Химические свойства сталей и сплавов

Обновлено: 01.05.2024

Прочность – способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок.
Пластичность – способность материала изменять свою форму и размеры по действием внешних сил.
Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого тела.

К физическим свойства относят:
- цвет
- плотность
- температуру плавления
- теплопроводность
- электропроводность
- магнитные свойства

Цвет – способность металлов отражать излучение с определенной длиной волны. Например, медь имеет розовато-красный цвет, алюминий – серебристо-белый.

Плотность металла определяется отношением массы к единице объема. По плотности металлы делят на легкие (менее 4500 кг/м 3 ) и тяжелые.

Температура плавления – температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. По температуре плавления различают тугоплавкие (вольфрам – 3416 о С, тантал – 2950 о С и др.) и легкоплавкие (олово – 232 о С, свинец – 327 о С). В единицах СИ температуру плавления выражают в градусах Кельвина (К).

Теплопроводность – способность металлов передавать тепло от более нагретых участков тела к менее нагретым. Большой теплопроводностью обладают серебро, медь, алюминий. В единицах СИ теплопроводность имеет размерность Вт/(м·К).

Способность металлов проводить электрический ток оценивают двумя противоположными характеристиками – электрической проводимостью и электрическим сопротивлением.
Электропроводность оценивается в системе СИ в сименсах (См). Электросопротивление выражают в омах (Ом). Хорошая электропроводность необходима, например, для токонесущих проводов (их изготавливают из меди, алюминия). При изготовлении электронагревательных приборов и печей необходимы сплавы с высоким электросопротивлением (из нихрома, константана, манганина). С повышением температуры металла его электропроводность уменьшается, а с понижением – увеличивается.
Магнитные свойства выражаются в способности металлов намагничиваться. Высокими магнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт и их сплавы, которые называют ферромагнитными. Материалы с магнитными свойствами применяют в электротехнической аппаратуре и для изготовления магнитов.

Химические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться окислению или вступать в соединение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, растворами щелочей и др.

К химическим свойствам относят:
- коррозионную стойкость
- жаростойкость

Коррозионная стойкость – способность металлов сопротивляться химическому разрушению под действием на их поверхность внешней агрессивной среды (коррозия происходит при вступлении в химическое взаимодействие с другими элементами).

Жаростойкость – способность металлов сопротивляться окислению при высоких температурах

Химические свойства учитывают в первую очередь для изделий или деталей, работающих в химически агрессивных средах:
- емкости для перевозки химических реактивов
- трубопроводы химических веществ
- приборы и инструменты в химической промышленности

Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться различным способам холодной и горячей обработки.

1. Литейные свойства — характеризуют способность материала к получению из него качественных отливок.
Жидкотекучесть – характеризует способность расплавленного металла заполнять литейную форму.
Усадка (линейная и объемная)– характеризует способность материала изменять свои линейные размеры и объем в процессе затвердевания и охлаждения. Для предупреждения линейной усадки при создании моделей используют нестандартные метры.
Ликвация – неоднородность химического состава по объему.

2. Способность материала к обработке давлением — это способность материала изменять размеры и форму под влиянием внешних нагрузок не разрушаясь.Она контролируется в результате технологических испытаний, проводимых в условиях, максимально приближенных к производственным. Листовой материал испытывают на перегиб и вытяжку сферической лунки. Проволоку испытывают на перегиб, скручивание, на навивание. Трубы испытывают на раздачу, сплющивание до определенной высоты и изгиб.Критерием годности материала является отсутствие дефектов после испытания.

3. Свариваемость — это способность материала образовывать неразъемные соединения требуемого качества. Оценивается по качеству сварного шва.

4. Способность к обработке резанием — характеризует способность материала поддаваться обработке различным режущим инструментом. Оценивается по стойкости инструмента и по качеству поверхностного слоя.

Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных условиях.

1. Износостойкость– способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

2. Коррозионная стойкость (см. Электрохимическая и химическая коррозия металлов) – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред.

3. Жаростойкость (см. Жаростойкость. Жаростойкая сталь. Жаростойкие сплавы.) – это способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.

4. Жаропрочность – это способность материала сохранять свои свойства при высоких температурах.

5. Хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах.

6. Антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому материалу.

Сталь: состав, свойства, применение

Сталь – это сплав железа с углеродом с добавлением различных примесей, оказывающих влияние на основные характеристики продукта. При заказе материала нужно учитывать, какими свойствами должна обладать сталь, так как механические и химические свойства стали напрямую влияют на то, где ее можно использовать.

Сталь – это один из основных промышленных материалов, используемых в разных отраслях, от машиностроения до медицины. Сырье представляет собой сплав, в котором соединяется железо с углеродом. Также добавляются и другие примеси, оказывающие значительное влияние на основные характеристики конечного продукта.

Состав стали

Основа состава – железо и углерод. В сплаве обычно содержится не более 2,14%.

Основной критерий классификации – химический состав. Вся представленная на рынке продукция разделена на два основных вида сырья:

Углеродистая сталь. В ее составе кроме железа и углерода также есть фосфор, сера, марганец и кремний. В зависимости от процентного содержания углерода сырье разделено на высоко-, средне- и низколегированные марки. Этот материал можно применять, даже если перед вами стоит задача создать инструмент, использующийся под постоянным напряжением и высокими нагрузками.
Легированная сталь. К основным компонентам добавлены дополнительные легирующие элементы. Среди них – множество типов веществ, от кремния, бора и азота до хрома, циркония, ниобия, вольфрама и титана. Это влияет не только на стоимость, но и на качество продукции, область использования и характеристики. В продаже вы найдете множество типов продукции – жаропрочные, цементуемые, улучшаемые стали. В зависимости от структуры сырье может быть доэвтектоидного, ледебуритного, эвтектоидного и заэвтектоидного типа.

Свойства и применение стали можно определить по ее марке.

В состав стали могут добавляться различные примеси. В зависимости от того, в каком количестве они представлены в рецептуре, выделяются два основных типа продукции:

Обыкновенного качества. В составе такого сплава углерода не более 0,6%. Основные стандарты, используемые в изготовлении –ГОСТ 14637 и ГОСТ 380-94. Многие виды продукции в маркировке указываются как «Ст», что означает стандартное качество. На рынке этот тип сырья –один из наиболее доступных по стоимости.
Качественный. К этой категории относятся легированная и углеродистая разновидности. Уже в маркировке указывается особенность состава, количество углерода в сотых долях. Основной стандарт, которого придерживаются изготовители, – ГОСТ 1577. Стоит такая сталь дороже, чем продукт обыкновенного качества. При этом материал намного более пластичен, хорошо сваривается и отлично защищен от механического воздействия.

Основные свойства стали

При заказе материала нужно учитывать, какими свойствами должна обладать сталь, чтобы подойти под конкретную область применения. Если не понимать такой особенности, есть риск покупки сырья, не соответствующего прочности, уровню защиты от коррозии, качеству свариваемости и другим характеристикам.

Рассмотрим основные характеристики материала.

Механические

Показывают, какие варианты обработки можно выбирать и где использовать. Есть несколько основных параметров:

Прочность. Показывает, какую нагрузку можно прикладывать к детали, пока не появятся первые признаки разрушения. Для каждой марки материала указывается этот параметр, а также предел текучести.
Предел прочности. Указывает на защищенность материала от механического напряжения.
Предел текучести. Дает представление о растягиваемости материала. Это помогает понимать, насколько сильно можно растянуть материал до момента, пока процесс будет продолжаться, даже когда нагрузка перестанет прикладываться.
Пластичность. Чтобы материал можно было использовать в изготовлении различных типов деталей и заготовок. Такая характеристика помогает сырью менять форму, прописывается, чтобы определить параметры относительного угла изгиба и удлинения.
Ударная вязкость. Напрямую связана с пределами динамических нагрузок. Характеристика указывает, насколько сильный удар сможет выдержать готовое изделие или заготовка, прежде чем начнет окончательно разрушаться.
Твердость. Показывает предельную нагрузку по площади до момента возникновения вдавливания. Может определяться разными методами, как Бринелля, так и Виккерса.

Физические

Параметры дают понять, возможно ли применение стали в строительстве или различных областях промышленности. Есть три значимых центральных показателя:

Плотность. В характеристике зашифровано, какая масса стали содержится в указанном объеме. Чем выше прочность, тем больше защищенность от деформации, сильного давления и других потенциальных угроз.
Теплопроводность. Параметр дает представление, насколько быстро тепло передается по заготовке. Параметр очень важен для промышленности, к примеру, при изготовлении радиаторов или труб для теплотрасс.
Электропроводность. Позволяет оценить безопасность применения материала в местах, где есть риск удара током. Также сплав можно выбрать и для установки в сферах, где имеют значение его проводниковые характеристики.

Химические

Весь набор параметров дает представление о том, как поведет себя материал в разных температурах или средах с разной степенью агрессивности. Есть четыре основных параметра:

Окисляемость. Процесс окисления вызывается контактом металла с кислородом, может стимулироваться увеличением температуры. На уровень окисляемости влияет содержание углерода и среда, в которой используются изделия. Чем больше подверженность окислению, тем быстрее на поверхности появится ржавчина.
Защищенность от коррозии. Указывается для разных сред. Может меняться при использовании на открытом воздухе, а также при контакте с водой или почвой.
Жаростойкость. Помогает понять, при каком нагреве на металле начинает постепенно развиваться коррозия. Характеристика напрямую связана с окисляемостью.
Жаропрочность. От жаростойкости отличается тем, что затрагивает не коррозийную стойкость и защиту от окалины, а саму прочность. Знание параметров поможет вам понять, до какой температуры нагреется заготовка, прежде чем ее можно будет сломать или деформировать.

Технологические

Показывают возможность обработки с применением различных технологий. Центральные параметры:

Ковкость. Чем она выше, тем быстрее можно будет придать форму постоянным внешним механическим воздействием.
Жидкотекучесть. Если этот параметр находится на высоком уровне, расплавленный материал сможет лучше заполнять пустоты.
Свариваемость. Помогает соединять различные заготовки между собой. Отличается как в зависимости от типа использованной сварки, так и самого сплава.
Обрабатываемость резанием. Сталь можно обрабатывать разными видами режущих инструментов для создания металлопроката и деталей с разными параметрами и областью применения.

Применение стали

Механические и химические свойства стали напрямую влияют на то, где ее можно использовать. Проще всего определиться со сферой по марке, указанной на сырье. Так продукцию с хорошей жаропрочностью можно использовать в средах, где есть риск воздействия постоянных высоких температур. То же относится к маркам, отличающимся хорошей свариваемостью и коррозийной стойкостью.

По сферам производства можно выделить несколько основных категорий:

Строительные. Применяются при создании металлоконструкций различного масштаба, арматуры, обшивки стен. Необходимые характеристики отличаются в зависимости от области применения. Так для одних видов сплава важна стойкость к коррозии во влажных средах, для других – защита от окисления при контакте с почвой. Но все используемые типы сырья должны хорошо свариваться, иметь повышенную прочность при постоянном или периодическом сильном механическом давлении. В сочетании с важной для строителей доступностью стоимости такими параметрами обладают низколегированные сплавы и варианты обычного качества.
Инструментальные. Применяются для изготовления инструментов различного назначения. Все сплавы разделены на три категории. Первая используется для создания штампованных деталей. Вторая – при производстве режущего инструмента, третья – измерительного с высокой точностью. Лучшим решением станет заказ высоколегированных и высокоуглеродистых материалов. Они не только хорошо защищены от износа, но и отличаются твердостью, хорошей теплопроводностью.
Конструкционные. Разнообразны по сфере использования: применяются для металлоконструкций, а также для деталей, крупных механических узлов. Лучшее решение – применение сплава с малой долей марганца. Легирование позволяет расширить список полезных характеристик. Эксперты рекомендуют обратить внимание на высокопрочные, автоматные, износостойкие и другие марки.

Также всегда можно заказать материалы со специальными характеристиками для конкретной зоны применения. Это могут быть как сплавы с повышенной жаропрочностью, так и защищенные от окисления при контакте с кислородом, хорошо плавящиеся, электропроводные и многие другие.

Виды и марки стали

Сталь представляет собой сплав, основными элементами которого являются железо и углерод.Его массовая доля теоретически не превышает 2,14% (на практике – не более 1,5%). В состав также входят постоянные и случайные примеси, оказывающие различное влияние на качество материала (сера, фосфор, марганец, кремний), могут добавляться другие элементы.

Сталь производят переработкой передельного чугуна и лома. Во время этого процесса снижается содержание углерода и ненужных примесей, вводятся необходимые дополнительные компоненты, обеспечивающие требуемые свойства материала.

Виды сталей и их классификация

Черная металлургия производит множество видов стали с различными характеристиками, материалы классифицируют по способу производства,химическому составу, назначению, качеству, степени раскисления, структуре.

По способу производства

Свойства стального сплава во многом зависят от технологии изготовления. Традиционный способ переплавки передельного чугуна и лома – ведение процесса в мартеновских печах, основными недостатками которых были длительность плавки и значительные выбросы в атмосферу вредных веществ. Постепенно мартены заменялись кислородными конвертерами и электропечами. Высококачественные легированные стальные сплавы получают только по технологии электрошлаковой переплавки.

По химическому составу

По химсоставу стали разделяют на углеродистые, применяемые в стандартных эксплуатационных условиях, и легированные, используемые при высоких температурах и/или в агрессивных средах. Углеродистые и легированныестали классифицируют по содержанию углерода на следующие типы:

низкоуглеродистые – содержат менее 0,3%C;
среднеуглеродистые – содержание C в интервале 0,3-0,7%;
высокоуглеродистые – доля углерода превышает 0,7%.

Процентное содержание существенно влияет на технические характеристики как легированных, так и нелегированных стальных сплавов. Чем оно больше, тем выше твердость и хрупкость материала, тем хуже обрабатываемость резанием, свариваемость, способность к деформированию. Для холодной штамповки изделий сложной формы выбирают сплавы, в которых содержание Cне превышает 1%. Низкоуглеродистые стали свариваются без ограничений, то есть не требуют предварительного подогрева и особых условий охлаждения. При сварке средне- и высокоуглеродистых сплавов во избежание трещинообразования применяют дополнительные технологические операции.

Углеродистые стали содержат железо, углерод, постоянные и случайные примеси; легированные, помимо этих компонентов, – добавки, обеспечивающие требуемые технические характеристики. Распространенные легирующие элементы и их действие:

Хром (Cr). Дешевый и распространенный элемент, введение которого в состав стальных сплавов повышает их прочность, твердость и прокаливаемость. При содержании в количестве 13% и более повышают коррозионную стойкость материала.
Никель (Ni). Дефицитнаядобавка, вводимая обычно в количестве не более 5%. Часто используется в коррозионностойких сталях совместно с хромом. Служит для снижения порога хладноломкости, обеспечения прочности и ударной вязкости. Обеспечивает малый линейный и объемный коэффициент термического расширения. В настоящее время уделяется внимание разработке безникелевых коррозионностойких марок.
Молибден (Mo) и вольфрам (W). Дорогостоящие лигатуры, применяемые при производстве быстрорежущих сталей для повышения их теплостойкости. Эти элементы увеличивают красностойкость, износостойкость, ударную вязкость.
Марганец (Mn). В количестве до 0,6% является постоянной примесью. При искусственном повышении процентного содержания марганец выполняет функции более дешевой альтернативы никеля. Он повышает ударную вязкость, износостойкость и твердость при сохранении хорошей пластичности. Mn связывает серу и, тем самым, нейтрализует ее негативное воздействие на качество материала. Минус марганца – повышение чувствительности сплава к перегреву.
Кремний (Si). Как и марганец, является постоянной примесьюв количестве до 0,4 %. Искусственное повышение его содержания позволяет повысить упругость и прочность материала. Высокий процент Si сообщает сплаву особые свойства, необходимые в электротехнической индустрии, при производстве рессорно-пружинных, кислото- и окалиностойких марок.
Титан (Ti). Обеспечивает комплекс ценных эксплуатационных характеристик – прочности, твердости и пластичности, повышает теплостойкость материала.

Классификация легированных марок стали по количеству легирующих добавок:

низколегированные – до 5%;
легированные – 5-10%;
высоколегированные – выше 10%.

По назначению

По областям применения все марки стали условно разделяют на следующие виды:

Конструкционные. Наиболее обширная категория, используемая в строительстве при создании сварных металлоконструкций, в машиностроении, для сооружения сетей инженерных коммуникаций. К ней относятся – стали обыкновенного качества, качественные углеродистые, низко- и среднелегированные марки. Конструкционные стальные сплавыподвергаются различным видам термической (ТО) и химико-термической обработки (ХТО).
Инструментальные. Используются при производстве режущего, измерительного, штамповочного инструмента. К ним предъявляются высокие требования по прокаливаемости, способности сохранять прочность и износостойкость при нагреве.
Специального назначения. Это конструкционные легированные сплавы с особыми свойствами –кислотостойкие, жаростойкие, жаропрочные, с высоким электросопротивлением.

Таблица условных обозначений химических элементов в маркировке

Наименование элемент	Условное обозначение	Наименование элемента	Условноеобозначение
Хром	Х	Азот	А
Кремний	С	Никель	Н
Титан	Т	Кобальт	К
Медь	Д	Молибден	Мо
Вольфрам	В	Алюминий	Ю
Ванадий	Ф	Марганец	Г

По качеству

Качество – это совокупность характеристик, которые определяются особенностями производства, составом сырья, дополнительными технологическими приемами. Категории качества:

Обыкновенного качества. К этой группе относятся только нелегированные марки. Количество серы не превышает 0,06%, фосфора – 0,07%.
Качественные. Бывают нелегированными и легированными. S – не более 0,04%, P – до 0,04%.
Высококачественные – нелегированные и легированные. Количество серы до 0,02%, фосфора – 0,03%.
Особовысококачественные. Это легированные марки, полученные способами электрошлакового или электродугового переплава, содержат минимально возможное количество вредных примесей: серы – не более 0,15%, фосфора – до 0,025%.

По степени раскисления

Раскисление – это операция, при которой из сплава удаляется кислород, вызывающий его хрупкое разрушение при высокотемпературных деформациях. Элементы, используемые для раскисления: алюминий, марганец, кремний.Классификация марок стали по степени раскисления, влияющей на технологические свойства материала:

Кипящие. По мере твердения выделяются газы, создающие имитацию кипения состава. Для раскисления в этом случае используется марганец. Обычно к этой категории относятся малоуглеродистые марки. Их выгружают из печи практически сразу после внесения раскислителей. В отдельных случаях расплав раскисляют в ковше. Из кипящих сплавов производят прокат крупного сечения, который затем переплавляют на материал более высокого качества или подвергают горячей деформации для получения проката меньших размеров сечения.
Полуспокойные. Бывают только углеродистыми. Отличаются хорошей ковкостью. Для раскисления используются марганец и алюминий.
Спокойные. Качественные легированные марки производят только спокойными. Для раскисления применяют марганец, кремний, алюминий. Кислород в этих сплавах практически весь связывается раскислителями, образовавшимися в результате окислительных реакций,поднимается наверх и удаляется вместе со шлаком. Расплав охлаждается и не сопровождается выделением газов.

По структуре

Структурная форма стали зависит от химического состава, способа производства, дополнительных технологических операций. Различают структуру материала в отожженном и нормализованном состояниях. В отожженном состоянии возможно 6 типов структуры:

Доэвтектоидная. В структуре имеются феррит и перлит, который является смесью двух фаз – феррита и цементита (или карбидов). К ферритному классу относятся все углеродистые и низколегированные стальные сплавы.
Эвтектоидная. Перлитная структура обеспечивает хорошую обрабатываемость стального сплава. Ее дисперсные виды – троостит и сорбит.
Заэвтектоидная. Перлит и цементит, который является представителем фаз внедрения.
Ледебуритная. Первичный ледебурит (эвтектическая смесь перлита и цементита).
Аустенитная. Это твердые растворы, пересыщенные углеродом. Сплавы этого класса образуются при высоких концентрациях хрома, никеля и марганца. Они отличаются высоким уровнем ударной вязкости.
Ферритная. Представляет собой твердые растворы, слабо насыщенные углеродом.

Углеродистые стали могут иметь структуру одного из трех первых классов, легированные – всех шести. После нормализации возможны 4 структурных состояния: ферритное, перлитное, аустенитное и мартенситное. Мартенситная структура, присущая средне- и высоколегированным сталям, характеризуется высокими прочностными характеристиками и мелкозернистостью.

Принципы классификации и маркировки стали по российской системе

В России используются буквенно-цифровые маркировки, конкретный тип которых зависит от качества сплава.

Как расшифровать марку стали в европейской и американской системах

Для коррозионностойких сталей в Европе и Америке часто используют систему маркировки AISI. Она предусматривает наличие трех цифр, одной или нескольких букв. Первая цифра в маркировке металла обозначает класс стали. Следующие две цифры соответствуют порядковому номеру сплава в группе. Значение букв, используемых в маркировке стальных сплавов:

содержание углерода менее 0,03%;
содержание Св пределах 0,03-0,08%;
сплав содержит азот;
малоуглеродистые стали, содержащие азот;
высокая концентрация серы и фосфора;
содержится селен, B – кремний, Cu – медь.

Таблица обозначений легированных сталей в разных системах маркировки

Материаловедение по ортопедической стоматологии

♦ Металлами являются вещества, характеризующиеся в обычных условиях высокими электро- и теплопроводностью, ковкостью, «металлическим» блеском, непрозрачностью и другими свойствами, обусловленными наличием в их кристаллической решетке большого количества не связанных с атомными ядрами подвижных электронов проводимости.

В технике металлы принято делить на черные (железо и сплавы на его основе) и цветные (все остальные).

Свойства металлов объясняются особенностями их строения:

─ расположением и характером движения электронов в атомах;

─ расположением атомов, ионов и молекул в пространстве;

─ размерами, формой и характером кристаллических образований.

Особенности атомного строения определяют характер взаимодействия металлов, способность их давать различного рода соединения, в которые входят несколько металлов, металлы с неметаллами и т.д.

При разных температурах некоторые химические элементы имеют два и более устойчивых типа кристаллических решеток. Существование одного металла в различных кристаллических формах (модификациях) при разных температурах называется полиморфизмом, или аллотропией, а переход из одного строения в другое — полиморфным (аллотропическим) превращением. Аллотропические формы, получающиеся в результате полиморфного превращения, обычно обозначают начальными буквами греческого алфавита.

К таким полиморфным металлам относятся, например, кобальт (Со), олово (Sn), марганец (Mn), железо (Fe). В свою очередь, изменение строения кристаллической решетки вызывает изменение свойств — механических, химических и магнитных, электропроводности, теплопроводности, теплоемкости и др.

К металлам, которые имеют только один тип кристаллической решетки и называются изоморфными, относятся алюминий (Аl), медь (Cu), никель (Ni), хром (Сr), ванадий (W) и др.

Наиболее полную информацию о строении и свойствах металлов получают при использовании комплекса методов исследований:

─ структурных (основаны на макроскопическом, микроскопическом анализах строения металла или сплава и др.);

─ физических (основаны на измерении различных физических свойств: тепловых, магнитных и др.).

Так, например, метод элементного микроанализа изменения поверхности стоматологических сплавов в условиях ротовой полости применяется многими исследователями (Hani Н. et al., 1989).

♦ Металлические сплавы - это макроскопически однородные системы, состоящие из двух или более металлов с характерными металлическими свойствами. В широком смысле сплавами называются любые однородные системы, получаемые сплавлением металлов, неметаллов, оксидов, органических веществ.

Структура и свойства чистых металлов (см. табл. 21) существенно отличаются от структуры и свойств сплавов (см. табл. 22), состоящих из двух и более металлов.

По количеству элементов (компонентов сплава) различают двух-, трех- или многокомпонентные сплавы (см. табл. 19, 28, 31, 35, 38—40).

Образование новых однородных веществ при взаимном проникновении атомов называют фазами сплава.

В расплавленном виде все компоненты обычно находятся в атомарном состоянии, образуя неограниченный жидкий однородный раствор, в любой точке которого химический состав статистически одинаков. При затвердевании расплава атомы компонентов укладываются в порядке кристаллической решетки, образуя твердое кристаллическое вещество — сплав.

Существуют три типа взаимоотношений компонентов сплава:

образование механической смеси, когда каждый элемент кристаллизуется самостоятельно, при этом свойства сплава будут усредненными свойствами элементов, которые его образуют;
образование твердого раствора, когда атомы компонентов образуют кристаллическую решетку одного из элементов, являющегося растворителем, при этом тип решетки основного металла сохраняется;
образование химических соединений, когда при кристаллизации разнородные атомы могут соединяться в определенной пропорции с образованием нового типа решетки, отличающейся от решеток металлов сплава. Образование химического соединения — сложный процесс, при котором создается новое вещество с новыми качествами, а решетка при этом имеет более сложное строение. Соединение теряет основное свойство металла — способность к пластической деформации, становится хрупким.

Соответственно этому, свойства сплавов будут зависеть от того, какие фазы в них образуются: твердые растворы, химические соединения или смеси чистых металлов. Если атомные объемы двух металлов и их температуры плавления резко отличаются, то в жидком состоянии такие элементы обладают, как правило, ограниченной растворимостью.

В то же время неограниченную растворимость, или способность образовывать твердые растворы в любых пропорциях, имеют только металлы с кристаллической решеткой одного типа. Металлы, расположенные недалеко друг от Друга в таблице Менделеева (Сu₂₉ и Ni₂₈; Fe₂₆ и Ni₂₈; Fe₂₆ и Cr₂₄; Fe₂₆ и Co₂₇; Co₂₇ и Ni₂₈) или расположенные в одной группе (As₃₃ и Sb₅₁; Au79 и Ag₄₇; Au₇₉ и Cu₂₉; Bi₈₃ и Sb₅₁), имеют неограниченную растворимость.

Таким образом, взаимодействие элементов в сплавах и характер образующейся структуры определяются положением элементов в таблице Менделеева типом кристаллической решетки, размерами атомов, т.е. физической природой элементов.

Зависимость свойств от состава сплавов:

─ в сплавах, имеющих структуру механических смесей, свойства изменяются в основном прямолинейно. Некоторые свойства механических смесей, в первую очередь твердость и прочность, зависят от размеров частиц (от степени дисперсности) и значительно повышаются при измельчении;

─ в сплавах-твердых растворах — свойства изменяются по криволинейной зависимости;

─ при образовании химических соединений свойства изменяются скачкообразно.

Многие физические и механические свойства сплавов четко зависят от структуры, однако некоторые технологические свойства, такие как литейные (способность обеспечить хорошее качество отливки) или свариваемость, зависят не столько от структуры, сколько от того, в каких температурных условиях проходило затвердевание сплавов.

