Чем отличается металл от сплава

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТАЛЛАХ, СПЛАВАХ МЕТАЛЛОВ И ИХ СВОЙСТВАХ

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

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

Свойства металлов объясняются особенностями их строения:

— расположением и характером движения электронов в атомах;

— расположением атомов, ионов и молекул в пространстве;

— размерами, формой и характером кристаллических образований.

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

При разных температурах некоторые химические элементы имеют 2 и более устойчивых типа кристаллических решеток. Существование одного металла в различных кристаллических формах (модификациях) при разных температурах называется полиморфизмом, или аллотропией, а переход из одного строения в другое — полиморфным (аллотропическим) превращением. Аллотропические формы, получающиеся в результате полиморфного превращения, обычно обозначают начальными буквами греческого алфавита α, β, γ, δ.

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

К металлам, которые имеют только один тип кристаллической решетки и называются изоморфными, относятся алюминий (А1), медь (Си), никель (Ni), хром (Сг), ванадий (W) и др.

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

— структурных (основаны на непосредственном наблюдении строения металла или сплава: макроскопический анализ, микроскопический анализ и пр.);

— физических (основаны на измерении различных физических свойств: тепловых, магнитных и пр.).

Так, например, метод элементного микроанализа изменения поверхности стоматологических сплавов в условиях ротовой полости применяется многими исследователями [Hani H. et al., 1989].

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

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

По количеству элементов (компонентов сплава) различают двух-, трех- или многокомпонентные сплавы.

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

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

Существуют три типа взаимоотношений компонентов сплава:

1) образование механической смеси, когда каждый элемент кристаллизуется самостоятельно, при этом свойства сплава будут усредненными свойствами элементов, которые его образуют;

2) образование твердого раствора, когда атомы компонентов образуют кристаллическую решетку одного из элементов, являющегося растворителем, при этом тип решетки основного металла сохраняется;

3) образование химических соединений, когда при кристаллизации разнородные атомы могут соединяться в определенной пропорции с образованием нового типа решетки, отличающейся от решеток металлов сплава. Образование химического соединения — сложный процесс, при котором создается новое вещество с новыми качествами, а решетка при этом имеет более сложное строение. Соединение теряет основное свойство металла — способность к пластической деформации, становится хрупким.

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

В то же время неограниченную растворимость, т.е. способность образовывать твердые растворы в любых пропорциях, имеют только металлы с кристаллической решеткой одного типа. Металлы, расположенные недалеко друг от друга в таблице Менделеева (Си29 и Ni2S; Fe26 и Ni2s; Fe26 и Cr24; Fe26 и Со27; Со27 и Ni2s) или расположенные в одной группе (As33 и Sb5I; Au79 и Ag47; Au79 и Cu29; Bi83 и; Sb51), имеют неограниченную растворимость.

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

Зависимость свойств от состава сплавов:

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

2) в сплавах — твердых растворах свойства изменяются по криволинейной зависимости;

3) при образовании химических соединений свойства изменяются скачкообразно.

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

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

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

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

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

— электрохимический потенциал при этом изменяется по плавной кривой.

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

Добавка небольших количеств (0,005%) иридия и рутения превращает грубую зернистую структуру сплавов золота в мелкозернистую, что дает возможность улучшить на 30% прочность на растяжение и предел прочности при удлинении, не влияя при этом на твердость и предел текучести. Особенно эффективно увеличивается прочность при легировании кобальтохромовых сплавов 4-6% молибденом и дополнительно 1-2% ниобия в присутствии 0,3% углерода. В металлических сплавах образуются различные химические соединения как между двумя или несколькими металлами (их называют интерметаллидами), так и между металлом и неметаллом (карбиды, оксиды и т. д.).

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

Основу неметаллических включений в сплаве Виталлиум составляет марганец и кремний. В кобальтохромовом сплаве (КХС) содержатся включения нитридов титана и силикаты.

В связи с усталостью металла появляются микротрещины на границе неметаллических включений, зерен металла, которые в провесе циклического нагружения увеличивают свои размеры, образуя магистральную трещину, приводящую к разрушению металла.

