алюминия. Самый тяжелый среди легких металлов, он в 1,5 раза прочнее стали! Имея хорошую пластичность – способность изменять форму, не разрушаясь, он обладает хорошей вязкостью. Титан – более упругий металл, чем магний и алюминий, но менее упругий, чем сталь. Он гораздо тверже алюминия, магния, меди, железа и почти не уступает особо обработанным легированным сталям. Титан характеризуется еще и таким ценным свойством, как отличная выносливость. Предел текучести титана в 2,5 раза выше, чем у железа, в три с лишним раза выше, чем у железа, в три с лишним раза выше, чем у меди, и почти в 18 раз превосходит этот же показатель для алюминия.

Титановые сплавы – это, быть может, самые совершенные материалы, которыми располагает современная техника. Прочность некоторых титановых сплавов в 2 – 3 раза больше прочности чистого титана. Они превосходят все другие распространенные металлы по такому важному показателю, как удельная прочность.

Если бы все достоинства титана заключались только в его легкости и прочности, то и этого было бы уже достаточно для развития титановой промышленности. Но и помимо этого он отличается замечательной коррозионной и радиационной стойкостью, немагнитностью, хорошей биосовместимостью, обладает высоким уровнем механических характеристик.

Этот комплекс свойств и предопределил судьбу металла.

Физические свойства титана.

Плотность титана значительно ниже, чем у железа, а температура и теплота плавления и кипения – выше. Он обладает и более высокой, чем железо, удельной теплоемкостью. Отсюда и высокие затраты энергии для расплавления титана, во много раз превосходящие затраты энергии на расплавление железа.

Коэффициент теплопроводности титана почти в 4 раза меньше, чем у железа, поэтому в условиях сварки эффективность проплавления титана выше.

Важным показателем для ряда технологических процессов и особенно для сварки, является то, что удельное электросопротивление титана превосходит этот показатель для железа в 6 раз, а для алюминия – более чем в 20 раз. Электросопротивление титана зависит от его чистоты и температуры. При температуре около 273 К титана становится сверхпроводником.

Отличной особенностью титана является увеличение магнитной восприимчивости с повышением температуры, вплоть до 1373°С.

Титан обладает высоким коэффициентом поверхностного натяжения : σнат. при 1600°С σнат. = 1,7 Дж/м 2 . В области точки плавления σнат. у титана в 1,5 раза выше, чем у алюминия.

Титан обладает несколькими плоскостями скольжения и двойникования, что обеспечивает его высокую пластичность и поэтому к ним применимы все способы обработки металлов давлением. Несмотря на хорошую пластичность, титан и его сплавы относятся к труднодеформируемым материалам. Из-за высокой прочности пластичность сплавов при деформировании определяется в основном содержанием в них таких легирующих элементов, как алюминий, хром, ванадий, молибден, марганец и некоторые другие.

Особенно заметно понижение пластичности у сплавов, содержащих более 7—8 % Al, вследствие образования хрупкого соединения титан — алюминий. Ванадий и хром повышают прочность, но снижают пластичность при обработке давлением. Легирование молибденом (до 5 % Мо) значительно увеличивает прочность сплавов и снижает пластичность. Содержание до 1 % Mn практически мало влияет на пластичность титановых сплавов, а дальнейшее увеличение концентрации марганца сопровождается значительным снижением пластических свойств. Рациональным легированием можно получить сплавы высокой прочности и удовлетворительной пластичности.

В значительной степени на механические свойства титана и его сплавов влияет содержание в них газов — кислорода, азота, углерода и водорода, который образуют твердые растворы. При малых концентрациях кислорода и азота временное сопротивление повышается, а пластичность снижается. Сплавы на основе титана сохраняют прочностные характеристики до 600-700 °С и при этом незначительно окисляются на воздухе.

Физические свойства титана и его сплавов изменяются с параметрами кристаллической решетки. При 882,5°С из стабильной при комнатной температуре гексагональной α-модификации титан превращается в кубическую объемноцентрированную высокотемпературную β-модификацию. Эта температура превращения определена с помощью измерений парциального давления водорода. Переход из α- в β-фазу вызывает уменьшение объема и особенно сильно изменяет физические свойства вследствие различия кристаллической структуры обеих фаз.