Так, например, стоматологические сплавы золота, отлитые в форму и быстро охлажденные в воде, будут иметь вид твердого раствора, отличающегося характерной мягкостью, ковкостью и меньшей прочностью, чем сплавы с упорядоченным расположением атомов (Копейкин В.Н., 1995). Однако если ту же отливку охлаждать медленно до комнатной температуры, то твердый раствор, превалирующий при температуре более 424°С, полностью переходит в фазу AuCu путем перераспределения атомов в пространственной кристаллической решетке в более упорядоченную структуру. Это приводит к повышению прочности и твердости при потере ковкости сплава. Сплавы с высоким содержанием золота (выше 88%) не образуют упорядоченной фазы.

Поэтому о зависимости механических и физических свойств однофазных сплавов (α и β) говорят следующие положения, известные из курса металловедения:

─ твердость, прочность и электросопротивление твердых растворов выше, чем у чистых металлов;

─ электропроводность и температурный коэффициент электросопротивления у твердых растворов ниже, чем у чистых металлов;

─ электрохимический потенциал при этом изменяется по плавной кривой.

Помимо свойств металлической матрицы, имеющей определенную кристаллическую решетку и тем самым определяющую основные параметры механических свойств, на последние может оказывать влияние дополнительное легирование такими элементами, как молибден, вольфрам, ниобий, углерод, азот и др. Присутствие их в сплавах даже в небольших количествах значительно повышает прочность, износостойкость, жаропрочность и другие свойства, необходимые при эксплуатации конструкций.

Добавка небольших количеств (0,005%) иридия и рутения превращает грубую зернистую структуру сплавов золота в мелкозернистую, что дает возможность улучшить на 30% прочность на растяжение и предел прочности при удлинении, не влияя при этом на твердость и предел текучести. Особенно эффективно увеличивается прочность при легировании кобальтохромовых сплавов 6% молибденом и дополнительно 1—2% ниобия в присутствии 0,3% углерода. В металлических сплавах образуются различные химические соединения между двумя или несколькими металлами (их называют интерметаллидами) так и между металлом и неметаллом (карбиды, оксиды и т.д.).

Наличие неметаллических включений в структуре сплава ведет к образованию усталости, трещин, внутренних пор и полостей, коррозионному растрескиванию отливок, что приводит в конечном счете к разрушению. Неметаллические включения играют существенную роль в процессе вязкого и усталостного разрушения.

Основу неметаллических включений в сплаве Виталлиум составляют марганец и кремний. В кобальтохромовом сплаве (КХС) содержатся включения нитридов титана и силикаты. Приведенные в таблице 27 данные свидетельствуют, что у образца, испытавшего циклическую нагрузку, произошли изменения почти по всем параметрам: значительно уменьшены пределы упругости и текучести прочности, напряжения, разрушения, относительного удлинения и сужения. Это свидетельствует о тенденции к усталости металла.

В результате циклических напряжений металл «устает», прочность его снижается (см. табл. 27) и наступает разрушение образца (протеза). Такое явление называют усталостью, а сопротивление усталости — выносливостью. Разрушение от усталости происходит всегда внезапно вследствие накопления металлом необратимых изменений, которые приводят к возникновению микроскопических трещин — трещин усталости, возникающих в поверхностных зонах образца. При этом чем больше на поверхности царапин, выбоин и других дефектов, вызывающих концентрацию напряжения, тем быстрее образуются трещины усталости.

В связи с усталостью металла появляются микротрещины на границе неметаллических включений, зерен металла, которые в процессе циклической нагрузки увеличиваются, образуя магистральную трещину, приводящую к разрушению металла.

♦ Основной характеристикой, определяемой при испытании на усталость материала, является предел выносливости - наибольшее напряжение, которое может выдержать материал без разрушения при произвольно большом числе перемен (циклов) нагрузки. Максимальное напряжение, не вызывающее разрушения, соответствует пределу выносливости.

Кроме механических испытаний, металлические материалы подвергаются технологическим испытаниям (изгиб, перегиб и др.) с целью определения их пригодности к различным технологическим операциям в процессе использования. Приложение к образцу нагрузки при механическом испытании приводит к деформации (см. с. 11).

Механические, физические, химические и технологические свойства металлов

Механические свойства характеризуют способность материалов сопротивляться действию внешних сил. К основным механическим свойствам относятся прочность, твердость, ударная вязкость, упругость, пластичность, хрупкость и др.

Прочность — это способность материала сопротивляться разрушающему воздействию внешних сил.

Твердость — это способность материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела под действием нагрузки.

Вязкостью называется свойство материала сопротивляться разрушению под действием динамических нагрузок.

Упругость — это свойство материалов восстанавливать свои размеры и форму после прекращения действия нагрузки.

Пластичностью называется способность материалов изменять свои размеры и форму под действием внешних сил, не разрушаясь при этом.

Хрупкость — это свойство материалов разрушаться под действием внешних сил без остаточных деформаций.

При статических испытаниях на растяжение определяют величины, характеризующие прочность, пластичность и упругость материала. Испытания производятся на цилиндрических (или плоских) образцах с определенным соотношением между длиной l₀ и диаметром d₀. Образец растягивается под действием приложенной силы Р (рис. 1, а) до разрушения. Внешняя нагрузка вызывает в образце напряжение и деформацию. Напряжение σ — это отношение силы Р к площади поперечного сечения F₀, МПа:

Деформация характеризует изменение размеров образца под действием нагрузки, %:

где l₁ — длина растянутого образца.

Деформация может быть упругой (исчезающей после снятия нагрузки) и пластической (остающейся после снятия нагрузки).

При испытаниях стоится диаграмма растяжения, представляющая собой зависимость напряжения от деформации. На рис. 1 приведена такая диаграмма для низкоуглеродистой стали. После проведения испытаний определяются следующие характеристики механических свойств.