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

Кроме механических испытаний, металлические материалы подвергаются технологическим испытаниям (изгиб, перегиб и др.) с целью определения их пригодности к различным технологическим операциям в процессе использования.

Чем отличается металл от сплава

Общие сведения о металлах и сплавах

Признаки различия металлов и неметаллов.

Металлы в отличие от неметаллов имеют следующие характерные признаки:

Внешний блеск
Хорошую проводимость тепла и электрического тока
Достаточно высокую прочность
Хорошо куются и свариваются
Кристаллическое строение тела
Определенную температуру плавления и кристаллизации

Неметаллы (металлоиды) не имеют внешнего блеска, плохо проводят тепло и электрический ток, имеют сравнительно низкую прочность, не куются и не поддаются сварке. Они также не имеют кристаллического строения тел и определенной температуры плавления и кристаллизации.

Классификация металлов и сплавов.

Металлы и сплавы по ГОСТ 5200—50 классифицируют по:

Числу компонентов
Содержанию легирующих компонентов
Степени чистоты
Характеру компонентов

По числу компонентов металлы разделяют на простые металлы и металлические сплавы. Простым металлом называют металл, не содержащий в себе легирующих компонентов. Металлическим сплавом называют кристаллическое вещество, в составе которого имеется несколько металлов и металлоидов. Сплавы бывают двух-, трех- и более компонентными.

Компонентом называют химический элемент, входящий в состав металла или сплава. Компоненты подразделяют на основные и легирующие.

Основным называют такой компонент, который преобладает в металле или сплаве. Легирующим компонентом называют компонент, вводимый в состав сплава для получения необходимых требуемых технических свойств.

По содержанию легирующих компонентов сплавы делят на низколегированные , среднелегированные и высоколегированные . Низколегированным называют сплав, содержащий в своем составе легирующих компонентов менее 2,5% , среднелегированным — содержащий в своем составе легирующих компонентов 2,5— 10% . Сплав, содержащий в своем составе легирующих компонентов более 10% , называют высоколегированным.

По степени чистоты металлы и сплавы делят на пониженную , среднюю , повышенную , высокую и особую чистоту. Металлы и сплавы пониженной чистоты имеют степень чистоты 95—99% , средней чистоты — 99—99,9% , повышенной чистоты — 99,9—99,99% , высокой чистоты— 99,99—99,999% , а особой чистоты — 99,999—99,9999 % .

Области применения металлов и сплавов.

В зависимости от климатических условий, параметров работы той или иной конструкции (характера и величины нагрузки, давления, среды, рабочей температуры) применяют черные или цветные металлы. Углеродистые стали применяют для изготовления листовых и решетчатых конструкций, котлов, трубопроводов и корпусов различного рода машин.

Легированные стали применяют для изготовления ответственных конструкций, емкостей и трубопроводов, транспортирующих агрессивные и токсичные продукты. Чугун в основном применяют для изготовления больших тяжеловесных станин и трубопроводов (канализация, водопровод и т.д.); цветные металлы, например -сплавы алюминия и магния, — в тех отраслях промышленности, где наряду с высокой прочностью к конструкциям предъявляют требования высокой коррозионной стойкости и небольшого удельного веса.

Никель, медь, свинец и их сплавы применяют при сооружении металлургических, нефтеперерабатывающих и химических заводов.

Строение и кристаллизация металлов и сплавов.

Все вещества состоят из молекул, а молекулы из атомов. Атомы в свою очередь состоят из ядра и электронов, вращающихся вокруг него. Самым простым является атом водорода, состоящий из ядра и одного электрона. Атом железа состоит из ядра и 26 электронов.

Соединения атомов образуют различные вещества. Вещества по количеству находящихся в них химических элементов бывают простыми и сложными.

Простые вещества состоят из атомов одного химического элемента, а сложные — из нескольких химических элементов. К простым веществам относятся: чистое железо, чистая медь, чистый никель и т.д. К сложным веществам относятся сплавы (сталь, чугун, бронза, латунь и т.д.). Некоторые простые вещества имеют различное расположение атомов и в связи с этим различные свойства. Например: алмаз —очень твердое вещество, а графит— мягкое, однако и то и другое состоит из углерода.