Выделение α-фазы при переходе из гомогенной β-области в α+β – область в титановых сплавах при возрастании содержания легирующего элемента тем инертнее, чем ниже температура этого перехода. Поэтому при достаточно высоком содержании легирующего элемента превращение происходит настолько медленно, что при закалке из β-области могут образовываться нестабильные промежуточные состояния. Возникают промежуточные фазы в зависимости от содержания легирующего элемента как при закалке из β-области до комнатной температуры, так и при изотермическом превращении при соответствующей температуре или при отпуске или деформировании закаленных образцов. Образование промежуточных фаз может быть обусловлено такими примесями, как, например, кислород.

1. Теплая прогладка карточки из специальных титановых сплавов производится с целью разрыхления окалины, полученной в результате нагрева слябов перед горячей прокаткой и облегчением процесса травления.

2. Для предупреждения преждевременной перевалки теплая прогладка производится на выработанных валках с предыдущей их перевалкой и перешлифовкой.

3. Прокатчик 6 разряда на главном пульте выдает поштучно заготовку на станинные ролики перед рабочей клетью. Зная толщину заготовки, он устанавливает по продуктиметру необходимый раствор между валками. После выдачи каждой заготовки на прокатку, оставшиеся заготовки должны быть возвращены в зону нагрева.

4. Прокатчики 6 и 5 разрядов у клети перед каждым пропуском центруют листы при помощи ручных клещей либо при помощи центрирующих линеек и направляют заготовку в рабочую клеть перпендикулярно оси рабочих валков.

5. Прокатчик 6 разряда у клети, производит измерение толщины листа со стороны кромки с помощью микрометра на всех листах партии. Он же измеряет толщину листа на 2―3 листах от партии.

6. Во время прогладки прокатчики 6 и 5 разрядов у клети должны тщательно следить за состоянием поверхности заготовки, не допуская заката шамота и оторвавшихся частиц металла.

7. Количество проходов при теплой прогладке должно быть не менее 3―5. При меньшем количестве проходов окалина не будет разрушена, и, следовательно, металл не будет травиться. По необходимости режим обжатий предоставляет инженер-технолог.

8. После теплой прогладки заготовка подается по отводящему рольгангу к месту сброса и сбрасывается на металлические прокладки.

9. Прокатчик 4 разряда должен следить за аккуратным складированием прокатанной или проглаженной заготовки. Он должен находиться сбоку от стопы и при необходимости поправлять лист специальной клюшкой или клещами. Не допускается сброс листа ребром на нижележащий лист во избежание механических повреждений горячего металла.

10. На нижнем листе стопы прокатчик 4 разряда на ножницах пишет номер партии. На верхнем листе полностью восстанавливает маркировку. Данные переносит со специальной доски. Маркировка наносится мелом с торца на расстоянии не более 50 мм, высота строки не более 40 мм. После остывания листов маркировка на верхнем листе дублируется маркером.

11. После окончания теплой прогладки прокатчик 6 разряда (бригадир) заполняет сопроводительный паспорт.

12. На доске номер прокатанной партии отмечается галочкой.

13. Уложенный в стопы металл после остывания перевозится при помощи электромостового крана на линию стана 2000 прогладочного, либо при помощи передаточной тележки в отдел № 4 на травление. Если высота стопы больше половины ширины листа, то стопу необходимо разделить на две с пометкой 1 и 2 половины партии.

Теплая прокатка.

1. Теплая прокатка листов производится на хорошо отшлифованных рабочих валках соответствующего профиля после проверки их на параллельность.

2. После перевалки в первую очередь производится прокатка листов шириной более 900 мм.

5. Во время прогладки прокатчики 6 и 5 разрядов у клети должны тщательно следить за состоянием поверхности заготовки, не допуская заката шамота и оторвавшихся частиц металла.

6. В ходе теплой прокатки прокатчик 6 разряда у клети обязан контролировать разнотолщинность по кромкам на 2―3 листах от партии. Эти величины после теплой прокатки не должны превышать значении, указанных в табл.5.

Читайте также: