Классификация свойств металлов и сплавов

Свойства металлов и сплавов делятся на 4 основные группы:

1. физические,
2. химические,
3. механические,
4. технологические.

Физические свойства металлов и сплавов.

К физическим свойствам металлов и сплавов относятся цвет, плотность (удельный вес), плавкость, тепловое расширение, теплопроводность, теплоемкость, электропроводность и способность их намагничиваться. Эти свойства называют физическими потому, что обнаруживаются в явлениях, которые не сопровождаются изменением химического состава вещества, т. е. металлы и сплавы остаются неизмененными по составу при нагревании, прохождении через них тока, тепла, а также при их намагничивании и плавлении. Многие из указанных физических свойств имеют установленные единицы измерения, по которым судят о свойствах металла.

Цвет.

Металлы и сплавы не прозрачны. Даже тонкие слои металлов и сплавов не способны пропускать лучи, но они имеют в отраженном свете внешний блеск, причем каждый из металлов и сплавов имеет свой особый оттенок блеска или, как говорят, цвет. Например, медь имеет розово-красный цвет, цинк - серый, олово - блестяще-белый и т. д.

Удельный вес -это вес 1 см 3 металла, сплава или любого другого вещества в граммах. Например, удельный вес чистого железа равен 7,88 г/см 3 .

Плавление - способность металлов и сплавов переходить из твердого состояния в жидкое, характеризуется температурой плавления. Металлы, имеющие высокую температуру плавления, называют тугоплавкими (вольфрам, платина, хром и т.д.). Металлы, имеющие низкую температуру плавления, называют легкоплавкими (олово, свинец и т.д.).

Тепловое расширение - свойство металлов и сплавов увеличиваться в объеме при нагревании, характеризуется коэффициентами линейного и объемного расширения. Коэффициент линейного расширения - отношение приращения длины образца металла при нагревании на 1° к первоначальной длине образца. Коэффициент объемного расширения - отношение приращения объема металла при нагревании на 1° к первоначальному объему. Объемный коэффициент принимают равным утроенному коэффициенту линейного расширения. Различные металлы имеют различные коэффициенты линейного расширения. Например, коэффициент линейного расширения стали равен 0,000012 , меди - 0,000017 , алюминия- 0,000023 . Зная коэффициент линейного расширения металла, можно определить его величину удлинения:

1. определим, насколько удлинится стальной трубопровод длиной 5000 м при его нагреве до 20°С :

5000·0,000012·20 = 1,2 м

1. определим, насколько удлинится медный трубопровод длиной 5000 м при его нагреве до 20°С :

5000·0,000017·20= 1,7 м

1. определим, насколько удлинится алюминиевый трубопровод длиной 5000 м при его нагреве до 20°С :

5000·0,000023·20=2,3 м

(Во всех трех случаях расчета не принимался во внимание коэффициент трения от собственного веса.) На основании приведенных выше расчетов цветные металлы при нагревании расширяются в большей степени, чем сталь, что необходимо учитывать в процессе сварки.

Теплопроводность -способность металлов и сплавов проводить тепло. Чем больше теплопроводность, тем быстрее тепло распространяется по металлу или сплаву при нагревании. При охлаждении металлы и сплавы, обладающие большой теплопроводностью, быстрее отдают тепло. Теплопроводность красной меди в 6 раз выше теплопроводности железа. При сварке металлов и сплавов, имеющих большую теплопроводность, требуется предварительный, а иногда и сопутствующий подогрев.

Теплоемкость - количество тепла, потребное для нагревания единицы веса на 1° . Удельная теплоемкость - количество тепла в ккал (килокалориях), необходимое для нагрева 1 кг вещества на 1° . Низкую удельную теплоемкость имеют платина и свинец. Удельная теплоемкость стали и чугуна примерно в 4 раза выше удельной теплоемкости свинца.

Электропроводность - способность металлов и сплавов проводить электрический ток. Хорошей электропроводностью обладают медь, алюминий и их сплавы.

Магнитные свойства - способность металлов намагничиваться, которые проявляются в том, что намагниченный металл притягивает к себе металлы, обладающие магнитными свойствами.

Химические свойства металлов и сплавов.

Под химическими свойствами металлов и сплавов понимают их способность вступать в соединения с различными веществами и в первую очередь с кислородом. К химическим свойствам металлов и сплавов относят:

1. стойкость против коррозии на воздухе,
2. кислотостойкость,
3. щелочестойкость,
4. жаростойкость.

Стойкостью металлов и сплавов на воздухе называют способность последних противостоять разрушающему действию кислорода, находящемуся в воздухе.

Кислотостойкостью называют способность металлов и сплавов противостоять разрушающему действию кислот. Например, соляная кислота разрушает алюминий и цинк, а свинец не разрушает; серная кислота разрушает цинк и железо, но почти не действует на свинец, алюминий и медь.

Щелочестойкостью металлов и сплавов называют способность противостоять разрушающему действию щелочей. Щелочи особенно сильно разрушают алюминий, олово и свинец.

Жаростойкостью называют способность металлов и сплавов противостоять разрушению кислородом при нагреве. Для повышения жаростойкости вводят специальные примеси в металл, как, например, хром, ванадий, вольфрам и т. д.

Старение металлов - изменение свойств металлов во времени вследствие внутренних процессов, обычно протекающее замедленно при комнатной температуре и более интенсивно при повышенной температуре. Старение стали обусловлено выделением по границам зерен карбидов и нитридов, что приводит к повышению прочности и снижению пластичности стали. К элементам, уменьшающим склонность к старению стали, относятся алюминий и кремний, а способствующим старению - азот и углерод.

Механические свойства металлов и сплавов.

Рис. 1

К основным механическим свойствам металлов и сплавов относятся

1. прочность,
2. твердость,
3. упругость,
4. пластичность,
5. ударная вязкость,
6. ползучесть,
7. усталость.

