Металлургия в нашей жизни занимает исключительно важную роль. Нет, далеко не каждый из нас принадлежит к славному сословию сталеваров, но мы ежедневно сталкиваемся с изделиями из металлов. Как правило, сделаны они из самых разнообразных сплавов. Кстати, а что это такое?
Основные определения
Вообще сплавы металлов - это материалы, полученные методом выплавки, при производстве которых были использованы два или более металлических элемента (в химическом смысле), а также (опционально) специальные присадки. Одним из первых материалов такого рода была бронза. В ее состав входит 85% меди и 15% олова (80:20 в случае колокольной бронзы). В настоящее время существует несколько разновидностей этого соединения, в составе которых вообще нет олова. Но встречаются они не так уж и часто.
Нужно четко понимать, что сплавы металлов в большинстве случаев образуются вообще без участи человека. Дело в том, что получить абсолютно чистый с химической точки зрения материал можно только в лаборатории. В любом металле, который используется в бытовых условиях, наверняка есть следы другого элемента. Классический пример - золотые украшения. В каждом из них есть определенная доля меди. Впрочем, в классическом смысле под этим определением все равно понимают соединение двух и более металлов, которое было целенаправленно получено человеком.
Вся история человека является отличным примером того, как сплавы металлов оказались способны оказать огромное влияние на развитие всей нашей цивилизации. Не случайно есть даже длительный исторический период, который называется «Бронзовый век».
Общие характеристики сплавов металлов
А сейчас мы рассмотрим общие свойства металлов и сплавов, которыми те характеризуются. Их же очень часто можно встретить в специализированной литературе.
Характеристика | Расшифровка |
Прочность | Способность сплава противостоять механическим нагрузкам и противиться разрушению. |
Твердость | Свойство, которое определяет сопротивляемость материала попыткам внедрить в его толщу деталь из другого сплава или металла. |
Упругость | Способность к восстановлению начальной формы после приложения значительного механического усилия, нагрузки. |
Пластичность | Напротив, это свойство, характеризующее возможность изменения формы и размером под действием приложенного усилия, механической нагрузки. Кроме того, это оно же характеризует способность детали сохранять вновь приобретенную форму на протяжении длительного времени. |
Вязкость | — способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) нагрузкам |
Вот какими качествами характеризуются сплавы металлов. Таблица поможет вам в них разобраться.
Сведения о производстве
В принципе, в настоящее время под «сплавом» вполне может пониматься материал, в основе которого лежит только один химический элемент, но «разбавленный» целым пакетом присадок. Наиболее распространенный способ их получения, расплавление до жидкого состояния, мало изменился с глубокой древности.
К примеру, анализ металлов и сплавов показывает, что древние индийцы овладели удивительным для своего времени уровнем обработки металла. Они даже начали создавать сплавы с использованием тугоплавкого цинка, что и в наше время является довольно-таки трудоемкой и сложной процедурой.
На сегодняшний день для этих целей довольно широко используется также порошковая металлургия. Особенно часто этим методом обрабатывают черные металлы и сплавы на их основе, так как в этом случае зачастую требуется максимальная дешевизна как самого процесса, так и выпускаемой продукции.
Распространение сплавов в современной промышленности
Следует заметить, что все металлы, которые интенсивно используются современной промышленностью, являются именно сплавами. Так, более 90% всего получаемого в мире железа идет на изготовление чугунов и различных сталей. Объясняется такой подход к делу тем, что сплавы металлов в большинстве случаев демонстрируют лучшие свойства, нежели чем их «прародители».
Так, предел текучести чистого алюминия составляет всего лишь 35 Мпа. А вот если в него добавить 1,6% меди, магния и цинка в соотношении 2,5% и 5,6% соответственно, то этот показатель может легко превысить даже 500 МПа. Кроме прочего, можно значительно улучшить свойства электропроводности, теплопроводности или другие. Никакой мистики в этом нет: в сплавах строение кристаллической решетки изменяется, что и позволяет приобретать им прочие свойства.
Проще говоря, количество такого рода материалов в наши дни велико, но оно постоянно продолжает расти.
Основные классификационные сведения
В общем-то, никаких особенных сложностей здесь нет: соединения, в которых использованы цветные металлы и сплавы на основе железа. Ниже мы разберем обе этих категории на примере основных видов, а также обсудим сферы их применения в современной промышленности и на производстве.
Стали
Все соединения железа, содержащие до 2% углерода, называются сталями. Если в составе имеется хром, ванадий или молибден, то их называют легированными. С этими материалами мы сталкиваемся постоянно, ежедневно и ежечасно. Количество сталей на сегодняшний день таково, что одно их перечисление могло бы занять не слишком тонкую книгу.
Как ни странно, но свинец издавна был известен поварам и рестораторам, так как из него нередко делали столовую посуду и приборы. Сплав, который использовался для этого, называется пьютер. В его состав входит приблизительно 85-90% олова. Оставшиеся 10-15% как раз-таки занимает свинец (стандартный сплав двух металлов).
Техники также наверняка знакомы с баббитами. Это также соединения на основе свинца, в состав которых также входит олово, а также мышьяк и сурьму. Эти сплавы весьма ядовиты, но из-за некоторых особых качеств их активно используют в подшипниковой отрасли промышленности.
О легких сплавах
Как мы уже говорили, свойства металлов и сплавов отличаются тем, что у вторых во многих случаях характеристики выше. Особенно это заметно в отношении современной промышленности. В последние годы ей требуется огромное количество легких сплавов, которые обладают повышенной механической прочностью, а также устойчивостью к воздействиям неблагоприятных факторов внешней среды и высокой температуре.
Чаще всего для их производства используется алюминий, бериллий, а также магний. Особенно востребованы соединения на основе алюминия и магния, так как сфера их возможного применения чрезвычайно широка.
Сплавы на основе алюминия
Как мы уже говорили, без них современную промышленность представить себе решительно невозможно. Судите сами: сплавы алюминия активно применяются в авиационной, космической, военной, научно-инженерной и прочих отраслях. Без алюминия невозможно представить себе производителей современной бытовой и мобильной техники, так как корпуса из этого металла все чаще используются современными флагманами этих отраслей.
Какими они бывают?
Делятся сплавы алюминия сразу на три большие группы:
- Литейные (Al - Si). Особенно широко они распространены в автомобилестроении и военной промышленности.
- Сплавы, предназначенные для литья под давлением (Al - Mg).
- Соединения повышенной прочности, самозакаливающиеся (Al - Cu).
Достоинства и недостатки этого материала
Многие сплавы из этого материала экономичны, сравнительно недороги и весьма долговечны, так как не поддаются коррозии. Отличаются высокой прочностью в условиях экстремально низких температур (аэрокосмические отрасли) и весьма простым процессом обработки. Для их формовки не требуется особенно сложного и дорогостоящего оборудования, так как они сравнительно пластичные и вязкие (смотрите таблицу с характеристиками).
Увы, но есть у них и свои недостатки. Так, при температурах выше 175 °С механические свойства алюминия и сплавов на его основе начинают стремительно ухудшаться. Зато благодаря наличию амальгамы на их поверхности (защитной пленки из гидроксида алюминия) они обладают выдающейся устойчивостью к действию агрессивных химических сред, в том числе кислот и щелочей.
Они имеют отличную электропроводность и теплопроводность, немагнитны. Считается, что они абсолютно безвредны для здоровья человека, а потому их можно использовать для производства пищевой посуды и столовых принадлежностей. Впрочем, последние исследователи медиков все же говорят о том, что соединения алюминия в некоторых случаях могут провоцировать развитие болезни Альцгеймера.
Военные полюбили эти материалы за то, что они не дают искр даже при резких механических воздействиях и ударах. Кроме того, они отлично поглощают ударные нагрузки. Проще говоря, некоторые эти сплавы металлов (состав которых чаще всего засекречен) активно используются для производства легкой брони для оснащения ей разнообразных БТР, БМП, БРДМ и прочей техники.
Благодаря всем этим свойствам сплавы на основе повсеместно используют для производства поршней для двигателей внутреннего сгорания, а также в производстве строительных конструкций (устойчивость к коррозии). Широко используется алюминий и материалы на его основе в производстве отражателей для светотехнических представлений, электропроводки, а также для изготовления корпусов разнообразной техники (не намагничивается).
Важно заметить, что даже в теоретически чистом алюминии порой содержится значительная примесь железа. Оно может способствовать более высокой механической прочности материала, но его присутствие делает сплав на основе алюминия сильно подверженным коррозионным процессам. Кроме того, сплав в значительной степени утрачивает свою пластичность, что также не слишком хорошо в большинстве случаев.
Ослабить негативное действие примесей железа помогает кобальт, хром или марганец. Если же в состав сплава входит литий, то получается весьма прочный и упругий материал. Неудивительно, что такое соединение пользуется большой популярностью в авиакосмической промышленности. Увы, но сплавы лития с алюминием имеют неприятное свойство, которое опять-таки выражается в плохой пластичности.
Подведем некоторые итоги. Получается, что основные сплавы металлов в космонавтике, авиации и прочих высокотехнологичных отраслях, имеют в своем составе алюминий. В общем-то, именно так и обстоят дела на сегодняшний день, но нередко в современной промышленности используется магний и его сплавы.
Сплавы магния
Они имеют крайне невысокую массу, а также характеризуются весьма впечатляющей прочностью. Кроме того, именно эти материалы великолепно подходят для литейной промышленности, а заготовки прекрасно поддаются токарной и фрезеровочной обработке. А потому их активно используют в производстве ракет и авиационных турбин, корпусов приборов, дисков автомобильных колес, а также некоторых сортов броневой стали.
Некоторые разновидности этих сплавов отличаются великолепными показателями вязкостного демпфирования, а потому они идут на производство деталей и конструкций, которым приходится работать в условиях экстремально высокого уровня вибраций.
Достоинства и недостатки магниевых сплавов
Они довольно мягкие, сравнительно неплохо сопротивляются износу, но отличаются не слишком впечатляющей пластичностью. Зато они отличаются прекрасной приспособленностью к формовке в условиях высоких температур, отлично приспособлены для соединения с использованием всех существующих разновидностей сварок, а также могут быть соединены посредством болтовых соединений, клепки и даже склеивания.
Увы, но все эти сплавы не отличаются особенной стойкостью к воздействию кислот и щелочей. Крайне негативно на них воздействует долгое пребывание в морской воде. Впрочем, магниевые сплавы на удивление стабильны в условиях воздушной среды, так что многими их недостатками можно пренебречь. Если же требуется надежно защитить такие детали от действия коррозии, то применяют нанесение хромового покрытия, анодирование или подобные же методы.
Их можно плакировать при помощи никеля, меди или хрома, предварительно погружая в расплав химически чистого цинка. При такой обработке резко возрастают показатели их прочности и устойчивости к истиранию. Нужно напомнить, что магний является довольно-таки активным с химической точки зрения металлом, а потому при работе с ним необходимо соблюдать хотя бы базовые меры безопасности.
Таким образом, производство металлов и сплавов является ключевой особенностью современной промышленностью. С каждым годом люди изобретают все больше способов получения новых материалов, так что вскоре мы наверняка получим совершенно невероятные соединения, которые будут сочетать в себе полезные свойства сразу нескольких групп материалов и химических элементов.
Известно, что в чистом виде металлы используются редко. Чаще всего нас окружают различные соединения металлов и их сплавы. Сплавы – это вещества, состоящие из химических элементов, один из которых является металлом.
Получение сплавов
Очень давно было замечено, что если смешать расплавленные металлы и остудить полученную смесь, то получается вещество, свойства которого отличаются от свойств каждого из металлов. Так, если в расплавленную медь добавить алюминий, то в результате химической реакции получается новое соединение с формулой АlСи.
Сплавы получают различными способами. Если смешивают расплавленные компоненты, а затем производят кристаллизацию полученного расплава, то получают литой сплав. Кристаллизация – это процесс перехода из жидкого состояния в твердое. При этом образуется соединение с кристаллической структурой. А если смешивают порошки компонентов, а затем спекают смесь при высокой температуре, то получают сплав, который называется порошковым сплавом. Для улучшения свойств в сплавы вводятся элементы, которые называются легирующими.
Виды сплавов
В состав сплавов могут входить только металлы или соединения металлов с неметаллами. Свое название сплав обычно получает от названия элемента, который содержится в сплаве в самом большом количестве и составляет основу сплава. Так, если основой сплава является железо, то сплавы называются чёрными. А если основа сплавов - цветные металлы, то и сплавы называются цветными. Бывают ещё сплавы редких металлов и сплавы радиоактивных металлов.
Черные сплавы
В сплавах могут быть два и более компонентов.
Наиболее известные чёрные сплавы – сталь и чугун. Оба эти сплава являются смесью железа и углерода. Но чугун содержит углерода намного больше, чем сталь. Кроме углерода, в чугун входят сера, фосфор, марганец и кремний. В сталь также добавляются эти элементы, но в гораздо меньших количествах. Чугун – хрупкий материал. Его применяют там, где не требуется ковка. А вот сталь не только прочный, но и пластичный материал. Поэтому она широко применяется в промышленности в металлических конструкциях, механизмах, деталях, для изготовления режущих инструментов и т. д. В нашем доме нас окружают изделия из нержавеющей стали: ножи, вилки, ложки, ножницы, тёрки, кастрюли.
Цветные сплавы
Самые известные сплавы меди – бронза и латунь.
Сплав меди с оловом называют бронзой. В III тысячелетии до н.э из меди изготавливались орудия труда, так как залежи меди в то время были огромны. Выяснилось, что если медь соединить с оловом, то получается вещество, более поддающееся литью. Так впервые была получена бронза. Следующее тысячелетие назвали «бронзовым веком». В XV в. из бронзы начали отливать пушки. В наше время бронза применяется в машиностроение для изготовления различных деталей.
Латунь – сплав меди с цинком. Используется в производстве техники, автомобилестроении, в химической промышленности. Интересно, что латунь внешне схожа с золотом. Поэтому до XIX века ее часто выдавали за золото.
Соединение меди с алюминием называют алюминиевой бронзой. Алюминиевая бронза - очень пластичный материал.
Мельхиор - сплав меди и никеля. Используется для изготовления столовых приборов и художественных изделий.
Известный алюминиевый сплав дюралюминий – соединение алюминия с медью, магнием и марганцем. Применяется в авиационной промышленности и авиастроении.
Магниевые, титановые, берилиевые сплавы также находят свое применение в промышленности и медицине.
Металлы и сплавы играют очень важную роль в различных видах жизнедеятельности человека. Невозможно перечислить все сферы, в которых металлы и их сплавы находят применение.
Введение
Используемые в технике металлы принято подразделять на две основные группы - черные и цветные. К черным металлам относят железо и его сплавы (чугун, сталь, ферросплавы). Остальные металлы и их сплавы составляют группу цветных.
Из металлов особое значение имеют железо и его сплавы, являющиеся до настоящего времени основным машиностроительным материалом. В общемировом производстве металлов свыше 90% приходятся на железо и его сплавы. Это объясняется ценными физическими и механическими свойствами черных металлов, а также тем, что железные руды широко распространены в природе, а производство чугуна и стали сравнительно дешево и просто.
Наряду с черными металлами важное значение в технике имеют цветные металлы. Это объясняется рядом важных физико-химических свойств, которыми не обладают черные металлы. Наиболее широко используют в самолетостроении, радиотехнике, электронике и в других отраслях промышленности медь, алюминий, магний, никель, титан, вольфрам, а также бериллий, германий и другие цветные металлы.