Читать еще: Как подключить видеорегистратор к ноутбуку через vga

Явление существования химического элемента в виде различных простых веществ называют аллотропией .

По внутреннему строению все твердые тела делят на две группы: аморфные и кристаллические .

Аморфные —это такие тела, в которых атомы расположены беспорядочно ( рис. 1 ,а ). К ним относятся стекло , воск , смола , пластмасса и т.д. Аморфные тела имеют следующие особенности:

при нагревании постепенно размягчаются и переходят в жидкое состояние, а при охлаждении постепенно затвердевают, т. е. они не имеют определенной точки плавления и кристаллизации
свойства аморфных тел одинаковы, независимо от того, в каком направлении они подвергаются нагрузке.

Кристаллические — это такие тела, атомы в которых расположены в правильном геометрическое порядке ( рис. 1,6 ). Металлы, как правило, являются кристаллическими телами. При правильном геометрическом расположении атомов в кристаллическом теле можно выделить правильную объемную фигуру, называемую кристаллической решеткой. Примеры кристаллических решеток металлов показаны на рис. 2 . На рис. 2,а показано расположение атомов в объемно-центрированном кубе , состоящем из 9 атомов, из которых 8 расположены в вершинах куба и 1 в центре на равном расстоянии от шести его граней.

Решетка, называемая кубом с центрированными гранями ( рис. 2,6 ), состоит из 14 атомов, из которых 8 находятся в вершинах куба, а 6 расположены в центрах граней. Гексагональная решетка ( рис. 2,б ) состоит из 17 атомов, 12 из которых расположены в вершинах узлов верхнего и нижнего оснований шестигранной призмы, 2 — в центрах верхнего и нижнего оснований и 3 —внутри призмы. Кристаллическая решетка объемно-центрированного куба характерна для железа ( при температуре ниже 910°С ), хрома , молибдена , вольфрама и других металлов; гранецентрированного куба— для железа ( при темлературе выше 910°С ), алюминия , меди и свинца . Гексагональную решетку имеют цинк , магний , титан и другие металлы.

Атомы элементов имеют весьма малые размеры. Для измерения размеров и расстояний между их центрами принята единица измерения ангстрем — Å . Один Å равен 0,00000001 см . Размеры атомов различных элементов находятся в пределах 1—5 Å , т. е. в 1 см размещаются десятки миллионов кристаллических решеток.

Тела, имеющие кристаллическое строение, обладают следующими характерными свойствами:

они могут приобретать правильную внешнюю форму, соответствующую той или иной геометрической фигуре, которая получается благодаря определенному взаимному расположению атомов
при разрушении тела кристаллического строения разделяются на части по определенным плоскостям, называемым плоскостями спайности или скольжения
процесс перехода из твердого состояния в жидкое и обратно происходит при определенной температуре — точке плавления или затвердевания. Переход жидкого тела (металла) в твердое с образованием кристаллов называют кристаллизацией.

В процессе кристаллизации кристаллы часто принимают форму, напоминающую ветви дерева, откуда и возникло их название « дендриты » (греческое слово «дендрос» — дерево), рис. 3 . При достаточном количестве частиц расплавленного металла промежутки между ветвями дендрита оказываются заполненными— в этом случае образуется зерно. Установлено, что на величину зерен оказывает значительное влияние число центров кристаллизации, а также скорость, с которой растут кристаллы вокруг образовавшихся центров. С увеличением количества центров кристаллизации увеличивается число зерен, а их размер уменьшается. Кристаллизация металла может быть первичной и вторичной .

Процесс перехода жидкого металла в твердое—кристаллическое состояние называют первичной кристаллизацией. Изменение в твердом состоянии внутреннего строения (структуры) металла после первичной кристаллизации называют вторичной кристаллизацией.

Для того чтобы увидеть зерна, их расположение и величину, из металла делают шлифы, которые подвергают травлению, т. е. смачивают их реактивом — жидкостью особого состава. Различные металлы травят разными реактивами. Внутреннее строение металла (шлифа), определенное простым глазом без увеличения или с небольшим увеличением с применением лупы, называют макроструктурой . Внутреннее строение металла, определенное при помощи микроскопа, называют микроструктурой .

Сплавы металлов. Основные сплавы металлов. Свойства металлов и сплавов

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

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.

Способность сплава противостоять механическим нагрузкам и противиться разрушению.

Свойство, которое определяет сопротивляемость материала попыткам внедрить в его толщу деталь из другого сплава или металла.

Способность к восстановлению начальной формы после приложения значительного механического усилия, нагрузки.

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.

— способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) нагрузкам

Вот какими качествами характеризуются сплавы металлов. Таблица поможет вам в них разобраться.

Сведения о производстве

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

Мы уже говорили, что механические свойства металлов и сплавов сильно отличаются, но в случае этих материалов нередко противоположными качествами обладают даже различные виды сталей, отчего сферы их применения сильно расходятся.

Если в материале менее 0,25% углерода, то он используется в каких-то технических конструкциях. Если же в стали более 0,55% углерода, то она идеально подходит для производства различных высококачественных режущих инструментов, в том числе резцов для токарных станков, сверл и хирургических принадлежностей. Но если речь идет о приспособлениях, которые применяются для быстрой резки, то на их производство идет исключительно легированная сталь.

Чугун

Если в сплаве железа содержится более 3-4% углерода, то он называется чугуном. Кроме того, его важным элементом является кремний. Из чугуна изготавливается масса деталей и готовых изделий. К примеру, блоки двигателей для автомобилей. В случае качественно сделанной отливки без полостей и каверн, изделие обладает впечатляющей механической прочностью. В этой связи стоит вспомнить хотя бы пушки 14-15 века, которые нередко выдерживали трех-четырехкратное увеличение порохового заряда.

Конечно же, применение металлов и сплавов никогда не ограничивалось исключительно военной отраслью, но зачастую получалось так, что именно эта отрасль промышленности постоянно находила новые методы обработки металла, двигая вперед всю цивилизацию.

Медные сплавы

Чаще всего под этим термином понимаются разные сорта латуни. Это такие сплавы меди, в которых содержится от 5 до 45% цинка. Если его содержание колеблется в пределах 5-20%, то это красная латунь (томпак). Если же в материале содержится уже 20–36% Zn, то это – желтая латунь.

Эти материалы идеальны в случае необходимости производства и формовки мелких деталей. Малоизвестно, но сплав меди с кремнием носит название кремнистой бронзы и обладает большой механической прочностью. Практически тем же характеризуется фосфористая разновидность (к меди прибавляется 5% олова и некоторое количество фосфора). Как и в прошлом случае, отличается высокой прочностью и пружинистыми качествами, а потому идеальна для изготовления мембран и разного рода пружин.

Сплавы свинца

Наиболее известен в настоящее время обычный припой, который изготавливается из одной части свинца и двух частей олова. Как видно из названия, он используется для пайки деталей. Применяется в радиотехнике и прочих технических отраслях. Из сурьмы и свинца делают сплавы, которые используются для изготовления оболочек разного рода кабелей.

Давно известно, что соединения этого металла с кадмием, висмутом или оловом могут плавиться приблизительно при температуре 70 градусов по шкале Цельсия. Именно поэтому сегодня из них делают различные предохранители в системах автоматического пожаротушения.

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

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).

Читать еще: Способы подключения камер видеонаблюдения

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).

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.

Металлические сплавы

Металлическими сплавами называют сложные по составу вещества, образовавшиеся в результате взаимодействия двух или нескольких металлов либо металлов с некоторыми неметаллами. Химические элементы или их устойчивые соединения, входящие в

сплав, принято называть компонентами. Сплавы могут состоять из двух, трех и более компонентов.

Компонент, преобладающий в сплаве количественно, называется основным. Компоненты, вводимые в сплав для придания ему нужных свойств, называются легирующими. Совокупность компонентов сплава называется системой.