Прочностью называют сопротивление металла или сплава деформации и разрушению под действием механических нагрузок. Нагрузки могут быть сжимающими, растягивающими, скручивающими, срезающими и изгибающими (рис. 1 ).

Твердостью называют способность металла или сплава оказывать сопротивление прониканию в него другого более твердого тела.

Рис. 2

В технике наибольшее применение получили следующие способы испытания твердости металлов и сплавов:

1. 2,5 ; 5 и 10 мм - испытание твердости по Бринелю (рис. 2,а );
2. вдавливание в материал стального шарика диаметром 1,588 мм или алмазного конуса - испытание твердости по Роквеллу (рис. 2,б )
3. вдавливание в материал правильной четырехгранной алмазной пирамиды - испытание по Виккерсу (рис. 2,в ).

Рис. 3

Упругостью называют способность металла или сплава изменять свою первоначальную форму под действием внешней нагрузки и восстанавливать ее после прекращения действия нагрузки (рис. 3 ).

Пластичностью называют способность металла или сплава, не разрушаясь, изменять форму под действием нагрузки и сохранять эту форму после ее снятия. Пластичность характеризуется относительным удлинением и относительным сужением.

где Δl = l 1 -l 0 - абсолютное удлинение образца при разрыве;

δ - относительное удлинение;

l 1 -длина образца в момент разрыва;

l 0 -первоначальная длина образца;

где Ψ -относительное сужение при разрыве;

F 0 - первоначальная площадь поперечного сечения образца;

F - площадь образца после разрыва

Рис 4

Ударной вязкостью называют способность металла или сплава сопротивляться действию ударных нагрузок. Испытания производятся на маятниковом костре (рис. 4 ). Перед испытанием маятник 1 отводят на угол подъема α , в этом положении закрепляют защелкой. Стрелку 2 , укрепленную на оси качания маятника, отводят до упора 3 , расположенного у нулевого деления шкалы 4 . Маятник, освобожденный от защелки, падает, разрушает образец 5 и, (продолжая двигаться то инерции, поднимается на другую сторону станины, на некоторый угол β . При обратном движении маятника стрелка 2 отклоняется от нулевого деления и при вертикальном положении маятника указывает величину β - наибольшего угла подъема маятника после разрушения образца. Разность углов α-β характеризует работу излома образца.

Для определения ударной вязкости вначале вычисляют работу А , которая затрачена грузом маятника на разрушение образца

А = Р (Н - h) кгс м

где Н - высота подъема маятника до удара в м

h -высота подъема маятника после удара в м

Р - ударная сила.

Затем определяют ударную вязкость

Где а н -ударная вязкость в кГс·м/см 2

F - площадь поперечного сечения образца в см 2 .

Ползучестью называют свойство металла или сплава медленно и непрерывно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки (особенно при повышенных температурах).

Усталостью называют постепенное разрушение металла или сплава при большом числе повторно-переменных нагрузок, а свойство выдерживать эти нагрузки называют выносливостью.

Испытания образцов металлов и сплавов на растяжение осуществляют при пониженных, нормальных и повышенных температурах. Испытания при пониженных температурах производят в соответствии с ГОСТ 11150-65 0 -100°С и при температуре кипения технического жидкого азота. Испытания при нормальных температурах осуществляют по Г ОСТ 1497-61 при температуре 20±10°С .

Испытания при повышенных температурах производят по ГОСТ 9651-61 при температуре до 1200°С .

При испытании образцов на растяжение определяют предел прочности - σ в , предел текучести (физический)-σ т , предел текучести условный (технический) -σ о,2 , истинное сопротивление разрыву-S к и относительное удлинение - δ .

Рис. 5

Для усвоения указанных выше величин рассмотрим диаграмму, представленную на рис. 5 . По вертикальной оси 0-Р отсчитываем приложенную нагрузку Р в килограммах (чем выше точка по оси, тем больше нагрузка), а по горизонтальной оси абсолютное удлинение- Δl .

Рассмотрим участки диаграммы:

1. начальный прямолинейный участок 0-Р пц , на котором сохраняется пропорциональность между удлинением материала и нагрузкой (Р пц -нагрузка при пределе пропорциональности)
2. точка резкого перегиба кривой Р’ т называется нагрузкой при верхнем пределе текучести
3. участок Р’ т - Р т , параллельный горизонтальной оси 0-Δl (площадка текучести), в пределах которого удлинение образца происходит при постоянной нагрузке Р т , носящей название нагрузки при пределе текучести
4. точка Р в , отмечающая наибольшую растягивающую силу - нагрузку при пределе прочности
5. точка Р к -сила в момент разрушения образца.

Предел прочности при растяжении (временное сопротивление) σ в - напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествовавшей разрушению образца:

где F 0 - площадь поперечного сечения образца перед испытанием в мм 2

P в - наибольшая растягивающая сила в кгс .

Предел текучести (физический) σ т -наименьшее напряжение, при котором происходит деформация испытуемого образца без увеличения нагрузки (нагрузка не увеличивается, а образец удлиняется),

Предел текучести условный (технический) σ о,2 - напряжение, при котором остаточная деформация образца достигает 0,2% :

Предел пропорциональности σ пц - условное напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями достигает определенной степени, устанавливаемой техническими условиями:

Истинное сопротивление разрыву S к -напряжение в шейке растягиваемого образца, определяемое как отношение растягивающей силы, действующей на образец непосредственно перед его разрывом, к площади поперечного сечения образна в шейке (F ):

Технологические свойства металлов и сплавов.

К технологическим свойствам металлов и сплавов относятся:

• обрабатываемость резанием,
• ковкость,
• жидкотекучесть,
• усадка,
• свариваемость,
• прокаливаемость и т.д .

Обрабатываемостью резанием называют способность металлов и сплавов поддаваться механической обработке режущим инструментом.

Ковкостью называют способность металлов и сплавов принимать необходимую форму под действием внешних сил как в холодном, так и в горячем состоянии.

Жидкотекучестью называют способность металлов и сплавов заполнять литейные формы. Высокой жидкотекучестью обладает фосфористый чугун.

Усадкой называют способность металлов и сплавов при остывании уменьшать свой объем при затвердевании из жидкого состояния, охлаждении, спекании спрессованных порошков или сушке.

Металлическое состояние объясняется электронным строением. Элементы металла, вступая в химическую реакцию с элементами, являющимися неметаллами, отдают им свои внешние, так называемые валентные электроны. Это является следствием того, что у металлов внешние электроны непрочно связаны с ядром; кроме того, на наружных электронных оболочках немного (всего 1-2), тогда как у неметаллов электронов много (5-8).

Все элементы, расположенные левее галлииндия и таллия - металлы, а правее мышьяка, сурьмы и висмута - неметаллы.

В технике под неметаллом понимают вещества, обладающие «металлическим блеском» и пластичностью - характерные свойства.

Кроме этого все металлы обладают высокой электропроводностью и теплопроводностью.

Особенность строения металлических веществ заключается в том, что все они построены в основном из легких атомов, у которых внешние электроны слабо связаны с ядром. Это обуславливает особый характер взаимодействия атомов металла и металлические свойства. Металлы являются хорошими проводниками электрического тока.

Из известных (к 1985 г.) 106 химических элементов 83 - металлы.

Классификация металлов

Каждый металл отличается строением и свойствами от другого, тем не менее, по некоторым признакам их можно объединить в группы.

Данная классификация разработана русским ученым Гуляевым А.П. и может не совпадать с общепринятой.

Все металлы можно разделить на две большие группы - черные и цветные металлы.

Черные металлы чаще всего имеют темно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочно-земельных), высокую температуру плавления, относительно высокую твердость. Наиболее типичным металлом этой группы является железо.

Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую и белую. Обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления. Наиболее типичным элементом этой группы является медь.

Черные металлы в свою очередь можно подразделить следующим образом:

1. Железные металлы - железо, кобальт, никель (так называемые ферромагнетики) и близкий к ним по свойствам марганец. Co, Ni, Mu часто применяют как добавки к сплавам железа, а также в качестве основы для соответствующих сплавов, похожих по своим свойствам на высоколегированные стали.

2. Тугоплавкие металлы , температура плавления которых выше, чем железа (т.е. выше 1539С). Применяют как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов. К ним относят: Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Tc (технеций), Hf (гафий), Ta(тантал), W, Re (рений).

3. Урановые металлы - актиниды, имеющие преимущественное применение в сплавах для атомной энергетики. К ним относят: Ас(актиний), Th(торий), U(уран), Np(нептуний), Pu(плутоний), Bk(берклий), Cf (калифорний), Md(менделевий), No(нобелий) и др.

4. Редкоземельные металлы (РЗМ) - La(лантан), Ce(церий), Nd(неодим), Sm(санарий), Eu(европий), Dy(диспрозий), Lu(лютеций), Y(иттрий), Sc(сландий) и др., объединяемые под названием лантаноидов. Эти металлы обладают весьма близкими химическими свойствами, но довольно различными физическими (Тип. и др.). Их применяют как присадки к сплавам других элементов. В природных условиях они встречаются вместе и трудно разделимы на отдельные элементы. Обычно используется смешанный сплав - 40-45% Се (церий) и 40-45% всех других РЗМ.

5. Щелочноземельные металлы - в свободном металлическом состоянии не применяются, за исключением особых случаев, например, теплоносители в атомных реакторах. Li(литий), Na, K(калий), Rb(рубидий), Cs(цезий), Fr(франций), Ca(кальций), Sr(стронций), Ba(барий), Ra(радий).

Цветные металлы подразделяются на:

1. Легкие металлы - Ве(берилий), Mg(магний), Al(аллюминий), обладающие малой плотностью.

2. Благородные металлы - Ag(серебро), Pt(платина), Au(золото), Pd(палладий), Os(осмий), Ir(иридий), и др. Сu - полублагородный металл. Обладают высокой устойчивостью против коррозии.

3. Легкоплавкие металлы - Zn(цинк), Cd(кадмий), Hg(ртуть), Sn(олово), Bi(висмут), Sb(сурьма), Pb(свинец), As(мышьяк), In(индий) и т.д., и элементы с ослабленными металлическими свойствами - Ga(галий), Ge(германий).

Применение металлов началось с меди, серебра и золота. Так как они встречаются в природе в чистом (самородном) виде.

Позднее стали восстанавливать металлы из руд - Sn, Pb, Fe и др.

Наибольшее распространение в технике получили сплавы железа с углеродом: сталь (0,025-2,14% С) чугун (2,14-6,76% С); причина широкого использования Fe-C сплавов связано с рядом причин: малой стоимостью, наилучшими механическими свойствами, возможностью массового изготовления и большой распространенностью руд Fe в природе.

Более 90% изготовленных металлов составляет сталь.

Производство металлов на 1980 г.:

Железо - 718 000 тыс. тонн (в СССР до 150 млн тонн в год)

Марганец - > 10 000 тыс. тонн

Алюминий - 17 000 тыс. тонн

Медь - 9 400 тыс. тонн

Цинк - 6200 тыс. тонн

Олово - 5400 тыс. тонн

Никель - 760 тыс. тонн

Магний - 370 тыс. тонн

Золото - > 1,2 тыс. тонн

Стоимость металла - фактор возможности и целесообразности его применения. В таблице показана относительная стоимость разных металлов (за единицу принята стоимость железа, точнее простой углеродистой стали).

Благородные металлы:

Au, Ag, Pt и их сплавы.

Свое название получили из-за высокой коррозионной стойкости. Эти металлы пластичны. Имеют высокую стоимость.

Применяют в ювелирном и зубоврачебном деле. Чистое золото из-за его мягкости не применяют. Для повышения твердости золото легируют (добавляют другие элементы). Обычно используются тройные сплавы: Au - Ag - Cu.

Наиболее распространенными являются сплавы 375, 583, 750 и 916-й проб - это значит, что в этих сплавах на 1000 г. сплава приходится 375, 583, 750 и 916 г. золота, а остальное - медь, серебро, соотношение которых может быть различным.

Сплавы 916-й пробы наиболее мягкие, но и наиболее коррозионостойкие. С уменьшением индекса пробы коррозионная стойкость уменьшается.

Наибольшей твердостью (следовательно износостойкостью) обладают сплавы 583-й пробы, при соотношении Cu и Ag около 1:1.

Сплавы указанных проб имеют цвет золота.

Индийский булат

Конец IV века до н.э., войска Александра Македонского впервые встретились с необыкновенной индейской сталью при походе через Месопотамию (Ирак) и Афганистан в Индию.

«Чакра» - тяжелое плоское стальное кольцо заточено как лезвие, раскручивалось на двух пальцах, и швырялось во врага. Вращалось со страшной скоростью и срезало головы македонцев как головы цветов.

Параметры меча:

длина - 80-100 см

ширина у перекрестья - 5-6 см

толщина - 4 мм

вес - 1,2-1,8 кг

Свойства клинков:

Высокая твердость, прочность и при этом одновременно большая упругость и вязкость. Клинки свободно перерубали гвозди и при этом легко сгибались в дугу. Легко перерезали газовые легкие платки.

При оценке качества булатного оружия большую роль играл рисунок на клинке. В узоре имели значение форма, величина и цвет основного металла (фона).

По форме рисунок подразделяется на полосатый, струйчатый, волнистый, сетчатый и коленчатый. Наиболее высоко ценился коленчатый булат.

Испытывали булатный клинок и на упругость: его клали на голову, после чего оба конца притягивали к ушам и отпускали. После этого остаточной деформации не наблюдалось.

Настоящий булат изготавливался ковкой из литой стали, имеющей естественные узоры.

Сварочный булат (подделка) - получали проковкой скрученных в канат кусков проволоки с разным содержанием углерода и потому разную твердость. После травления появлялся рисунок.

Также расковывали булат из пакетов листовой стали - до 320 слоев: или: рассеянная в разных уровнях получают разный рисунок.

Донские казаки пользовались оружием всего мира - захватывали в боях. Оружие изготовлено было в основном мастерами Кавказа.

Прибалтийский булат:

Раскрыл его проф. Иванов Г.П., а адмирал Макаров С.О. нашел новое применение: при испытании броневых плит

Плита легко пробивалась с мягкой малоуглеродистой стороны, тогда изобрели бронебойный снаряд с мягким наконечником:

Следовательно, из-за этого старые мастера-кузнецы нашивали на очень твердое лезвие мягкую полоску, чтобы пробить стальные латы.

Производство булата связано с традициями и секретами. Очень трудно сварить полосы и прутки разного состава между собой и обеспечить требуемые свойства: гибкость твердость, остроту лезвия. Необходимо выдерживать температуру, скорость ковки, порядок соединения полос, удаление окислов, применение флюсов.

Японский булат

Японский булат был тверже и прочнее дамасской стали. Это связано с присутствием в составе стали молибдена (Мо). Мо - один из немногих элементов, добавка которого в сталь вызывает повышение ее вязкости и твердости одновременно. Все другие элементы, увеличивая прочность и твердость, увеличивают и хрупкость.

Изготовление: выплавленное железо (с Мо) проковывалось в прутья и закаливалось на 8-10 лет в землю. В процессе коррозии из металла выедались, выпадали частички, обогащенные вредными примесями. Заготовки напоминали сыр с дырками. Затем прутки науглероживали и проковывали многократно. Количество тончайших слоев достигало нескольких десятков тысяч.

Стальные материалы, конструкции, детали, должны обладать высокой коррозионной стойкостью. Этому способствует наличие в составе стали: меди, Cr, Ni, особенно фосфора. (Пример: атмосферостойкая низкоуглеродистая строительная сталь - «кортен» - имеет благородный цвет из-за поверхностных окислов. Но эта сталь обладает повышенной хрупкостью, особенно при низких температурах).

Коррозия - самый опасный враг стальных конструкций. По данным ученых, к сегодняшнему дню человек выплавил не менее 20 млрд. тонн железа и стали, 14 млрд. тонн этого металла «съедено» ржавчиной и рассеяно в биосфере…

Эйфелева башня - 1889 г. - предсказывали, что она простоит не более 25 лет (Эйфель считал 40 лет по прочности). Башня стоит в Париже уже более 100 лет, но это только потому, что она постоянно покрывается толстым слоем краски. На покраску башни уходит 52 тонны краски. Стоимость ее давно превысила стоимость самого сооружения.

Имеется большое число примеров стальных и железных конструкций, которые с течением долгого времени не поддаются коррозии: балки в церкви Катав-Ивановске, перила лестниц реки Фонтанки в Ленинграде, железная колонна в Дели (1500 лет). Противостоят коррозии поверхностные окислы и повышенное содержание Cu и P, а также природным легированием.

Понятие сплава, их классификация и свойства.

В технике металлами называют все металлические материа­лы. К ним относятся простые металлы и сложные металлы - сплавы.

Простые металлы состоят из одного основного элемента и незна­чительного количества примесей других элементов. Например, тех­нически чистая медь содержит от 0,1 до 1% примесей свинца, вис­мута, сурьмы, железа и других элементов.

Сплавы - это сложные металлы, представляющие сочетание какого-либо простого металла (основы сплава) с другими метал­лами или неметаллами. Например, латунь - сплав меди с цинком. Здесь основу сплава составляет медь.

Химический элемент, входящий в состав металла или спла­ва, называется компонентом. Кроме основного компонента, преобла­дающего в сплаве, различают еще легирующие компоненты, вводи­мые в состав сплава для получения требуемых свойств. Так, для улучшения механических свойств и коррозионной стойкости латуни в нее добавляют алюминий, кремний, железо, марганец, олово, сви­нец и другие легирующие компоненты.

По числу компонентов сплавы делятся на двухкомпонентные (двойные), трехкомпонентные (тройные) и т. д. Кроме основных и легирующих компонентов, в сплаве содержатся примеси других эле­ментов.

Большинство сплавов получают сплавлением компонентов в жид­ком состоянии. Другие способы приготовления сплавов: спекания, электролиз, возгонка. В этом случае вещества называются псевдосплавами.

Способность металлов к взаимному растворению создает хорошие условия для получения большого числа сплавов, обладаю­щих самыми разнообразными сочетаниями полезных свойств, ко­торых нет у простых металлов.

Сплавы превосходят простые металлы по прочности, твердости, обрабатываемости и т. д. Вот почему они применяются в технике значительно шире простых металлов. Например, железо - мягкий металл, почти не применяющийся в чистом виде. Зато самое широ­кое применение в технике имеют сплавы железа с углеродом - ста­ли и чугуны.

На современном этапе развития техники наряду с увеличе­нием количества сплавов и усложнением их состава большое зна­чение приобретают металлы особой чистоты. Содержание основного компонента в таких металлах составляет от 99,999 до 99,999999999%
и более. Металлы особой чистоты нужны ракетостроению, атомной, электронной и другим новым отраслям техники.

В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы:

1) механические смеси;

2) химические соединения;

3) твердые растворы.

1) Механическая смесь двух компонентов образуется тогда, ко­гда они в твердом состоянии не растворяются друг в друге и не вступают в химическое взаимодействие. Сплавы - механические смеси (например, свинец - сурьма, олово - цинк) неоднородны по своей структуре и представляют смесь кристаллов данных компо­нентов. При этом кристаллы каждого компонента в сплаве полно­стью сохраняют свои индивидуальные свойства. Вот почему свой­ства таких сплавов (например, электросопротивление, твердость и др.) определяются как среднее арифметическое от величины свойств обоих компонентов.

2) Твердые растворы характеризуются образованием общей пространственной кристаллической решетки атомами основ­ного металла-растворителя и атомами растворимого элемента.
Структура таких сплавов состоит из однородных кристаллических зерен, подобно чистому металлу. Существуют твердые растворы за­мещения и твердые растворы внедрения.

К таким сплавам относятся ла­туни, медноникелевые, железохромистые и др.

Сплавы - твердые растворы являются самыми распространен­ными. Их свойства отличаются от свойств составляющих компонен­тов. Так, например, твердость и электросопротивление у твердых растворов значительно выше, чем у чистых компонентов. Благодаря высокой пластичности они хорошо поддаются ковке и другим видам обработки давлением. Литейные свойства и обрабатываемость резанием у твердых растворов низкие.

3) Химические соединения , подобно твердым растворам, явля­ются однородными сплавами. При их затвердевании образуется совершенно новая кристаллическая решетка, отличная от решеток составляющих сплав компонентов. Поэтому свойства химического соединения самостоятельны и не зависят от свойств компонентов. Химические соединения образуются при строго опре­деленном количественном соотношении сплавляемых компонентов. Состав сплава химического соединения выражается химической формулой. Эти сплавы обладают обычно высоким электросопротив­лением, большой твердостью, малой пластичностью. Так, химиче­ское соединение железа с углеродом - цементит (Fe 3 C) тверже чистого железа в 10 раз.

К цветным металлам относятся все металлы, кроме железа и сплавов на его основе - сталей и чугунов, которые называются черными. Сплавы на основе цветных металлов используют в основном как конструкционные материалы со специальными свойствами: коррозионно-стойкие, подшипниковые (обладающие низким коэффициентом трения), тепло- и жаропрочные и др.

В маркировке цветных металлов и сплавов на их основе нет единой системы. Во всех случаях принята буквенно-цифровая система. Буквы указывают на принадлежность сплавов к определенной группе, а цифры в разных группах материалов имеют разное значение. В одном случае они указывают на степень чистоты металла (для чистых металлов), в другом - на количество легирующих элементов, а в третьем обозначают номер сплава, которому по гос. стандарту должны соответствовать определенный состав или свойства.
Медь и ее сплавы
Техническая медь маркируется буквой М, после которой идут цифры, связанные с количеством примесей (показывают степень чистоты материала). Медь марки М3 содержит примесей больше, чем М000. Буквы в конце марки означают: к - катодная, б - безкислородная, р - раскисленная. Высокая электропроводность меди обуславливает ее преимущественное применение в электротехнике как проводникового материала. Медь хорошо деформируется, хорошо сваривается и паяется. Ее недостатком является плохая обрабатываемость резанием.
К основным сплавам на основе меди относятся латуни и бронзы. В сплавах на основе меди принята буквенно-цифровая система, характеризующая химический состав сплава. Легирующие элементы обозначаются русской буквой, соответствующей начальной букве названия элемента. Причем часто эти буквы не совпадают с обозначением тех же легирующих элементов при маркировке стали. Алюминий - А; Кремний - К; Марганец - Мц; Медь - М; Никель - Н; Титан -Т; Фосфор - Ф; Хром -Х; Бериллий - Б; Железо - Ж; Магний - Мг; Олово - О; Свинец - С; Цинк - Ц.
Порядок маркировки литейных и деформируемых латуней разный.
Латунь - сплав меди с цинком (Zn от 5 до 45%). Латунь с содержанием от 5 до 20% цинка называется красной (томпаком), с содержанием 20-36% Zn - желтой. На практике редко используют латуни, в которых концентрация цинка превышает 45%. Обычно латуни делят на:
- двухкомпонентные латуни или простые, состоящие только из меди, цинка и, в незначительных количествах, примесей;
-многокомпонентные латуни или специальные - кроме меди и цинка присутствуют дополнительные легирующие элементы.
Деформируемые латуни маркируются по ГОСТ 15527-70.
Марка простой латуни состоит из буквы «Л», указывающей тип сплава - латунь, и двузначной цифры, характеризующей среднее содержание меди. Например, марка Л80 - латунь, содержащая 80 % Cu и 20 % Zn. Все двухкомпонентные латуни хорошо обрабатываются давлением. Их поставляют в виде труб и трубок разной формы сечения, листов, полос, ленты, проволоки и прутков различного профиля. Латунные изделия с большим внутренним напряжением (например, нагартованные) подвержены растрескиванию. При длительном хранении на воздухе на них образуются продольные и поперечные трещины. Чтобы избежать этого, перед длительным хранением необходимо снять внутреннее напряжение, проведя низкотемпературный отжиг при 200-300 C.
В многокомпонентных латунях после буквы Л пишут ряд букв, указывающих, какие легирующие элементы, кроме цинка, входят в эту латунь. Затем через дефисы следуют цифры, первая из которых характеризует среднее содержание меди в процентах, а последующие - каждого из легирующих элементов в той же последовательности, как и в буквенной части марки. Порядок букв и цифр устанавливается по содержанию соответствующего элемента: сначала идет тот элемент, которого больше, а далее по нисходящей. Содержание цинка определяется по разности от 100%.
Латуни в основном применяются как деформируемый коррозионно-стойкий материал. Из них изготавливают листы, трубы, прутки, полосы и некоторые детали: гайки, винты, втулки и др.
Литейные латуни маркируются в соответствии с ГОСТ 1711-30. В начале марки тоже пишут букву Л (латунь), после которой пишут букву Ц, что означает цинк, и число, указывающее на его содержание в процентах. В легированных латунях дополнительно пишут буквы, соответствующие введенным легирующим элементам, и следующие за ними числа указывают на содержание этих элементов в процентах. Остаток, недостающий до 100 %, соответствует содержанию меди. Литейные латуни используют для изготовления арматуры и деталей для судостроения, втулок, вкладышей и подшипников.
Бронзы (сплавы меди с различными элементами, где цинк не является основным). Они подобно латуням подразделяются на литейные и деформируемые. Маркировка всех бронз начинается с букв Бр, что сокращенно означает бронза.
В литейных бронзах после Бр пишут буквы с последующими цифрами, которые символически обозначают элементы, введенные в сплав (в соответствии с таблицей 1), а последующие цифры обозначают содержание этих элементов в процентах. Остальное (до 100 %) - подразумевается медь. Иногда в некоторых марках литейных бронз в конце пишут букву «Л», что означает литейная.
Большинство бронз обладает хорошими литейными свойствами. Их применяют для различного фасонного литья. Чаще всего их используют как коррозионно-стойкий и антифрикционный материал: арматура, ободы, втулки, зубчатые колеса, седла клапанов, червячные колеса и т.д. Все сплавы на основе меди имеют высокую хладостойкость.
Алюминий и сплавы на его основе
Алюминий выпускают в виде чушек, слитков, катанки и т.п. (первичный алюминий) по ГОСТ 11069-74 и в виде деформируемого полуфабриката (листы, профили, прутки и т.п.) по ГОСТ 4784-74. По степени загрязненности тот и другой алюминий подразделяется на алюминий особой чистоты, высокой чистоты и технической чистоты. Первичный алюминий по ГОСТ 11069-74 маркируют буквой А и числом, по которому можно определить содержание примесей в алюминии. Алюминий хорошо деформируется, но плохо обрабатывается резанием. Прокаткой из него можно получить фольгу.

Сплавы на основе алюминия подразделяются на литейные и деформируемые.
Литейные сплавы на основе алюминиямаркируются по ГОСТ 1583-93. Марка отражает основной состав сплава. Большинство марок литейных сплавов начинаются с буквы А, что означает алюминиевый сплав. Затем пишут буквы и цифры, отражающие состав сплава. В ряде случаев алюминиевые сплавы маркируют буквами АЛ (что означает литейный сплав алюминия) и цифрой, означающей номер сплава. Буква В, стоящая в начале марки показывает, что сплав высокопрочный.
Применение алюминия и сплавов на его основе очень разнообразно. Технический алюминий применяют в основном в электротехнике в качестве проводника электрического тока, как заменитель меди. Литейные сплавы на основе алюминия широко применяются в холодильной и пищевой промышленности при изготовлении деталей сложной формы (различными методами литья), от которых требуется повышенная коррозионная стойкость в сочетании с небольшой плотностью, например, поршни некоторых компрессоров, рычаги и другие детали.
Деформируемые сплавы на основе алюминия также находят широкое применение в пищевой и холодильной технике для изготовления различных деталей методом обработки давлением, к которым предъявляются также повышенные требования к коррозионной стойкости и плотности: различные емкости, заклепки и т.п. Важным достоинством всех сплавов на основе алюминия является их высокая хладостойкость.
Титан и сплавы на его основе
Титан и сплавы на его основе маркируются в соответствии с ГОСТ 19807-74 по буквенно-цифровой системе. Однако какой-либо закономерности в маркировке не имеется. Единственной особенностью является наличие во всех марках буквы Т, которая свидетельствует о принадлежности к титану. Числа в марке означают условный номер сплава.
Технический титан маркируется: ВТ1-00; ВТ1-0. Все остальные марки относятся к сплавам на основе титана (ВТ16, АТ4, ОТ4, ПТ21 и др). Главным достоинством титана и его сплавов является хорошее сочетание свойств: относительно низкой плотности, высокой механической прочности и очень высокой коррозионной стойкости (во многих агрессивных средах). Основной недостаток - высокая стоимость и дефицитность. Эти недостатки сдерживают применение их в пищевой и холодильной технике.

Сплавы титана применяются в ракетной, авиационной технике, химическом машиностроении, в судостроении и транспортном машиностроении. Они могут использоваться при повышенных температурах до 500-550 градусов. Изделия из сплавов титана изготавливают обработкой давлением, но могут быть изготовлены и литьем. Состав литейных сплавов обычно соответствует составу деформируемых сплавов. В конце марки литейного сплава стоит буква Л.
Магний и сплавы на его основе
Технический магний из-за его неудовлетворительных свойств не находит применения в качестве конструкционного материала. Сплавы на основе магния в соответствии с гос. стандартом делятся на литейные и деформируемые.
Литейные сплавы магнияв соответствии с ГОСТ 2856-79 маркируют буквами МЛ и числом, которое обозначает условный номер сплава. Иногда после числа пишут строчные буквы: пч - повышенной чистоты; он - общего назначения. Деформируемые сплавы магния маркируют в соответствии с ГОСТ 14957-76 буквами МА и числом, обозначающим условный номер сплава. Иногда после числа могут быть строчные буквы пч, что означает повышенной чистоты.

Сплавы на основе магния обладают подобно сплавам на основе алюминия хорошим сочетанием свойств: низкой плотностью, повышенной коррозионной стойкостью, относительно высокой прочностью (особенно удельной) при хороших технологических свойствах. Поэтому из сплавов магния изготавливают как простые, так и сложные по форме детали, от которых требуется повышенная коррозионная стойкость: горловины, бензиновые баки, арматура, корпусы насосов, барабаны тормозных колес, фермы, штурвалы и многие другие изделия.
Олово, свинец и сплавы на их основе
Свинец в чистом виде практически не используется в пищевой и холодильной технике. Олово применяется в пищевой промышленности в качестве покрытий пищевой тары (например лужение консервной жести). Маркируется олово в соответствии с ГОСТ 860-75. Имеются марки О1пч; О1; О2; О3; О4. Буква О обозначает олово, а цифры - условный номер. С увеличением номера увеличивается количество примесей. Буквы пч в конце марки означают - повышенной чистоты. В пищевой промышленности для лужения консервной жести применяют олово чаще всего марок О1 и О2.
Сплавы на основе олова и свинца в зависимости от назначения подразделяются на две большие группы: баббиты и припои.
Баббиты - сложные сплавы на основе олова и свинца, которые дополнительно содержат сурьму, медь и другие добавки. Они маркируются по ГОСТ 1320-74 буквой Б, что означает баббит, и числом, которое показывает содержание олова в процентах. Иногда кроме буквы Б может быть другая буква, которая указывает на особые добавки. Например, буква Н обозначает добавку никеля (никелевый баббит), буква С - свинцовый баббит и др. Следует иметь в виду, что по марке баббита нельзя установить его полный химический состав. В некоторых случаях даже не указывается содержание олова, например в марке БН, хотя здесь его содержится около 10 %. Имеются и безоловянистые баббиты (например свинцово-кальциевые), которые маркируются по ГОСТ 1209-78 и в данной работе не изучаются.

Баббиты являются наилучшим антифрикционным материалом и применяются в основном в подшипниках скольжения.
Припои в соответствии с ГОСТ 19248-73 подразделяются на группы по многим признакам: по способу расплавления, по температуре расплавления, по основному компоненту и др. По температуре расплавления они подразделяются на 5 групп:

1. Особолегкоплавкие (температура плавления tпл ≤ 145 °С);

2. Легкоплавкие (температура плавления tпл > 145 °С ≤ 450 °С);

3. Среднеплавкие (температура плавления tпл > 450 °С ≤ 1100 °С);

4. Высокоплавкие (температура плавления tпл > 1100 °С ≤ 1850 °С);

5. Тугоплавкие (температура плавления tпл > 1850 °С).

Первые две группы применяются для низкотемпературной (мягкой) пайки, остальные - высокотемпературной (твердой) пайки. По основному компоненту припои подразделяют на: галлиевые, висмутовые, оловянно-свинцовые, оловянные, кадмиевые, свинцовые, цинковые, алюминиевые, германиевые, магниевые, серебряные, медно-цинковые, медные, кобальтовые, никелевые, марганцевые, золотые, палладиевые, платиновые, титановые, железные, циркониевые, ниобиевые, молибденоыве, ванадиевые.

Подразделяются на техническое железо (содержание углерода в сплаве менее 0,02%), стали (содержание углерода в сплаве от 0,02% до 2,14%) и чугуны (содержание углерода более 2,14%)

Характеристика сталей

Стали - сплавы железа (Fe) с углеродом (С), с содержанием последнего не более 2,14%. Стали характеризуются достаточно высокой плотностью (7,7 - 7,9 г/см 3) и другими физическими величинами:*

• Удельная теплоёмкость при 20°C: 462 Дж/(кг·°C)
• Температура плавления: 1450-1520°C
• Удельная теплота плавления: 84 кДж/кг (20 ккал/кг, 23 Вт·ч/кг)
• Коэффициент линейного теплового расширения при температуре около 20°C: 11,5·10-6 1/°С
• Коэффициент теплопроводности при температуре 100°С: 30 Вт/(м·К)

*Данные характеристики представляют среднее значение. Фактическая величина свойств зависит от содержания углерода и легирующих элементов в стали. Для ее точного определения стоит пользоваться марочниками сталей и сплавов.

На практике используются стали с содержанием углерода не более 1,3%, т.к. при его более высоком содержании увеличивается хрупкость.