Особое развитие за последние 30 лет получило производство синтетических материалов - пластмасс. Пластмассы и другие неметаллические материалы используют в конструкциях машин и механизмов взамен металлов и сплавов. Такие материалы позволяют повысить сроки службы деталей и узлов машин и установок, снизить массу конструкций, сэкономить дефицитные цветные металлы и сплавы, снизить стоимость и трудоемкость обработки.
Рациональный выбор материалов и совершенствование технологических процессов их обработки обеспечивают надежность конструкций, снижают себестоимость и повышают производительность труда. Прикладную науку о строении и свойствах технических материалов, основной задачей которой является установление связи между составом, структурой и свойствами, называют материаловедением.
Материаловедение - это наука о взаимосвязи электронного строения, структуры материалов с их составом, физическими, химическими, технологическими и эксплуатационными свойствами.
Создание научных основ металловедения по праву принадлежит Чернову Д.К., который установил критические температуры фазовых превращений в сталях и их связь с количеством углерода в сталях. Этим были заложены основы для важнейшей в металловедении диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов.
Открытием аллотропических превращений в стали, Чернов заложил фундамент термической обработки стали. Учет критических точек в стали позволил рационально выбирать температуру ее закалки, отпуска и пластической деформации в производственных условиях.
В своих работах по кристаллизации стали, и строению слитка Чернов изложил основные положения теории литья, не утратившие своего научного и практического значения в настоящее время.
Великий русский металлург Аносов П.П. впервые применил микроскоп для исследования структуры металлов. Ему принадлежит приоритет в создании легированных сталей. Разработал теорию и технологию изготовления клинков из булатной стали. Из его работ стало ясно, что так называемый булатный узор на поверхности стали, непосредственно зависит от ее внутренней структуры.
До настоящего времени основной материальной базой машиностроения служит черная металлургия, производящая стали и чугуны. Эти материалы имеют много положительных качеств и, в первую очередь, обеспечивают высокую конструкционную прочность деталей машин. Однако эти классические материалы имеют такие недостатки как большая плотность, низкая коррозионная стойкость. Потери от коррозии составляют 20% годового производства стали и чугуна. Поэтому, по данным научных исследований, через 20…40 лет все развитые страны перестроятся на массовое использование металлических сплавов на базе титана, магния, алюминия. Эти легкие и прочные сплавы позволяют в 2-3 раза облегчить станки и машины, в 10 раз уменьшить расходы на ремонт.
Важное значение имеет устранение отставания нашей страны в области использования новых материалов взамен традиционных (металлических) - пластмасс, керамики, материалов порошковой металлургии, особенно композиционных материалов, что экономит дефицитные металлы, снижает затраты энергии на производство материалов, уменьшает массу изделий.
Цели и задачи проекта:
Цель проекта:
Изучить расширение сферы применения сплавов на основе железа в машиностроении.
Задачи проекта:
Изучить особенности состава, строения и свойств сплавов на основе железа;
Рассмотреть основные области применения данных сплавов.
История железа
Железо как инструментальный материал известно с древнейших времён. Самые древние изделия из железа, найденные при археологических раскопках, датируются 4-м тысячелетием до н. э. и относятся к древнешумерской и древнеегипетской цивилизациям. Это изготовленные из метеоритного железа, то есть сплава железа и никеля (содержание последнего колеблется от 5 до 30 %), украшения из египетских гробниц (около 3800 года до н. э.) и кинжал из шумерского города Ура (около 3100 года до н. э.). От небесного происхождения метеоритного железа происходит, видимо, одно из названий железа в греческом и латинском языках: «сидер» (что значит «звёздный»).
Железо - элемент восьмой группы побочной подгруппы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 26. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).
Простое вещество железо - ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается на воздухе.
Собственно железом обычно называют его сплавы с малым содержанием примесей (до 0,8 %), которые сохраняют мягкость и пластичность чистого металла. Но на практике чаще применяются сплавы железа с углеродом: сталь (до 2,14 вес. % углерода) и чугун (более 2,14 вес. % углерода), а также нержавеющая (легированная) сталь с добавками легирующих металлов (хром, марганец, никель и др.). Совокупность специфических свойств железа и его сплавов делают его «металлом № 1» по важности для человека.
В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего оно встречается в составе железо-никелевых метеоритов. Распространённость железа в земной коре - 4,65 % (4-е место после O, Si, Al). Считается также, что железо составляет бо́льшую часть земного ядра.
Характерные степени окисления
Для железа характерны степени окисления - +2 и +3.
Степени окисления +2 соответствует чёрный оксид FeO и зелёный гидроксид Fe(OH) 2 . Они имеют основный характер. В солях Fe (+2) присутствует в виде катиона. Fe (+2) - слабый восстановитель.
Степени окисления +3 соответствуют красно-коричневый оксид Fe 2 O 3 и коричневый гидроксид Fe(OH) 3 . Они носят амфотерный характер.
Получение:
1.Чистое железо можно получить электролитическим восстановлением солей железа.
FeCl 2 = Fe 2+ + 2Cl -
2. Восстановление оксидов железа Fe 2 O 3 и Fe 3 O 4 при алюминотермии:
8Al + 3Fe 3 O 4 = 9Fe + 4Al 2 O 3
3. Основная масса железа используется не в чистом виде, а в виде сплавов с углеродом (чугуна и стали) и другими элементами. Основная масса железа вырабатывается в доменных печах. Процесс, протекающий в доменной печи при получении сплавов железа, основан на восстановлении оксидов железа при нагревании:
3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2
Fe 3 O 4 + CO = 3FeO + CO 2
FeO + CO = Fe + CO 2
FeO + C = Fe + CO
Физические свойства:
Чистое железо - серебристо-белый металл, быстро тускнеющий (ржавеющий) на влажном воздухе или в воде, содержащей кислород. Железо пластично, легко подвергается ковке и прокатке, температура плавления 1539°С. Обладает сильными магнитными свойствами (ферромагнетик), хорошей тепло- и электропроводностью.
Химические свойства:
Железо - активный металл.
1. На воздухе образуется защитная оксидная пленка, препятствующая ржавению металла:
3Fe + 2O 2 = Fe 2 O 3 FeO (феррит железа)
2. Во влажном воздухе железо окисляется и покрывается ржавчиной, которая частично состоит из гидратированного оксида железа (III).
4Fe + 3О 2 + 6Н 2 О = 4Fe(ОН) 3
3. Взаимодействует с хлором, углеродом и другими неметаллами при нагревании:
2Fe + 3Cl 2 = 2FeCl 3
4.Железо вытесняет из растворов солей металлы, находящиеся в электрохимическом ряду напряжений правее железа:
Fe + CuSO 4 = FeSO 4 + Cu
5. Растворяется в разбавленных серной и соляной кислотах c выделением водорода:
Fe + 2 HCl = FeCl 2 + H 2
Применение:
Железо - один из самых используемых металлов, на него приходится до 95 % мирового металлургического производства.
1. Железо является основным компонентом сталей и чугунов -важнейших конструкционных материалов.
2. Железо может входить в состав сплавов на основе других металлов - например, никелевых.
3. Магнитная окись железа (магнетит) - важный материал в производстве устройств долговременной компьютерной памяти: жёстких дисков, дискет и т. п.
4. Ультрадисперсный порошок магнетита используется во многих чёрно-белых лазерных принтерах в смеси с полимерными гранулами в качестве тонера. Здесь одновременно используется чёрный цвет магнетита и его способность прилипать к намагниченному валику переноса.
5. Уникальные ферромагнитные свойства ряда сплавов на основе железа способствуют их широкому применению в электротехнике для магнитопроводов трансформаторов и электродвигателей.
6. Хлорид железа (III) (хлорное железо) используется в радиолюбительской практике для травления печатных плат.
7. Семиводный сульфат железа (железный купорос) в смеси с медным купоросом используется для борьбы с вредными грибками в садоводстве и строительстве.
8. Железо применяется в качестве анода в железо-никелевых аккумуляторах, железо-воздушных аккумуляторах.
9. Водные растворы хлоридов двухвалентного и трёхвалентного железа, а также его сульфатов используются в качестве коагулянтов в процессах очистки природных и сточных вод на водоподготовке промышленных предприятий.
Сплавы.
Сплав - макроскопически однородный металлический материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов.
Сплавы состоят из основы (одного или нескольких металлов), малых добавок, специально вводимых в сплав легирующих и модифицирующих элементов, а также из неудалённых примесей (природных, технологических и случайных).
Сплавы являются одним из основных конструкционных материалов. Среди них наибольшее значение имеют сплавы на основе железа и алюминия. В технике применяется более 5 тыс. сплавов.
Виды сплавов.
По способу изготовления сплавов различают литые и порошковые сплавы. Литые сплавы получают кристаллизацией расплава смешанных компонентов. Порошковые - прессованием смеси порошков с последующим спеканием при высокой температуре. Компонентами порошкового сплава могут быть не только порошки простых веществ, но и порошки химических соединений. Например, основными компонентами твёрдых сплавов являются карбиды вольфрама или титана.
По способу получения заготовки (изделия) различают литейные (например, чугуны, силумины), деформируемые (например, стали) и порошковые сплавы.
В твердом агрегатном состоянии сплав может быть гомогенным (однородным, однофазным - состоит из кристаллитов одного типа) и гетерогенным (неоднородным, многофазным).Твёрдый раствор является основой сплава (матричная фаза). Фазовый состав гетерогенного сплава зависит от его химического состава. В сплаве могут присутствовать: твердые растворы внедрения, твердые растворы замещения, химических соединений (в том числе карбиды, нитриды, интерметаллиды) и кристаллиты простых веществ.
Сплавы, используемые в промышленности.
Сплавы различают по назначению: конструкционные, инструментальные и специальные.
Сплавами называют материалы, состоящие из нескольких химических элементов, из которых хотя бы один является металлом.
В металлургии железо и его сплавы называют чёрными металлами.
Все сплавы железа разделяют на стали и чугуны.
В чистом виде железо слишком мягкое, поэтому для повышения прочности в него вводят углерод. В зависимости от его содержания сплавы железа делятся на стали и чугуны. Если углерода в сплаве содержится более 2,14%, то такой сплав называется чугуном, если менее 2,14%, то это сталь. Сплавы имеют более разнообразные свойства по сравнению с металлами, поэтому в промышленности редко используют чистые металлы. В большинстве случаев для изготовления деталей различных машин и приборов применяют сплавы. Сплавы являются главными конструкционными материалами. Их свойства - жаростойкость, коррозионная стойкость, прочность, твердость и т.д. обусловливают широкое применение сплавов в технике.
Сплавы проявляют общие свойства металлов: металлический блеск, высокие электропроводность и теплопроводность. Но свойства сплавов отличаются от свойств их компонентов. Твердость сплавов больше твердости металлов, входящих в их состав. Плотность сплава равна средней плотности металлов, входящих в его состав. Температура плавления сплава, как правило, меньше температуры плавления наиболее легкоплавкого компонента.
Чугун.
Чугуном называется сплав железа с углеродом, содержащий углерода от 2,14 до 6,67%.
Чугун - дешевый машиностроительный материал, обладающий хорошими литейными качествами. Он является сырьем для выплавки стали. Получают чугун из железной руды с помощью топлива и флюсов.
Получение чугуна - сложный химический процесс. Он состоит из трех стадий: восстановления железа из оксидов, превращения железа в чугун и шлакообразования.
Свойства чугуна зависят главным образом от содержания в нем углерода и других примесей, неизбежно входящих в его состав: кремния (до 4,3%), марганца (до 2%), серы (до 0,07%) и фосфора (до 1,2%).
Углерод - один из главных элементов в чугуне. В зависимости от количества и состояния входящего в сплав углерода получаются те или иные сорта чугуна. С железом углерод соединяется двояко: в жидком чугуне углерод находится в растворенном состоянии, а в твердом- в химически связанном с железом или в виде механической примеси в форме мелких пластинок графита.
Кремний - важнейший после углерода элемент в чугуне, он увеличивает его жидкотекучесть, улучшает литейные свойства и делает чугун более мягким.
Марганец повышает прочность чугуна.
Сера в чугуне - вредная примесь, вызывающая красноломкость (образование трещин в горячих отливках). Она ухудшает жидкотекучесть чугуна, делая его густым, вследствие чего он плохо заполняет форму.
Фосфор понижает механические свойства чугуна и вызывает хладноломкость (образование трещин в холодных отливках). В зависимости от состояния, в котором углерод находится в чугуне, чугун подразделяется на белый (углерод в химическом соединении с железом в виде цементита FeC) и серый (свободный углерод в виде графита).
Белый чугун очень твердый и хрупкий, плохо поддается отливке, трудно обрабатывается режущим инструментом. Он обычно идет на переплавку в сталь или на получение ковкого чугуна и поэтому называется передельным.
Серый чугун наиболее широко применяется в машиностроении. Он мало пластичен и вязок, но легко обрабатывается резанием, применяется для малоответственных деталей и деталей, работающих на износ. Серый чугун с высоким содержанием фосфора (0,3-1,2%) жидкотекуч и используется для художественного литья.
Серый чугун маркируется буквами и двумя числами, например СЧ 120-280. Буквы СЧ обозначают серый чугун, первое число - предел прочности (в МПа) при испытании на разрыв, а второе число - предел прочности (также в МПа) при испытании на изгиб.
В зависимости от химического состава и назначения чугуны подразделяют на легированные, специальные, или ферросплавы, ковкие и высокопрочные чугуны.
Легированный чугун наряду с обычными примесями содержит элементы: хром, никель, титан и др. Эти элементы улучшают твердость, прочность, износостойкость. Различают хромистые, титановые, никелевые чугуны. Их применяют для изготовления деталей машин с повышенными механическими свойствами, работающих в водных растворах, в газовых и других агрессивных средах.
Специальный чугун, или ферросплав, имеет повышенное содержание кремния или марганца. К нему относятся ферромарганец, содержащий до 25% марганца, и ферросилиций, содержащий 9-13% кремния и 15-25% марганца. Эти чугуны применяются при плавке стали для ее раскисления, т.е. для удаления из стали вредной примеси - кислорода.
Ковкий чугун получают термообработкой из белого чугуна. Он получил свое название из-за повышенной пластичности и вязкости (хотя обработке давлением не подвергается). Ковкий чугун обладает повышенной прочностью при растяжении и высоким сопротивлением удару. Из ковкого чугуна изготовляют детали сложной формы: картеры заднего моста автомобилей, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д.
Маркируется ковкий чугун двумя буквами и двумя числами, например КЧ 370-12. Буквы КЧ означают ковкий чугун, первое число - предел прочности (в МПа) на разрыв, второе число - относительное удлинение (в процентах), характеризующее пластичность чугуна.
Сталь.
Сплав железа с углеродом, в котором углерода содержится не более 2,14%, называют сталью.
По своему химическому составу различают сталь углеродистую и сталь легированную.
Углеродистая сталь, кроме углерода, содержит примеси кремния, серы и фосфора. Эта сталь имеет низкие электротехнические свойства, невысокую прочность. Она теряет твёрдость и режущую способность уже при 200 о С. Кроме того, она подвергается коррозии в агрессивных средах.
Для улучшения физических и химических свойств стали в неё добавляют элементы, которые называют легирующими. А сама сталь называется легированной. В процессе легирования в сталь добавляют вольфрам, хром, никель, молибден, ванадий, а также большое количество марганца и кремния. Так, марганец увеличивает твёрдость и прочность стали. Медь делает сталь устойчивой к коррозии. А никель и хром увеличивает вязкость. Легированная сталь не имеет недостатков, присущих углеродистой стали.
По количественному содержанию добавок легированную сталь делят на три группы: низколегированную, среднелегированную и высоколегированную. Низколегированная сталь содержит не более 2,5% добавок. Среднелегированная – от 2,5 до 10%. А в состав высоколегированной стали входит более 10% добавок. Высоколегированные стали различаются на нержавеющие, жаростойкие и жаропрочные стали.
На заре металлургии сталь получали из железной руды в плавильных горнах. Но оказалось, что гораздо проще и дешевле получать сталь из чугуна. Поэтому в современной металлургии чугун переплавляют в сталеплавильных печах, чтобы выжечь из него излишки водорода. И получают высококачественную сталь.
Сталь - прочный и пластичный материал. Её используют в металлических конструкциях зданий, мостов, в опорах линий электропередач, трубопроводах, резервуарах, в производстве арматуры, посуды, различного электрооборудования. Без стали невозможно представить кораблестроение, автомобилестроение, авиастроение и многие другие отрасли современной промышленности.
Выделяют несколько структурных состояний. Если содержание углерода находится в пределах 0,025-0,8%, то данные стали называются доэвтектоидными и имеют в своей структуре перлит и феррит. Если сталь заэвтектоидная, то можно наблюдать перлитную и цементитную фазы. Особенностью ферритной структуры является большая пластичность. Цементит же обладает немалой твердостью. Перлит образуют обе предыдущие фазы. Он может иметь зернистую форму (по зернам феррита располагаются включения цементита, которые имеют круглую форму) и пластинчатую (обе фазы имеют вид пластин). Если сталь нагревается выше той температуры, при которой происходят полиморфные модификации, то структура изменяется на аустенитную. Данная фаза имеет повышенную пластичность. Если содержание углерода превышает 2,14%, то такие материалы и сплавы называют чугунами.
Виды стали.
В зависимости от состава сталь может быть углеродной и легированной. Содержание углерода меньше 0,25% характеризует низкоуглеродистую сталь. Если его количество достигает 0,55%, то можно говорить о среднеуглеродистом сплаве. Сталь, которая в своем составе имеет больше 0,6% углерода, называется высокоуглеродистой. Если при том, как изготовляется сплав, технология подразумевает введение специфических химических элементов, то данная сталь называется легированной. Введение различных компонентов значительно меняет ее свойства. Если их количество не превышает 4%, то сплав низколегированный. Среднелегированная и высоколегированная сталь имеет соответственно до 11% и больше 12% включений. В зависимости от того, в какой сфере применяются стальные сплавы, выделяют такие их виды: инструментальные, конструкционные и специальные стали и сплавы.
Технология изготовления: Процесс выплавки стали довольно трудоемкий. Он включает в себя несколько этапов. Прежде всего, необходимо сырье – железная руда. Первый этап включает нагрев до определенной температуры. При этом происходят окислительные процессы. На втором этапе температура становится значительно выше. Процессы окисления углерода проходят более интенсивно. Возможно дополнительное обогащение сплава кислородом. Ненужные примеси удаляются в шлак. Следующий шаг направлен на удаление кислорода из стали, так как он существенно снижает механические свойства. Это может проводится диффузионным или осаждающим способом. Если процесс раскисления не происходит, то получаемая сталь называется кипящей. Спокойный сплав газы не выделяет, кислород удаляется полностью. Промежуточное положение занимают полуспокойные стали. Производство сплавов железа происходи в мартеновских, индукционных печах, кислородных конвертерах.
Легирование стали: для того чтобы получить те или иные свойства стали, в ее состав вводят специальные легирующие вещества. Основными преимуществами такого сплава являются повышенная стойкость к различным деформациям, надежность деталей и прочих конструкционных элементов значительно возрастает. При закалке снижается процент трещин и других дефектов. Нередко такой метод насыщения разными элементами используется для придания стойкости к химической коррозии. Но имеется и ряд недостатков. Они требуют дополнительной обработки, высока вероятность появления флокенов. К тому же возрастает и стоимость материала. Наиболее распространенные легирующие элементы – хром, никель, вольфрам, молибден, кобальт. Область их применения довольно велика. Это и машиностроение, и изготовление деталей трубопроводов, электростанций, авиация и многое другое.
Понятие жаропрочности и жароустойчивости. Под понятием жаропрочности подразумевается способность металла или сплава сохранять все свои характеристики при работе в высоких температурах. В такой среде часто наблюдается газовая коррозия. Поэтому материал должен обладать и стойкостью к ее действию, то есть быть жаростойким. Таким образом, характеристика сплавов, которые используются при значительной температуре, должна включать оба этих понятия. Только тогда такие стали обеспечат необходимый ресурс работы для деталей, инструментов и других конструкционных элементов.
Особенности жаропрочной стали. В случаях, когда температура достигает больших значений, требуется применение сплавов, которые не будут разрушаться и поддаваться деформации. В этом случае используют жаростойкие сплавы. Рабочая температура для таких материалов – выше 500ºС. Немаловажными моментами, характеризующими подобные стали, являются высокий предел выносливости, пластичность, которая сохраняется долгое время, а также релаксационная устойчивость. Существует ряд элементов, способных значительно повысить стойкость к высоким температурам: кобальт, вольфрам, молибден. Обязательным компонентом является и хром. Он не столько влияет на прочность, как повышает окалиностойкость. Также хром препятствует коррозийным процессам. Еще одна важная характеристика сплавов подобного типа – медленная ползучесть.
Никель обладает целым рядом полезных свойств. Он положительно влияет на обрабатываемость стали (как в горячем, так и в холодном состоянии). Если деталь или инструмент предназначены для работы в агрессивной среде, то легирование данным элементом существенно повышает стойкость против коррозии. Жаростойкие материалы на основе никеля разделяют на такие группы: жаропрочные и собственно жаростойкие. Последние должны иметь также минимальные жаропрочные характеристики. Рабочие температуры достигают 1200ºС. Дополнительно вводят хром или титан. Характерно, что стали, легированные никелем, имеют небольшое количество таких примесей, как барий, магний, бор, поэтому границы зерен более упрочнены. Жаропрочные сплавы такого типа выпускаются в виде поковок, проката. Также возможен отлив деталей. Основная область их применения – изготовление элементов газовых турбин. Жаростойкие сплавы на основе никеля имеют в составе и до 30% хрома. Они достаточно хорошо поддаются штамповке, свариванию. К тому же, окалиностойкость находится на высоком уровне. Это дает возможность использовать их в газопроводных системах.
Область применения сплавов специального назначения. Отраслей, в которых применяются сплавы с особенными характеристиками, множество. Ввиду своих улучшенных качеств, они являются незаменимыми в машиностроении, строительстве, нефтяной промышленности. Жаропрочные и жаростойкие сплавы применяются при изготовлении деталей турбин, запчастей для автомобилей. Стали, которые обладают высокими антикоррозийными характеристиками, незаменимы для производства труб, игл карбюраторов, дисков, всевозможных элементов химической промышленности. Рельсы для железной дороги, ковши, гусеницы для транспорта – основой для всего этого являются износостойкие стали. В массовом производстве болтов, гаек и других подобных деталей используются сплавы автоматные. Рессоры должны быть достаточно упругими и износостойкими. Поэтому материалом для них является пружинная сталь. Для улучшения данного качества они дополнительно легируются хромом, молибденом. Все специальные сплавы и стали с набором определенных характеристик позволяют снизить стоимость деталей там, где раньше применялись цветные металлы.
заключение
Данный проект позволил мне изучить дополнительную информацию о металлах, в частности о железе: его свойствах физических и химических, природных соединениях, способах получения и применения, а также изучить сплавы на основе железа: чугуны и стали: их состав, структуру, классификацию, области применения, т.к. еще многие годы человечество будет использовать металлы и их сплавы, которые продолжают играть ведущую роль в развитии всех отраслей народного хозяйства.
В своей повседневной жизни окружен различными металлами. В большинстве предметов, которыми мы пользуемся, присутствуют эти химические вещества. Это все произошло потому, что люди нашли разнообразные способы получения металлов.
Что такое металлы
Этими ценными для людей веществами занимается неорганическая химия. Получение металлов позволяет человеку создавать все более совершенную технику, совершенствующую нашу жизнь. Что же они собой представляют? Прежде чем рассмотреть общие способы получения металлов, необходимо разобраться, какими они бывают. Металлы представляют собой группу химических элементов в виде простых веществ, обладающую характерными свойствами:
Тепло- и электропроводностью;
Высокой пластичностью;
Блеском.
Человек легко может отличить их от других веществ. Характерной чертой всех металлов является наличие особого блеска. Он получается благодаря отражению падающих лучей света на не пропускающую их поверхность. Блеск - это общее свойство всех металлов, но ярче всего оно проявляется у серебра.
На сегодняшний день учеными открыто 96 таких химических элементов, хотя еще не все из них признаны официальной наукой. Их разбивают на группы в зависимости от присущих им характерных свойств. Так выделяют следующие металлы:
Щелочные - 6;
Щелочноземельные - 6;
Переходные - 38;
Легкие - 11;
Полуметаллы - 7;
Лантаноиды - 14;
Актиноиды - 14.
Получение металлов
Для того чтобы изготовить сплав, необходимо в первую очередь получить металл из природной руды. Самородные элементы - это те вещества, которые находятся в природе в свободном состоянии. К ним относится платина, золото, олово, ртуть. Их отделяют от примесей механически или с помощью химических реагентов.
Остальные металлы добывают путем обработки их соединений. Они содержатся в различных ископаемых. Руда - это минералы и горные породы, в состав которых входят соединения металлов в виде оксидов, карбонатов или сульфидов. Для их получения используют химическую обработку.
Восстановление оксидов углем;
Получение олова из оловянного камня;
Обжигание сернистых соединений в специальных печах.
Для облегчения добывания металлов из рудных пород к ним добавляют различные вещества, называемые флюсами. Они помогают удалять нежелательные примеси, такие как глина, известняк, песок. В результате этого процесса получаются легкоплавкие соединения, называемые шлаками.
При наличии значительного количества примесей руду перед выплавкой металла обогащают путем удаления большой части ненужных компонентов. Наиболее широко применяемые способы данной обработки - флотация, магнитный и гравитационный способ.
Щелочные металлы
Массовое получение щелочных металлов - более сложный процесс. Это обусловлено тем, что они встречаются в природе только в виде химических соединений. Поскольку они являются восстановителями, их получение сопровождается высокими энергетическими затратами. Существует несколько способов добывания щелочных металлов:
Литий можно получить из его оксида в вакууме или путем электролиза расплава его хлорида, образующегося при переработке сподумена.
Натрий добывают путем прокаливания соды с углем в плотно закрытых тиглях или электролизом расплава хлорида с добавлением кальция. Первый способ наиболее трудоемкий.
Калий получают электролизом расплава его солей либо, пропуская пары натрия через его хлорид. Также он образуется при взаимодействии расплавленного гидроксида калия и жидкого натрия при температуре 440°С.
Цезий и рубидий добывают при помощи восстановления их хлоридов кальцием при 700-800 °С или цирконием при 650 °С. Получение щелочных металлов таким способом является крайне энергоемким и дорогостоящим.
Различия между металлами и сплавами
Принципиально четкой границы между металлами и их сплавами практически не существует, поскольку даже самые чистые, простые вещества имеют какую-то долю примесей. Так в чем же различие между ними? Практически все металлы, используемые в промышленности и в других отраслях народного хозяйства, используются в виде сплавов, полученных целенаправленно путем добавления к основному химическому элементу других компонентов.
Сплавы
Техника нуждается в разнообразных металлических материалах. При этом чистые химические элементы практически не применяются, поскольку они не обладают необходимыми для людей свойствами. Для своих нужд мы изобрели разные способы получения сплавов. Под этим термином подразумевается макроскопически однородный материал, который состоит из 2 или нескольких химических элементов. При этом в сплаве преобладают металлические компоненты. Это вещество имеет свою структуру. В сплавах различают следующие составляющие:
Основа, состоящая из одного или нескольких металлов;
Малые добавки модифицирующих и легирующих элементов;
Неудаленные примеси (технологические, природные, случайные).
Именно сплавы металлов являются основным конструкционным материалом. В технике их насчитывают более 5000.
Несмотря на такое многообразие сплавов, наибольшее значение для людей играют те, основу которых составляет железо и алюминий. Именно они чаще всего встречаются в повседневной жизни. Виды сплавов бывают различными. Причем их разделяют по нескольким критериям. Так применяются различные способы изготовления сплавов. По данному критерию их делят на:
Литые, которые получены путем кристаллизации расплава смешанных компонентов.
Порошковые, созданные при помощи прессования смеси порошков и последующего спекания при высокой температуре. Причем зачастую компонентами таких сплавов являются не только простые химические элементы, но и их различные соединения, такие как карбиды титана или вольфрама в твердых сплавах. Их добавление в тех или иных количествах изменяет материалов.
Способы получения сплавов в виде готового изделия или заготовки разделяют на:
Литейные (силумин, чугун);
Деформируемые (стали);
Порошковые (титан, вольфрам).
Типы сплавов
Способы получения металлов бывают разными, при этом и изготовленные благодаря им материалы обладают различными свойствами. В твердом агрегатном состоянии сплавы бывают:
Гомогенными (однородными), состоящими из кристаллов одного типа. Их часто называют однофазными.
Гетерогенными (неоднородными), именуемые многофазными. При их получении в качестве основы сплава берется твердый раствор (матричная фаза). Состав гетерогенных веществ такого типа зависит от состава его химических элементов. В таких сплавах могут быть следующие компоненты: твердые растворы внедрения и замещения, химические соединения (карбиды, интерметаллиды, нитриды), кристаллиты простых веществ.
Свойства сплавов
Вне зависимости от того, какие способы получения металлов и сплавов используются, их свойства полностью определяются кристаллической структурой фаз и микроструктурой этих материалов. У каждого из них они разные. Макроскопические свойства сплавов зависят от их микроструктуры. Они в любых случаях отличаются от характеристик их фаз, зависящих исключительно от кристаллической структуры материала. Макроскопическая однородность гетерогенных (многофазных) сплавов получается в результате равномерного распределения фаз в матрице металла.
Важнейшим свойством сплавов считается свариваемость. В остальном они идентичны металлам. Так, сплавы обладают тепло- и электропроводностью, пластичностью и отражательной способностью (блеском).
Разновидности сплавов
Различные способы получения сплавов позволили человеку изобрести большое количество металлических материалов, обладающих различными свойствами и характеристиками. По своему назначению они делятся на такие группы:
Конструкционные (сталь, дюралюминий, чугун). К данной группе относятся и сплавы со специальными свойствами. Так они отличаются искробезопасностью или антифрикционными свойствами. К ним относятся латуни и бронзы.
Для заливки подшипников (баббит).
Для электронагревательной и измерительной аппаратуры (нихром, манганин).
Для производства режущих инструментов (победит).
В производстве люди используют и другие виды металлических материалов, таких как легкоплавкие, жаропрочные, коррозионностойкие и аморфные сплавы. Также широкое применение находят магниты и термоэлектрики (телуриды и селениды висмута, свинца, сурьмы и другие).
Железные сплавы
Практически все выплавляемое на Земле железо направляется на производство простых и Также оно используется в производстве чугуна. Сплавы железа получили свою популярность благодаря тому, что обладают полезными для человека свойствами. Они были получены в результате добавления к простому химическому элементу различных компонентов. Так, несмотря на то, что различные сплавы железа изготавливаются на основе одного вещества, стали и чугуны обладают различными свойствами. Благодаря этому они находят разные сферы применения. Большинство сталей тверже чугуна. Различные методы получения этих металлов позволяют получать разные сорта (марки) этих сплавов железа.
Улучшение свойств сплавов
Благодаря сплавлению некоторых металлов и других химических элементов можно получить материалы с улучшенными характеристиками. Так, например, чистого алюминия составляет 35 МПа. При получении сплава этого металла с медью (1,6%), цинком (5,6%), магнием (2,5%) этот показатель превышает 500 МПа.
Благодаря соединению в разных соотношениях различных химических веществ можно получить металлические материалы с улучшенными магнитными, термическими или электрическими свойствами. Главную роль в этом процессе играет структура сплава, представляющая собой распределение его кристаллов и тип связей между атомами.
Стали и чугуны
Эти сплавы получаются путем и углерода (2%). При производстве легированных материалов к ним добавляются никель, хром, ванадий. Все обычные стали подразделяют на виды:
Малоуглеродистая (0,25 % углерода) используется для изготовления различных конструкций;
Высокоуглеродистая (более 0,55%) предназначена для производства режущих инструментов.
Различные марки легированных сталей применяются в машиностроении и другой продукции.
Сплав железа с углеродом, процентное содержание которого составляет 2-4%, называется чугуном. В состав этого материала входит и кремний. Из чугуна отливают различные изделия, обладающие хорошими механическими свойствами.
Цветные металлы
Помимо железа, для изготовления различных металлических материалов используются и другие химические элементы. В результате их соединения получают цветные сплавы. В жизни людей наибольшее применение нашли материалы на основе:
Меди, называемые латунями. Они содержат 5-45% цинка. Если его содержание составляет 5-20%, то латунь называется красной, а если 20-36%- желтой. Существуют сплавы меди с кремнием, оловом, бериллием, алюминием. Они называются бронзами. Имеется несколько видов таких сплавов.
Свинца, представляющие собой обычный припой (третник). В этом сплаве на 1 часть данного химического вещества припадает 2 части олова. При производстве подшипников применяется баббит, который являет собой сплав свинца, олова, мышьяка и сурьмы.
Алюминия, титана, магния и бериллия, представляющие собой легкие цветные сплавы, обладающие высокой прочностью и отличными механическими свойствами.
Способы получения
Основные способы получения металлов и сплавов:
Литейный, при котором происходит затвердевание разных расплавленных компонентов. Для получения сплавов используют пирометаллургический и электрометаллургический методы получения металлов. При первом варианте для разогрева сырья используют тепловую энергию, полученную в процессе сгорания топлива. Пирометаллургическим методом получают стали в мартеновских печах и чугуны в домнах. При электрометаллургическом способе сырье нагревают в индукционных или дуговых электрических печах. При этом сырье расславляется очень быстро.
Порошковый, при котором для изготовления сплава используются порошки его компонентов. Благодаря прессованию им придают определенную форму, а затем спекают в специальных печах.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
РЕФЕРАТ
РАЗНОВИДНОСТИ СПЛАВОВ
Сплав -- макроскопически однородная смесь двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов. Основной или единственной фазой сплава, как правило, является твёрдый раствор легирующих элементов в металле, являющемся основой сплава.
Сплавы имеют металлические свойства, например: металлический блеск, высокие электропроводность и теплопроводность. Иногда компонентами сплава могут быть не только химические элементы, но и химические соединения, обладающие металлическими свойствами. Например, основными компонентами твёрдых сплавов являются карбиды вольфрама или титана. Макроскопические свойства сплавов всегда отличаются от свойств их компонентов, а макроскопическая однородность многофазных (гетерогенных) сплавов достигается за счёт равномерного распределения примесных фаз в металлической матрице.
Сплавы обычно получают с помощью смешивания компонентов в расплавленном состоянии с последующим охлаждением. При высоких температурах плавления компонентов, сплавы производятся смешиванием порошков металлов с последующим спеканием (так получаются, например, многие вольфрамовые сплавы).
Сплавы являются одним из основных конструкционных материалов. Среди них наибольшее значение имеют сплавы на основе железа и алюминия. В состав многих сплавов могут вводиться и неметаллы, такие как углерод, кремний, бор и др. В технике применяется более 5 тыс. сплавов.
Сплавы различаются по своему предназначению.
Конструкционные сплавы:
дюралюминий
Конструкционные со специальными свойствами (например, искробезопасность, антифрикционные свойства):
Для заливки подшипников:
Для измерительной и электронагревательной аппаратуры:
манганин
Для изготовления режущих инструментов:
В промышленности также используются жаропрочные, легкоплавкие и коррозионностойкие сплавы, термоэлектрические и магнитные материалы, а также аморфные сплавы.
Сталь (польск. stal, от нем. Stahl) -- деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (и другими элементами), содержание углерода в котором не превышает 2,14 %, но не меньше 0,022 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.
Учитывая, что в сталь могут быть добавлены легирующие элементы, сталью называется содержащий не менее 45 % железа сплав железа с углеродом и легирующими элементами (легированная, высоколегированная сталь).
В древнерусских письменных источниках сталь именовалась специальными терминами: «Оцел», «Харолуг» и «Уклад». В некоторых славянских языках и сегодня сталь называется «Оцел», например в чешском.
Сталь -- важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта, строительства и прочих отраслей народного хозяйства.
Стали с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различного назначения, в приборостроении -- для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок.
Чугумн -- сплав железа с углеродом (содержанием более 2,14 %). Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют: белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Как правило, чугун хрупок. Мировое производство чугуна в 2007 составило 953 млн тонн (в том числе в Китае -- 477 млн тонн).
Виды чугунa:
Белый чугун
В белом чугуне весь углерод находится в виде цементита. Структура такого чугуна -- перлит, ледебурит и цементит. Такое название этот чугун получил из-за светлого цвета излома.
Серый чугун
Серый чугун это сплав железа, кремния (от 1,2- 3,5 %) и углерода, содержащий также постоянные примеси Mn, P, S. В структуре таких чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита пластинчатой формы. Излом такого чугуна из-за наличия графита имеет серый цвет.
Ковкий чугун
Основная статья: Ковкий чугун
Ковкий чугун получают длительным отжигом белого чугуна, в результате которого образуется графит хлопьевидной формы. Металлическая основа такого чугуна: феррит и реже перлит.
Высокопрочный чугун
Высокопрочный чугун имеет в своей структуре шаровидный графит, который образуется в процессе кристаллизации. Шаровидный графит ослабляет металлическую основу не так сильно как пластинчатый, и не является концентратором напряжений.
Половинчатый чугун
В половинчатом чугуне часть углерода (более 0,8 %) содержится в виде цементита. Структурные составляющие такого чугуна -- перлит, ледебурит и пластинчатый графит.
Фирменное название дюрамль (Dural®) в русском языке стало по преимуществу разговорным и профессионально-жаргонным. Иногда встречаются также старая (основная до 1940-х) форма дуралюмимний и англизированные варианты дуралюмимн, дюралюмимн, крайне редко также дурамль. Название происходит от немецкого города Дюрен, нем. Dьren, где в 1909 году было начато его промышленное производство
Свойства и применение
Первое применение дюралюминия -- изготовление каркаса дирижаблей жёсткой конструкции, с 1911 года -- более широкое применение. Состав сплава и термообработка в годы войны были засекречены. Благодаря высокой удельной прочности дюралюминий начиная с 1920-х годов становится важнейшим конструкционным материалом в самолётостроении.
Плотность сплава 2500--2800 кг/мі, температура плавления около 650 °C. Сплав широко применяется в авиастроении, при производстве скоростных поездов (например поездов Синкансен) и во многих других отраслях машиностроения (так как отличается существенно большей твердостью, чем чистый алюминий).
После отжига (нагрева до температуры около 500 °C и охлаждения) становится мягким и гибким (как алюминий). После старения (естественного -- при 20 °C -- несколько суток, искусственного -- при повышенной температуре -- несколько часов) становится твёрдым и жёстким.