Предел упругости σ_у — это максимальное напряжение при котором в образце не возникают пластические деформации.

Предел текучести σ_т — это напряжение, соответствующее площадке текучести на диаграмме растяжения (рис. 1). Если на диаграмме нет площадки текучести (что наблюдается для хрупких материалов), то определяют условный предел текучести σ_0,2 — напряжение, вызывающее пластическую деформацию, равную 0,2 %. Предел прочности (или временное сопротивление) σ_в — это напряжение, отвечающее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец при испытании.

Относительное удлинение после разрыва δ — отношение приращения длины образца при растяжении к начальной длине l₀, %:

где l_к — длина образца после разрыва.

Рис. 1. Статические испытания на растяжение: а – схема испытания;

б – диаграмма растяжения

Относительным сужением после разрыва ψ называется уменьшение площади поперечного сечения образца, отнесенное к начальному сечению образца, %:

где F_к — площадь поперечного сечения образца в месте разрыва. Относительное удлинение и относительное сужение характеризуют пластичность материала.

Твердость металлов измеряется путем вдавливания в испытуемый образец твердого наконечника различной формы.

Метод Бринелля основан на вдавливании в поверхность металла стального закаленного шарика под действием определенной нагрузки. После снятия нагрузки в образце остается отпечаток. Число твердости по Бринеллю НВ определяется отношением нагрузки, действующей на шарик, к площади поверхности полученного отпечатка.

Метод Роквелла основан на вдавливании в испытуемый образец закаленного стального шарика диаметром 1,588 мм (шкала В) или алмазного конуса с углом при вершине 120° (шкалы А и С). Вдавливание производится под действием двух нагрузок — предварительной равной 100 Н и окончательной равной 600, 1000. 1500 Н для шкал А, В и С соответственно. Число твердости по Роквеллу HRA, HRB и HRC определяется по разности глубин вдавливания.

В методе Виккерса применяют вдавливание алмазной четырехгранной пирамиды с углом при вершине 136°. Число твердости по Виккерсу HV определяется отношением приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка.

Ударная вязкость определяется работой A, затраченной на разрушение образца, отнесенной к площади его поперечною сечения F; Дж/м 2 :

Испытания проводятся ударом специального маятникового копра. Для испытания применяется стандартный надрезанный образец, устанавливаемый на опорах копра. Маятник определенной массы наносит удар по стороне противоположной надрезу.

К физическим свойствам материалов относится плотность, температура плавления, электропроводность, теплопроводность, магнитные свойства, коэффициент температурного расширения и др.

Плотностью называется отношение массы однородного материала к единице его объема.

Это свойство важно при использовании материалов в авиационной и ракетной технике, где создаваемые конструкции должны быть легкими и прочными.

Температура плавления — это такая температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. Чем ниже температура плавления металла, тем легче протекают процессы его плавления, сварки и тем они дешевле.

Электропроводностью называется способность материала хорошо и без потерь на выделение тепла проводить электрический ток. Хорошей электропроводностью обладают металлы и их сплавы, особенно медь и алюминий. Большинство неметаллических материалов не способны проводить электрический ток, что также является важным свойством, используемом в электроизоляционных материалах.

Теплопроводность — это способность материала переносить теплоту от более нагретых частей тел к менее нагретым. Хорошей теплопроводностью характеризуются металлические материалы.

Магнитными свойствами т.е. способностью хорошо намагничиваться обладают только железо, никель, кобальт и их сплавы.

Коэффициенты линейного и объемного расширения характеризуют способность материала расширяться при нагревании. Это свойство важно учитывать при строительстве мостов, прокладке железнодорожных и трамвайных путей и т.д.

Химические свойства характеризуют склонность материалов к взаимодействию с различными веществами и связаны со способностью материалов противостоять вредному действию этих веществ. Способность металлов и сплавов сопротивляться действию различных агрессивных сред называется коррозионной стойкостью, а аналогичная способность неметаллических материалов — химической стойкостью.

К эксплуатационным (служебным) свойствам относятся жаростойкость, жаропрочность, износостойкость, радиационная стойкость, коррозионная и химическая стойкость и др.

Жаростойкость характеризует способность металлического материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.

Жаропрочность характеризует способность материала сохранять механические свойства при высокой температуре.

Износостойкость — это способность материала сопротивляться разрушению его поверхностных слоев при трении.

Радиационная стойкость характеризует способность материала сопротивляться действию ядерного облучения.

Технологические свойства определяют способность материалов подвергаться различным видом обработки. Литейные свойства характеризуются способностью металлов и сплавов в расплавленном состоянии хорошо заполнять полость литейной формы и точно воспроизводить ее очертания (жидкотекучестъю), величиной уменьшения объема при затвердевании (усадкой), склонностью к образованию трещин и пор, склонностью к поглощению газов в расплавленном состоянии. Ковкость — это способность металлов и сплавов подвергаться различным видам обработки давлением без разрушения. Свариваемость определяется способностью материалов образовывать прочные сварные соединения. Обрабатываемость резанием определяется способностью материалов поддаваться обработке режущим инструментом.

Теория сплавов

Металлическим сплавом называется материал, полученный сплавлением двух или более металлов или металлов с неметаллами, обладающий металлическими свойствами. Вещества, которые образуют сплав называются компонентами.

Фазой называют однородную часть сплава, характеризующуюся определенными составом и строением и отделенную от других частей сплава поверхностью раздела. Под структурой понимают форму размер и характер взаимного расположения фаз в металлах и сплавах. Структурными составляющими называют обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями.