Классификация сталей

Стали характеризуются или классифицируются по множеству признаков:

Классификация по химическому составу

• углеродистые стали - классифицируются в зависимости от содержания углерода в %:
  • низкоуглеродистые (< 0,25 %C)
  • среднеуглеродистые (0,25-0,65 %C)
  • высокоуглеродистые (> 0,65 %C)

• легированные стали - классифицируются в зависимости от суммарного содержания легирующих элементов в %:
  • низколегированные (< 2,5%)
  • среднелегированные (2,5-10 %)
  • высоколегированные (> 10 %)

Классификация по назначению

• конструкционные – применяются для изготовления деталей машин и механизмов, содержание углерода <0,8%. Конструкционные подразделяются на цементуемые, с содержанием углерода <0,3% и улучшаемые, с содержанием углерода >0,3%. Основную классификацию и группы конструкционных сталей можно посмотреть
• инструментальные – применяются для изготовления мерительного, режущего инструмента, штампов горячего и холодного деформирования. Содержание углерода >0,8%;
• с особыми свойствами: электротехнические, с особыми магнитными свойствами, жаропрочные, износостойкие и др.

Классификация по структуре

Классификация по Обергофферу - по структуре в равновесном состоянии

Изначально эта классификация содержала только 4 типа сталей:

• доэвтектоидные
• эвтектоидные
• заэвтектоидные
• ледебуритные (имеющие в литом состоянии эвтектику)

Позже были внесены дополнения:

• ферритные
• аустенитные

Равновесное состояние - состояние сплава или стали после медленного охлаждения, чаще всего после отжига

Классификация по Гийе - по структуре после нормализации (нагрева и охлаждения на воздухе)

• перлитные
• мартенситные
• ферритные
• аустенитные
• карбидные

Также могут быть смешанные классы: феррито-перлитный, аустенитно-ферритный и т.д.

Классификация сталей по качеству

Количественным показателем качества является содержания вредных примесей- серы и фосфора:

• обыкновенного качества (S≤0,05, P≤0,04)
• качественные стали (S, P ≤0,035)
• высококачественные (S, P ≤0,025)
• особовысококачественные (S≤0,015, P≤0,025)

Классификация по способу выплавки

• в мартеновских печах
• в кислородных конверторах
• в электрических печах: электродуговых, индукционных и др.

Классификация по степени раскисления

• кипящие (кп)
• полуспокойные (пс)
• спокойные (сп)

Расширенные характеристики и свойства (технологические, физические... химический состав) некоторых марок сталей .

Классификация и маркировка чугунов

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% углерода. Они содержат те же примеси, что и сталь, но в большем количестве.

Классификация чугунов

В зависимости от состояния углерода в чугуне, его подразделяют на следующие виды:

• белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида

Такой чугун может быть доэвтектическими и заэвтектическими, а разделяет их эвтектический чугун (4,31% С). Структура доэвтектического чугуна – перлит, вторичный цементит и ледебурит, заэвтектического – первичный цементит с ледебуритом.

• графитизированный чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в виде графита, что определяет прочностные свойства сплава. Такие чугуны подразделяют на:
  • серые - пластинчатая или червеобразная форма графита (ЧПГ)
  • высокопрочные - с шаровидным графитом (ЧШГ)
  • ковкие - хлопьевидный графит (ЧХГ)
  • чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ) - имеет промежуточные свойства между СЧ и ВЧ. По форме графита напоминает СЧ, но имеет более толстые и более короткие пластины с округленными концами

Еще чугуны классифицируются по основе, в которой расположен графит. Основа может быть перлитной, ферритной, феррито-перлитной.

Маркировка чугунов

Чугуны маркируют двумя буквами и двумя цифрами, соответствующими минимальному значению временного сопротивления δв при растяжении в МПа-10. Серый чугун обозначают буквами "СЧ" (ГОСТ 1412-85), высокопрочный - "ВЧ" (ГОСТ 7293-85), ковкий - "КЧ" (ГОСТ 1215-85).

Пример маркировки

СЧ10 - серый чугун с пределом прочности при растяжении 100 МПа;
ВЧ70 - высокопрочный чугун с сигма временным при растяжении 700 МПа;
КЧ35 - ковкий чугун с δв растяжением примерно 350 МПа.

Для работы в узлах трения со смазкой применяют отливки из антифрикционного чугуна АЧС-1, АЧС-6, АЧВ-2, АЧК-2 и др., что расшифровывается следующим образом: АЧ - антифрикционный чугун: С - серый, В - высокопрочный, К - ковкий. А цифры обозначают порядковый номер сплава согласно ГОСТу 1585-79.

Чугуны специального назначения

К этой группе чугунов относятся жаростойкие (ГОСТ 7769-82), жаропрочные и коррозионностойкие (ГОСТ 11849-76) чугуны. Сюда же можно отнести немагнитные, износостойкие и антифрикционные чугуны.

Жаростойкими являются серые и высокопрочные чугуны, легированные кремнием (ЧС5) и хромом (4Х28, 4Х32). Высокой термо- и жаростойкостью обладают аустенитные чугуны: высоколегированный никелевый серый ЧН15Д7 и с шаровидным графитом ЧН15ДЗШ.

К жаропрочным относятся аустенитные чугуны с шаровидным графитом ЧН19ХЗШ и ЧН11Г7Ш.

В качестве коррозионностойких применяют чугуны, легированные кремнием (ферросилиды) - ЧС13, ЧС15, ЧС17 и хромом - 4Х22, 4Х28, 4Х32. Для повышения коррозионной стойкости кремнистых чугунов их легируют молибденом (4С15М4, 4С17МЗ - антихлоры). Высокой коррозионной стойкостью в щелочах обладают никелевые чугуны, например аустенитный чугун 4Н15Д7.

В качестве немагнитных чугунов также применяются аустенитные чугуны.

К износостойким чугунам относятся половинчатые и отбеленные чугуны. К износостойким половинчатым чугунам относится, например, серый чугун марки И4НХ2, легированный никелем и хромом, а также чугуны И4ХНТ, И4Н1МШ (с шаровидным графитом).