В настоящее время сплавы алюминий -- медь -- магний с добавками марганца -- известны под общим названием дюралюмины. В их число входят сплавы следующих марок: Д1, Д16, Д18, В65, Д19, В17, ВАД1. Дюралюмины упрочняются термообработкой; подвергаются, как правило, закалке и естественному старению. Характеризуются сочетанием высокой статической прочности (до 450--500 МПа) при комнатной и повышенной (до 150--175 °C) температурах, высоких усталостной прочности и вязкости разрушения. сплав свойство чугун дюралюминий
Недостаток дюралюминов -- низкая коррозионная стойкость, изделия требуют тщательной защиты от коррозии. Листы дюралюминов, как правило, плакируют чистым алюминием.
Баббит -- антифрикционный сплав на основе олова или свинца, предназначенный для использования в виде слоя, залитого или напыленного по корпусу вкладыша подшипника.
Наиболее распространённые варианты сплава:
90 % олова, 10 % меди;
89 % олова, 7 % сурьмы, 4 % меди;
80 % свинца, 15 % сурьмы, 5 % олова;
В качестве присадок могут быть использованы: сурьма, медь, никель, мышьяк, кадмий, теллур, кальций, натрий, магний.
Температура плавления -- 300--440 °C.
Первый подшипниковый сплав разработан американцем Исааком Бэббитом в 1839 году.
Баббит, основу которого составляет олово (Б88, Б83, Б83С, SAE11, SAE12, ASTM2), используют, когда от антифрикционного материала требуются повышенная вязкость и минимальный коэффициент трения. Оловянный баббит по сравнению со свинцовым обладает более высокой коррозионной стойкостью, износостойкостью и теплопроводностью.
Баббиты на основе свинца (Б16, БН, БСб, БКА, БК2, БК2Ш, SAE13, SAE14, ASTM7, SAE15, ASTM15) обладают более высокой рабочей температурой, чем на основе олова. Применяется для подшипников дизельных двигателей, прокатных станов.
Свинцовокальциевый баббит используют в подшипниках подвижного состава железнодорожного транспорта.
Все баббиты имеют существенный недостаток -- низкое сопротивление усталости, что ухудшает работоспособность подшипника. Из-за небольшой прочности баббиты могут успешно эксплуатироваться только в подшипниках, имеющих прочный стальной (чугунный) или бронзовый корпус. Обычно тонкостенные подшипниковые вкладыши автомобильных двигателей изготовляют штамповкой из биметаллической ленты, полученной на линии непрерывной заливки. Продолжительность работы подшипников зависит от толщины баббитового слоя, залитого на стальной вкладыш. Уменьшение толщины слоя увеличивает срок службы подшипника.
Манганин -- термостабильный сплав на основе меди (около 85 %) с добавкой марганца (Mn) (11,5--13,5 %) и никеля (Ni) (2,5--3,5 %). Характеризуется чрезвычайно малым изменением электрического сопротивления в области комнатных температур. Впервые предложен в Германии в 1889.
Манганин -- основной материал для электроизмерительных приборов и образцовых сопротивлений -- эталонов магазинов, мостовых схем, шунтов, дополнительных сопротивлений приборов высокого класса точности. Максимальная рабочая температура -- 300 °C.
Существенное преимущество манганина перед константаном заключается в том, что манганин обладает очень малой термоЭДС в паре с медью (не более 1 мкв/1°С), поэтому в приборах высокого класса точности применяют только манганин. В то же время манганин, в отличие от константана, неустойчив против коррозии в атмосфере, содержащей пары кислот, аммиака, а также чувствителен к значительному изменению влажности воздуха.
Нихромм -- общее название группы сплавов, состоящих, в зависимости от марки сплава, из 55--78 % никеля, 15--23 % хрома, с добавками марганца, кремния, железа, алюминия.
Первый нихромовый сплав разработан в США в 1905 году А. Маршем.
Основными достоинствами нихромовых сплавов являются высокая жаростойкость в окислительной атмосфере (до 1250 °C), высокое электрическое сопротивление (1,05--1,4 Ом/ммІ·м). Нихром применяется для изготовления нагревательных элементов электропечей, бытовых приборов. Из нихрома изготавливают детали, работающие при высокой температуре, резисторные элементы, реостаты.
Победит -- металлокерамический твердый сплав. твёрдый сплав карбида вольфрама WC и кобальта в соотношении 90% и 10% масс, соответственно. По твёрдости близок к алмазу (80--90 по шкале Роквелла), применяется при бурении горных пород.
Разработан в 1929 году в СССР[источник не указан 67 дней], где в основном использовался для режущих инструментов. Сейчас сплав применяется для оснащения волочильного инструмента, в качестве резцов и т.д. При создании используются методы порошковой металлургии.
Металлокерамические сплавы обладают особенно высокой твердостью. Победит изготовляется в виде пластинок различной формы и размера. Процесс изготовления сводится к следующему: мелкий порошок карбида вольфрама или другого тугоплавкого карбида и мелкий порошок связующего металла кобальта или никеля перемешиваются и затем прессуются в соответствующих формах. Спрессованные пластины спекаются при температуре, близкой к температуре плавления связующего металла, что дает очень плотный и твердый сплав. Пластинки из этого сверхтвердого сплава применяются для изготовления металлорежущего и бурового инструмента. Пластинки напаиваются на державки режущего инструмента медью. Термообработка не требуется.
В настоящее время разработаны и другие вольфрам-кобальтовые сплавы, однако для них продолжают использовать название «победит».
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Понятие сплавов, их типы и классификация. Описание физико-химических, механических, технологических и литейных свойств металлов и сплавов. Процесс получения чугуна и стали. Химические элементы, применяемые для легирования. Разновидности сплавов золота.
реферат , добавлен 09.05.2012
Металлы как группа элементов, обладающая характерными металлическими свойствами: высокие тепло- и электропроводность, высокая пластичность и металлический блеск. Отличительные особенности металлов от неметаллов. Порядок получения данных элементов.
презентация , добавлен 24.05.2012
Углерод как основа всех органических веществ. Анализ истории производства и использования железа. Рассмотрение диаграммы равновесия сплава Fe-C. Виды чугунов: серый, белый, ковкий. Особенности технологии производства и обработки железа и сплавов.
курсовая работа , добавлен 15.01.2013
История возникновения сплавов. Коррозионная стойкость, литейные свойства, жаропрочность и электрическое сопротивление сплавов. Основные свойства сплавов. Раствор одного металла в другом и механическая смесь металлов. Классификация и группы сплавов.
презентация , добавлен 30.09.2011
Физические свойства металлов и сплавов. Химические свойства металлов и сплавов. Сплавы. Требования к сплавам и виды сплавов. Методы испытания полиграфических сплавов. Металлы и сплавы, применяемые в полиграфии.
реферат , добавлен 06.09.2006
Анодное оксидирование алюминия и его сплавов. Закономерности анодного поведения алюминия и его сплавов в растворах кислот на начальных стадиях формирования АОП и вторичных процессов, оказывающих влияние на структуру и свойства формирующегося слоя оксида.
Классификация и общая характеристика медно-никелевых сплавов, влияние примесей на их свойства. Коррозионное поведение медно-никелевых сплавов. Термодинамическое моделирование свойств твёрдых металлических растворов. Энергетические параметры теории.
дипломная работа , добавлен 13.03.2011
Кристаллическая структура ниобия, золота и их сплавов; количество и положение междоузлий. Диаграмма состояния системы Nb-V; график зависимости периода кристаллической решетки от состава сплава; стереографические проекции; кристаллографические расчеты.
курсовая работа , добавлен 09.05.2013
Уменьшение скорости коррозии как метод противокоррозийной защиты металлов и сплавов. Классификация защитных покрытий (металлические, гальванические, металлизация напылением, неметаллические покрытия, органические, ингибиторная, кислородная и другие).
курсовая работа , добавлен 16.11.2009
Ознакомление с химическими свойствами алюминия, его применение. Рассмотрение буквенно-цифровой и цифровой маркировки алюминиевых сплавов; их деление на деформируемые, литейные, спеченные и гранулируемые. История получения алюминия Гансом Эрстедом.