Виды сплавов по структуре. По характеру взаимодействия компонентов все сплавы подразделяются на три основных типа: механические смеси, химические соединения и твердые растворы.

Механическая смесь двух компонентов А и В образуется, если они не способны к взаимодействию или взаимному растворению. Каждый компонент при этом кристаллизуется в свою кристаллическую решетку. Структура механических смесей неоднородная, состоящая из отдельных зерен компонента А и компонента В. Свойства механических смесей зависят от количественного соотношения компонентов: чем больше в сплаве данного компонента, тем ближе к его свойствам свойства смеси.

Химическое соединение образуется когда компоненты сплава А и В вступают в химическое взаимодействие. При этом при этом соотношение чисел атомов в соединении соответствует его химической формуле А_mВ_n . Химическое соединение имеет свою кристаллическую решетку, которая отличается от кристаллических решеток компонентов. Химические соединения имеют однородную структуру, состоящую из одинаковых по составу и свойствам зерен.

При образовании твердого раствора атомы одного компонента входят в кристаллическую решетку другого. Твердые растворы замещения образуются в результате частичного замещения атомов кристаллической решетки одного компонента атомами второго (рис. 6, б).

Твердые растворы внедрения образуются когда атомы растворенного компонента внедряются в кристаллическую решетку компонента -растворителя (рис. 6, в). Твердый раствор имеет однородную структуру, одну кристаллическую решетку. В отличие от химического соединения твердый раствор существует не при строго определенном соотношении компонентов, а в интервале концентраций. Обозначают твердые растворы строчными буквами греческого алфавита: α, β, γ, δ и т. д.

Диаграмма состояния

Диаграмма состояния показывает строение сплава в зависимости от соотношения компонентов и от температуры. Она строится экспериментально по кривым охлаждения сплавов (рис. 8). В отличие от чистых металлов сплавы кристаллизуются не при постоянной температуре, а в интервале температур. Поэтому на кривых охлаждения сплавов имеется две критические точки. В верхней критической точке, называемой точкой ликвидус (t_л), начинается кристаллизация. В нижней критической точке, которая называется точкой солидус (t_c), кристаллизация завершается. Кривая охлаждения механической смеси (рис. 8, а) отличается от кривой охлаждения твердого раствора (рис. 8, б) наличием горизонтального участка. На этом участке происходит кристаллизация эвтектики.

Эвтектикой называют механическую смесь двух фаз, одновременно кристаллизовавшихся из жидкого сплава. Эвтектика имеет определенный химический состав и образуется при постоянной температуре.

Диаграмму состояния строят в координатах температура-концентрация. Линии диаграммы разграничивают области одинаковых фазовых состояний. Вид диаграммы зависит от того, как взаимодействуют между собой компоненты. Для построения диаграммы состояния используют большое количество кривых охлаждения для сплавов различных концентраций. При построении диаграммы критические точки переносятся с кривых охлаждения на диаграмму и соединяются линией. В получившихся на диаграмме областях записывают фазы или структурные составляющие. Линия диаграммы состояния на которой при охлаждении начинается кристаллизация сплава называется линией ликвидус, а линия на которой кристаллизация завершается — линией солидус.

Виды диаграмм состояния

Диаграмма состояния сплавов, образующих механические смеси (рис. 9), характеризуется отсутствием растворения компонентов в твердом состоянии. Поэтому в этом сплаве возможно образование трех фаз: жидкого сплава Ж, кристаллов А и кристаллов В. Линия АСВ диаграммы является линией ликвидус: на участке АС при охлаждении начинается кристаллизация компонента А, а на участке СD — компонента В. Линия DСВ является линией солидус, на ней завершается кристаллизация А или В и при постоянной температуре происходит кристаллизация эвтектики Э. Сплавы концентрация которых соответствует точке С диаграммы называются эвтектическими, их структура представляет собой чистую эвтектику.

Сплавы, расположенные на диаграмме левее эвтектического, называются доэвтектическими, их структура состоит из зерен А и эвтектики. Те сплавы которые на диаграмме расположены правее эвтектического, называются заэвтектическими, их структура представляет собой зерна В, окруженные эвтектикой.

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии изображена на рис. 10. Для этого сплава возможно образование двух фаз: жидкого сплава и твердого раствора а. На диаграмме имеется всего две линии, верхняя является линией ликвидус, а нижняя — линией солидус.

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии показана на рис 11. В этом сплаве могут существовать три фазы — жидкий сплав, твердый раствор α компонента В в компоненте А и твердый раствор β компонента А в компоненте В. Данная диаграмма содержит в себе элементы двух предыдущих. Линия АСВ является линией ликвидус, линия АDСЕВ — линией солидус. Здесь также образуется эвтектика, имеются эвтектический, доэвтектический и заэвтектический сплавы. По линиям FD и EG происходит выделение вторичных кристаллов α_IIи β_II(вследствие уменьшения растворимости с понижением температуры). Процесс выделения вторичных кристаллов из твердой фазы называется вторичной кристаллизацией.

Диаграмма состояния сплавов, образующих химическое соединение (рис. 12) характеризуется наличием вертикальной линии, соответствующей соотношением компонентов в химическом соединении А_mВ_n. Эта линия делит диаграмму на две части, которые можно рассматривать как самостоятельные диаграммы сплавов, образуемых одним из компонентов с химическим соединением. На рис. 12 изображена диаграмма для случая, когда каждый из компонентов образует с химическим соединением механическую смесь.

Читайте также: