Какими свойствами могут отличаться сплавы от чистых металлов

Металлические изделия и детали используются в разных сферах промышленности. Существует множество видов металлов и каждый из них обладает сильными и слабыми сторонами. При изготовлении деталей для машин, самолётов или промышленного оборудования мастера обращают внимание на характеристики материала. Поэтому требуется знать свойства металлов и сплавов.

Свойства металлов и сплавов

У металлов есть признаки, которые их характеризуют:

1. Высокие показатели теплопроводности. Металлические материалы хорошо проводят электричество.
2. Блеск на изломе.
3. Ковкость.
4. Кристаллическая структура.

Не все материалы прочные и обладают высокими показателя износоустойчивости. Это же касается плавления при высоких температурах.

Классификация металлов

Металлы разделяются на две большие группы — черные и цветные. Представители обоих видов различаются не только характеристиками, но и внешним видом.

Черные

Представители этой группы считаются самыми распространёнными и недорогими. В большинстве своем имеют серый или тёмный цвет. Плавятся при высокой температуре, обладают высокой твердостью и большой плотностью. Главный представитель этой группы — железо. Эта группа разделяется на подгруппы:

1. Железные — к представителям этой подгруппы относится железо, никель и кобальт.
2. Тугоплавкие — сюда входят металлы температура плавления которых начинается с 1600 градусов. Их применяют при создании основ для сплавов.
3. Редкоземельные — к ним относятся церий, празеодим и неодим. Обладают низкой прочностью.

Существуют урановые и щелочноземельные металлы, однако они менее популярны.

Цветные

Представители этой группы отличаются яркой окраской, меньшей прочностью, твердостью и температурой плавления (не для всех). Разделяется эта группа на следующие подгруппы:

1. Лёгкие — подгруппа, включающая в себя металлы с плотностью до 5000 кг/м3. Это такие материалы, как литий, натрий, калий, магний и другие.
2. Тяжёлые — сюда относится серебро, медь, свинец и другие. Плотность превышает 5000 кг/м3.
3. Благородные — представили этой подгруппы имеют высокую стоимость и устойчивость к коррозийным процессам. К ним относятся золото, палладий, иридий, платина, серебро и другие.

Выделяются тугоплавкие и легкоплавкие металлы. К тугоплавким относится вольфрам, молибден и ниобий, а к легкоплавким все остальные.

Основные виды сплавов

Человечество знакомо с различными металлическими сплавами. Самыми многочисленными из них являются соединения на основе железа. К ним относятся ферриты, стали и чугун. Ферриты имеют магнитные свойства, в чугуне содержится более 2,4% углерода, а сталь — это материал с высокой прочность и твердостью.

Отдельное внимания требуют металлические сплавы из цветных металлов.

Производство стали

Цинковые сплавы

Соединения металлов, которые плавятся при низких температурах. Смеси на основе цинка устойчивы к воздействию коррозийных процессов. Легко обрабатываются.

Алюминиевые сплавы

Популярность алюминий и сплавы на его основе получили во второй половине 20 века. Этот материал обладает такими преимуществами:

1. Устойчивость к низким температурам.
2. Электропроводность.
3. Малый вес заготовок в сравнении с другими металлами.
4. Износоустойчивость.

Однако нельзя забывать про то, что алюминий плавится при низких температурах. При температуре около 200 градусов характеристики ухудшаются.

Алюминий применяется при изготовлении комплектующих к машинам, производстве деталей для самолётов, составляющих промышленного оборудования, посуды, инструментов. Не многие знают, что алюминий популярен в сфере производства оружия. Связано это с тем, что детали из алюминия не искрят при сильном трении.

Чтобы увеличить прочность детали, алюминий смешивают с медью. Чтобы заготовка выдерживала давление — с марганцем. Кремний добавляют, чтобы получить обычную отливку.

Медные сплавы

Сплавы на основе меди — марки латуни. Из этого материала изготавливаются детали высокой точности, так как латунь легко обрабатывать. В составе сплава может содержаться до 45% цинка.

Свойства сплавов

Чтобы изготавливать детали и конструкции, нужно знать основные свойства металлов и сплавов. При неправильной обработке готовая деталь может быстро выйти из строя и разрушить оборудование.

Двигатель внутреннего сгорания

Физические свойства

Сюда относятся визуальные параметры и характеристики материала, изменяющиеся при обработке:

1. Теплопроводность. От этого зависит насколько поверхность будет передавать тепло при нагревании.
2. Плотность. По этому параметру определяется количество материла, которое содержится в единице объёма.
3. Электропроводность. Возможность металла проводить электрический ток. Этот параметр называется электрическое сопротивление.
4. Цвет. Этот визуальный показатель меняется под воздействием температур.
5. Прочность. Возможность материала сохранять структуру при обработке. Сюда же относится твердость. Эти показатели относятся и к механическим свойствам.
6. Восприимчивость к действию магнитов. Это возможность материала проводить через себя магнитные лучи.

Физические основы позволяют определить в какой сфере будет использоваться материал.

Химические свойства

Сюда относятся возможности материала противостоять воздействию химических веществ:

1. Устойчивость к коррозийным процессам. Этот показатель определяет на сколько материал защищён от воздействия воды.
2. Растворимость. Устойчивость металла к воздействию растворителей — кислотам или щелочным составам.
3. Окисляемость. Параметр указывает на выделение оксидов металлом при его взаимодействии с кислородом.

Обуславливаются эти характеристики химическим составом материала.

Механические свойства

Механические свойства металлов и сплавов отвечают за целостность структуры материала:

• прочность;
• твердость;
• пластичность;
• вязкость;
• хрупкость;
• устойчивость к механическим нагрузкам.

Технологические свойства

Технологические свойства определяют способность металла или сплава изменяться при обработке:

1. Ковкость. Обработка заготовки давлением. Материал не разрушается. Структура изменяется.
2. Свариваемость. Восприимчивость детали к работе сварочным оборудованием.
3. Усадка. Происходит этот процесс при охлаждении заготовки после её разогрева.
4. Обработка режущим инструментом.
5. Ликвация (затвердевание жидкого металла при понижении температуры).

Основной способ обработки металлических деталей — нагревание.

Свойства металлов и сплавов отвечают за то, как себя будет вести готовое изделие при эксплуатации. При обработке материалов также важно знать его характеристики.

О том, что свойства металлов меняются при их сплавлении, стало известно ещё в древности. (5) тысяч лет тому назад наши предки научились делать бронзу — сплав олова с медью. Бронза по твёрдости превосходит оба металла, входящие в её состав.

Свойства чистых металлов, как правило, не соответствуют необходимым требованиям, поэтому практически во всех сферах человеческой деятельности используют не чистые металлы, а их сплавы.

В состав сплавов кроме металлов могут входить также неметаллы, например, такие как углерод или кремний.

Добавляя в определённом количестве примеси других металлов и неметаллов, можно получить многие тысячи материалов с самыми разнообразными свойствами, в том числе и такими, каких нет ни у одного из составляющих сплав элементов.

Сплав по сравнению с исходным металлом может быть:

• механически прочнее и твёрже,
• со значительно более высокой или низкой температурой плавления,
• устойчивее к коррозии,
• устойчивее к высоким температурам,
• практически не менять своих размеров при нагревании или охлаждении и т. д.

Например, чистое железо — сравнительно мягкий металл. При добавлении в железо углерода твёрдость его существенно возрастает. По количеству углерода, а следовательно, и по твёрдости, различают сталь (содержание углерода менее (2) % по массе), чугун ((С) — более (2) %). Но не только углерод изменяет свойства стали. Добавленный в сталь хром делает её нержавеющей, вольфрам делает сталь намного более твёрдой, добавка марганца делает сплав износостойким, а ванадия — прочным.

Применение сплавов в качестве конструкционных материалов

Сплавы, используемые для изготовления различных конструкций, должны быть прочными и легко обрабатываемыми.

В строительстве и в машиностроении наиболее широко используются сплавы железа и алюминия.

Такие сплавы железа, как стали, отличаются высокой прочностью и твёрдостью. Их можно ковать, прессовать, сваривать.

Чугуны используют для изготовления массивных и очень прочных деталей. Например, раньше из чугуна отливали радиаторы центрального отопления, канализационные трубы, до сих пор изготавливают котлы, перила и опоры мостов. Изделия из чугуна изготавливаются с применением литья.

Сплавы алюминия, используемые в конструкциях, наряду с прочностью должны отличаться лёгкостью. Дюралюминий, силумин — сплавы алюминия, они незаменимы в самолёто-, вагоно- и кораблестроении.

В некоторых узлах самолётов используются сплавы магния, очень лёгкие и жароустойчивые.

В ракетостроении применяют лёгкие и термостойкие сплавы на основе титана.

Для улучшения ударопрочности, коррозионной стойкости, износоустойчивости сплавы легируют — вводят специальные добавки. Добавка марганца делает сталь ударопрочной. Чтобы получить нержавеющую сталь, в состав сплава вводят хром.

Инструментальные сплавы

Инструментальные сплавы предназначены для изготовления режущих инструментов, штампов и деталей точных механизмов. Такие сплавы должны быть износостойкими и прочными, причём при разогревании их прочность не должна существенно уменьшаться. Таким требованиям отвечают, например, нержавеющие стали, которые прошли специальную обработку (закалку).

Для придания необходимых свойств инструментальные стали, как правило, легируют вольфрамом, ванадием или хромом.

Применение сплавов в электротехнической промышленности, электронике и приборостроении

Сплавы служат незаменимым материалом при изготовлении особо чувствительных и высокоточных приборов, различного рода датчиков и преобразователей энергии.

Например, на изготовление сердечников трансформаторов и деталей реле идёт сплав никеля. Отдельные детали электромоторов изготавливаются из сплавов кобальта.

Сплав никеля с хромом — нихром, отличающийся высоким сопротивлением — используется для изготовления нагревательных элементов печей и бытовых электроприборов.

Латуни незаменимы при изготовлении приборов, деталью которых являются запорные краны. Такие приборы используются в сетях подачи газа и воды.

Бронзы идут на изготовление пружин и пружинящих контактов.

Чугун — металл гораздо более хрупкий и не такой ковкий, как сталь. Но даже из такого, казалось бы, грубого материала можно получать настоящие произведения литейного искусства способом литья, например, такие как литые лестницы или решётки на окна. Такие изделия подвержены лишь поверхностной коррозии и не требуют тщательного ухода.

Характеристика металлических сплавов

Структура и свойства чистых металлов существенно отличаются от структуры и свойств сплавов, состоящих из двух или большего числа металлов.

Сплавами называют твердые вещества, полученные путем диффузии элементов в твердом, жидком или газообразном состояниях. Действительно, некоторые сплавы получают путем взаимодействия металла, находящегося в твердом состоянии, с элементом, находящимся в жидком состоянии, или твердого металла с элементом, находящимся в газообразном состоянии. Но обычно сплавы получают путем расплавления двух элементов (металла и неметалла) или более и последующей кристаллизации (затвердевания в формах и кристаллизаторах). В зависимости от числа элементов (компонентов) сплава различают двух-, трех- или многокомпонентные сплавы. При образовании сплава между компонентами происходит диффузия, т.е. взаимное проникновение их атомов, и образуются новые однородные вещества — фазы сплава. В зависимости от природы компонентов их атомы по-разному взаимодействуют друг с другом как в жидком состоянии, так и в твердом. В расплавленном состоянии все компоненты обычно находятся в атомарном состоянии, образуя неограниченный жидкий однородный раствор, в любой точке которого химический состав статистически одинаков. При затвердении сплава атомы компонентов укладываются в порядке кристаллической решетки, образуя твердое кристаллическое вещество — сплав. При этом возможны три типа взаимоотношений компонентов сплава: образование механической смеси компонентов, образование твердых растворов, образование химических соединений.

При образовании механической смеси компонентов атомы каждого компонента сплава укладываются в свои собственные кристаллические решетки, состоящие только из своих собственных идентичных атомов. Ясно, что при образовании механической смеси, когда каждый элемент кристаллизуется самостоятельно, свойства сплава будут средними из свойств элементов, которые его образуют. Так, если в сплаве один элемент имеет высокую твердость, а другой — низкую, то чем больше будет твердого элемента, тем выше будет твердость сплава.

При образовании твердого раствора атомы компонентов образуют кристаллическую решетку одного из элементов — растворителя, в которой растворены атомы других элементов. В кристаллической решетке сплава — твердого раствора атомы основного металла-растворителя занимают узлы решетки, а атомы растворенных компонентов частично замещают атомы основного металла или внедряются в межузельные пространства. При этом сохраняется тип решетки основного металла. Образование общей кристаллической решетки из атомов различных элементов, имеющих разные атомные диаметры, неизбежно связано с некоторым искажением решетки, изменением энергетического состояния атомов, электронов, т.е. при образовании твердых растворов существует некоторое химическое взаимодействие элементов. В связи с этим свойства сплавов твердых растворов отличаются от свойств элементов, из которых они состоят, однако сохраняется основное свойство металла — способность к пластической деформации.

В химическом соединении при кристаллизации разнородные атомы могут соединяться в определенной пропорции, образуя новый тип решетки, отличающийся от решеток металлов сплава. Строение и свойства (кристаллическая решетка, характер связи элементов и т.д.) химического соединения и элементов, из которых оно состоит, обычно резко различаются. Образование химического соединения — процесс, при котором создается новое вещество с новыми качествами. Решетки соединений имеют более сложное строение, поэтому они теряют способность к пластической деформации, имеют высокую хрупкость, а твердость соединений в металлических сплавах намного больше, чем элементов, входящих в них. Так, соединение

СиА12 имеет твердость НВ 400, в то время как твердость меди НВ 35, а алюминия НВ 20. Как правило, температура плавления химического соединения отличается от температур плавления элементов, входящих в него.

Таким образом, свойства сплавов зависят от того, какие фазы в них образуются — твердые растворы, химические соединения или смеси чистых металлов. Современное металловедение позволяет во многих случаях предвидеть характер взаимодействия элементов в сплавах.

Растворимость в жидком состоянии зависит от атомных объемов сплавляемых элементов и температур их плавления. Замечено: если атомные объемы двух металлов и температуры их плавления резко различаются, то в жидком состоянии такие элементы обладают ограниченной растворимостью. Однако и из этого часто подтверждающегося правила есть исключения. Так, Fe и Си имеют почти одинаковые атомные объемы, и разница в их температурах плавления не очень велика, но в жидком состоянии они практически совсем не растворяются один в другом. То же относится к паре Си и Сг, когда в расплаве сосуществуют две отдельные жидкости (расслоение жидкостей), например одна медная, другая хромовая.

Неограниченную растворимость в жидком состоянии имеют пары металлов с близкими атомными объемами и несильно различающимися температурами плавления (табл. 4.1).

Таблица 4.1. Влияние атомного объема и температуры плавления на растворимость металлов в жидком состоянии

Окончание табл. 4.1

Несомненно, что на растворимость элементов в жидком состоянии влияют также особенности атомного строения и другие факторы.

Растворимость элементов в твердом состоянии зависит от типа кристаллической решетки и ее параметров (атомного радиуса, атомного диаметра). Неограниченную растворимость, т.е. способность образовывать твердые растворы в любых пропорциях, имеют только металлы с кристаллической решеткой одного типа при условии, что параметры их решеток различаются не более чем на 14—15%; допустимое различие в параметрах для разных металлов различно. Неограниченные твердые растворы в сплавах на основе железа могут образовываться при условии, что атомные диаметры растворяющихся элементов отличаются от атомного диаметра железа не более чем на 8 %; если различие больше 8 %, то образуются только ограниченные твердые растворы.

Следовательно, неограниченные твердые растворы склонны образовывать металлы, близко расположенные в Периодической таблице элементов Д.И. Менделеева, особенно находящиеся в одной группе, поскольку в большинстве случаев кристаллическая решетка у них одного типа. Действительно, неограниченную растворимость имеют металлы, расположенные недалеко друг от друга в Таблице Менделеева: Си (29) и Ni (28); Fe (26) и Ni (28); Fe (26) и Сг (24); Fe (26) и Со (27); Со (27) и Ni (28) или расположенные в одной группе: As (33) и Sb (51); Au (79) и Ag (47); Au (79) и Си (29); Bi (83) и Sb (51) (цифры в скобках указывают номер элемента в Таблице). В каждую пару входят элементы, имеющие один и тот же тип кристаллической решетки. Элементы с кристаллическими решетками разных типов не растворяются неограниченно в твердом состоянии. Если атомы этих элементов близки по размерам, то они могут ограниченно растворяться в твердом состоянии. Ограниченная растворимость возможна и для элементов с разным типом решетки: они могут образовывать твердые растворы не при любом массовом соотношении элементов, а до определенного предела, при этом чем больше разница в размерах атомов, тем меньше растворимость в твердом состоянии. С изменением температуры ограниченная растворимость в твердом состоянии обычно меняется. При очень большой разнице в атомных размерах, различных типах кристаллических решеток, пониженной температуре растворимость может быть настолько мала, что ею практически можно пренебречь. В этом случае получается механическая смесь.

Элементы, образующие химические соединения, обычно резко различаются по электронному строению, атомному объему, типу и параметрам кристаллических решеток, т.е. к образованию химических соединений склонны элементы, далеко расположенные один от другого в Таблице Менделеева. Например, элементы С, О, Si и А1 образуют с Fe и Си следующие химические соединения: Fe3C, FeO, Fe203, FeSi2, CuA12 и др. Следовательно, взаимодействие элементов в сплавах и характер образующейся структуры определяются положением элементов в Таблице Менделеева, типом кристаллической решетки, размерами атомов, т.е. физической природой элементов.

Приведенные положения чрезвычайно важны, так как они в общем виде указывают на характер взаимодействия элементов в сплавах и возможную структуру, которая при этом должна получиться, однако в каждом конкретном случае для сплавов из данной конкретной пары (или большего числа) элементов необходимо выяснять характер этого взаимодействия опытным путем. Поэтому в металловедении большое внимание уделяют экспериментальным исследованиям конкретных сплавов. С этой целью изготовляют сплавы; для них строят кривые охлаждения и кривые нагрева; после затвердевания сплавы подвергают микроскопическому анализу для выяснения их микроструктуры; рентгеновскому анализу, позволяющему выявить тип кристаллических решеток, параметры решеток и т.д. Полученные в результате исследований данные систематизируют, обобщают в виде диаграмм состояния, которые отражают взаимодействие элементов в этих сплавах, строение, образующееся при кристаллизации, изменение строения при нагреве или охлаждении и другие важные свойства, характеризующие состояние сплавов различных составов при разных температурах.