Сплавы классифицируют по числу компонентов — на двойные (бинарные), тройные, четвертные и многокомпонентные; по основному элементу — железные, алюминиевые, магниевые, титановые, медные и т.д.; по применению — конструкционные, инструментальные, жаропрочные, антифрикционные, пружинные, шарикоподшипниковые и т.д.; по плотности — тяжелые (на основе вольфрама, рения, свинца и др.), легкие (алюминиевые, магниевые, берил- лиевые и др.); по температуре плавления — тугоплавкие (сплавы на основе ниобия, молибдена, тантала, вольфрама и др.), легкоплавкие (припои, баббиты, типографские сплавы и т.д.); по технологии изготовления полуфабрикатов и изделий — литейные, деформируемые, спеченные, гранулированные, композиционные и т.д.

Способность различных металлов образовывать сплавы далеко не одинакова; структура сплавов после их затвердения также может быть самой разнообразной.

Металлические сплавы в жидком состоянии, как правило, однородны и представляют одну фазу.

Фазой называют однородную часть неоднородной системы, отделенную от других ее частей поверхностями раздела. При переходе сплавов из жидкого состояния в твердое в них может образоваться несколько фаз. После затвердевания в зависимости от природы компонентов сплавы могут состоять из одной, двух и более твердых фаз. Возможно образование твердых растворов, химических соединений и механических смесей, состоящих из двух или нескольких фаз.

Твердыми растворами называют сплавы (из двух или более компонентов), в которых атомы растворимого компонента располагаются в кристаллической решетке компонента растворителя. При образовании твердого раствора растворителем называют тот металл, кристаллическая решетка которого сохраняется как основа. Если оба металла обладают одинаковыми по типу кристаллическими решетками и вследствие этого неограниченной взаимной растворимостью в твердом состоянии (образуют непрерывный ряд твердых растворов), то растворителем является тот из них, концентрация которого в сплаве превышает 50% (атомных).

Для образования непрерывного ряда твердых растворов необходимы одинаковый тип кристаллических решеток компонентов и небольшая разность периодов кристаллических решеток.

Твердый раствор замещения образуется путем замены части атомов растворителя в его кристаллической решетке атомами растворяемого компонента (рис. 1.6, а). Эти растворы могут быть ограниченными и неограниченными.

В твердых растворах могут происходить диффузионные переходы компонентов из мест с большей их концентрацией в места с меньшей концентрацией до тех пор, пока концентрация не станет одинаковой во всем объеме. Однако диффузия в твердых растворах протекает значительно медленнее, чем в жидких, и скорость ее уменьшается с понижением температуры.

Различают три типа твердых растворов: замещения, внедрения и вычитания. Рассмотрим только первые два типа твердых растворов, так как твердые растворы вычитания встречаются сравнительно редко.

Рис. 1.6. Схема образования твердых растворов: о — атом основного металла (растворителя); • — атом растворенного металла

Обычно компоненты, у которых атомные периоды решетки отличаются не более чем на 8%, образуют неограниченный ряд твердых растворов замещения; на 8—15% — твердые растворы замещения с ограниченной взаимной растворимостью; более чем на 15% — не образуют твердых растворов [1] .

Твердые растворы внедрения образуются путем размещения атомов растворенного компонента в свободных промежутках между атомами кристаллической решетки растворителя (рис. 1.6, б).

Химические соединения образуются при строго определенном количественном соотношении компонентов сплава и характеризуются кристаллической решеткой, отличающейся от решеток исходных компонентов. Химические соединения, как правило, обладают характерными физико-механическими свойствами: высокой твердостью, повышенной хрупкостью, высоким электросопротивлением.

Химические соединения в сплавах образуются между металлами (интерметаллические соединения), а также между металлами и неметаллами. Некоторые соединения металлов с неметаллами (карбиды, нитриды, оксиды, фосфиды и др.) получили в технике самостоятельное применение.

Механические смеси формируются при одновременном выпадении из жидкого расплава при его охлаждении кристаллов составляющих его компонентов (эвтектические смеси). В кристаллах, которые входят в состав механической смеси, сохраняется кристаллическая решетка исходных компонентов сплава. Механические смеси могут состоять из чистых компонентов, твердых растворов, химических соединений и т.д.

Правило фаз (закон Гиббса) устанавливает количественную зависимость между числом степеней свободы, числом фаз и числом компонентов. Под числом степеней свободы системы понимают число независимых внешних (температура, давление) и внутренних (концентрация) переменных, которые можно произвольно менять без изменения числа фаз в системе.

Для металлических сплавов, находящихся под постоянным давлением, переменными величинами являются температура и концентрация. В этом случае правило фаз принимает следующий вид:

где С— число степеней свободы; К— число компонентов системы;

При кристаллизации чистого металла система состоит из одного компонента (К= 1), твердой и жидкой фаз (Ф = 2). При неизменном давлении такая система нонвариантна (число степеней свободы равно нулю) и в ней нельзя произвольно изменять температуру, не изменяя числа фаз.

Для чистого расплавленного металла (К = 1, Ф= 1, С= 1) система одновариантна, т.е. при изменении температуры равновесие системы не нарушится.

[1] Эти положения небезусловны. Например, в системе селен-теллур (разница впериодах 17%) образуется неограниченный ряд твердых растворов. Имеются идругие исключения.

О металлах и сплавах

Здравствуйте, друзья! Сегодня я предлагаю рассмотреть некоторые металлы и их сплавы. Постараемся в этой статье охватить все возможности и характеристики металлов и выделим основные их достоинства и качества.

Металлы и их сплавы

Железо

Железо не считается древним открытием человека. Его начали производить только в 13 веке до нашей эры. Постепенно оно заслуживало все больше значения не только в производстве, но и в деле постройки дома, и др. различных строений. Без железа и изделий из него, сейчас трудно представить любую хозяйственную и строительную деятельность, хотя справедливости ради надо заметить, что прогресс не стоит на месте, и все чаще железо заменяется различными видами пластика. Но как бы там не было, есть случаи когда его не заменит ничто. Хотя как знать, прогресс такая штука…

Итак, обычно в работах по металлу применяется не чистое железо, а сплавы – чугун или сталь.

Сплав железа с углеродом

Сплав железа с содержанием углерода, превышающего 2% — есть чугун.

» data-medium-file=»http://odnastroyka.ru/wp-content/uploads/2014/10/sort-stali.jpg» data-large-file=»http://odnastroyka.ru/wp-content/uploads/2014/10/sort-stali.jpg» class=»lazy lazy-hidden wp-image-519 size-full» title=»проверить сталь» src=»http://odnastroyka.ru/wp-content/plugins/a3-lazy-load/assets/images/lazy_placeholder.gif» data-lazy-type=»image» data-src=»http://odnastroyka.ru/wp-content/uploads/2014/10/sort-stali.jpg» alt=»сорта стали по искре» width=»352″ height=»352″ srcset=»» data-srcset=»http://odnastroyka.ru/wp-content/uploads/2014/10/sort-stali.jpg 352w, http://odnastroyka.ru/wp-content/uploads/2014/10/sort-stali-350×350.jpg 350w» sizes=»(max-width: 352px) 100vw, 352px» /> Определение марки стали по искре

Чугун почти не поддается обработке (и уж тем более сверлению), отличается высокой хрупкостью. Применение чугуна весьма ограничено (чаще его используют при литье, всем например известны старые, «добрые» чугунные отопительные батареи).

Сплав железа с содержанием менее 2% углерода – это сталь. Она различается по количеству содержания в себе углерода.

Малоуглеродистый сорт стали (углерод не превышает 0,3%) больше годится для чеканки или ковки вручную, поэтому её ещё называют поделочной. Этот сорт стали превосходно поддается сварке и соответствует высокой стадии ковкости. Плохо поддается закаливанию лишь особо низкоуглеродистая сталь (меньше 0,1% углерода).

Средне-углеродистый сорт стали (сочетает до 0,85% углерода) применяется для производства большинства метало-изделий. Т.н. конструкционная сталь. Отлично поддается закаливанию и ковке, но очень плохо поддаются сварке.

Высоко-углеродистая сталь (сочетание углерода достигает до 1,35%) является самой твердой, и применяется для производства частей механизмов и инструментов, подверженных высокому износу. Эта сталь практически не куется и плохо поддается сварке.

Сталь для разных поделок выпускается в виде заготовок, на производствах. Но выгоднее использовать ее детали, которые пришли в негодность. Чтобы узнать к какому сорту стали относится деталь, есть много различных методов определения.

Читать еще: Каким средством убрать ржавчину

К примеру, если надпилить напильником стальную деталь, раскалить её до красна и резко остудить в воде. И если при повторном надпиливании, чувствуется легкость – это малоуглеродистая сталь. При затруднении – проценту углерода больше. Можно определить сорт стали и по искрам от наждачного круга. Но это сможет определить уже достаточный специалист.

Существуют специальные таблицы по которым довольно точно можно узнать марку, и даже содержание добавок в стали.

Профили металлов, металлосырье

Листовой металл делится на тонко-листовой и толсто-листовой.

Края листового металла лучше всего обработать стругом, полученным из использованного ножовочного полотна. Абразивным трехгранным бруском вытачиваем в полотне угловой вырез – струг готов.

Стальные трубы производятся бесшовными (цельнотянутые) или сварные (внахлестку). Первые известны как газовые или паровые трубы.

Удобнее всего резать жестяную трубу – консервным ножом. Заход делаем обычной ножовкой.

Трубы из чугуна обычно используются в водо-канализационных системах.

Проволока имеет три (основные) и более видов сечений — квадратное, круглое или прямоугольное. Ее поверхность может быть омедненная, луженая, оцинкованная или неизолированная. Также может быть упругой либо мягкой.

Стержни производятся круглого, шестигранного, квадратного или плоского сечения.

Искусство самостоятельного приготовления легких сплавов могут стать очень полезным. Самое главное не допустить перегрева металла.

Металлы и сплавы

Легкие сплавы

Для поделок как правило используется чистая медь (то есть красная), или различные легкие сплавы.

Красная медь особо подходит для чеканки, она очень ковкая, легко обрабатывается различными хим. веществами, для получения разных оттенков цвета. Кроме того она прекрасно шлифуется и полируется, характеризуется высоким сопротивлением к коррозии.

Минусом же красной меди является её плохая свариваемость (необходимы особые электроды для сварки) и быстрое окисление на открытых воздушных массах, отчего её первоначальный блеск теряется.

Бронзу получают при сплавлении олова с медью. Заготовки из нее более твердые и прочные, чем из самой меди. Бронза отлично годится для литья и ковки. Готового сплава бронзы, вы вряд ли найдете в продаже. Поэтому мастера чаще производят ее сами.

Латунь – есть сплав меди и цинка. В кузнечных делах её используют с отдельными легирующими элементами: алюминием, никелем, свинцом и т. п.

Латунь лучше полируется и режется, нежели красная медь. Она прекрасно покрывается золотом, серебром, никелем. Но латунь в пластичности уступает меди.

Алюминий – легкий, мягкий металл светло-серебристого цвета. Его плотность в три раза ниже чем у стали. Алюминий, а в частности его сплавы (высокопрочный конструкционный, технический деформированный, дюралюминий и пр.), которые широко используются в легкой промышленности, отлично обрабатываются в обычных условиях.

Цинк имеет серебристо-голубой оттенок. При воздействии с кислородом покрывается матовой пленкой, она предохраняет металл от коррозии. Цинк очень полезен для защиты различных черных металлов от коррозии, и в этом он чаще всего применяется (т.н. «оцинковка» — например всем известные водосточные трубы, оцинкованный металл автомобилей, и т.д.).

Цинк в чушках

Свинец – мягок, пластичен и в то же время тяжелый металл. Устойчив к воздействию кислот. Как правило используется для производства легкоплавких припоев, и в электрохимической промышленности.

Олово – пластичный и мягкий металл светло-серебристого цвета. Используется для образования антикоррозийных покрытий. Устойчив к пищевым кислотам и потому широко используется при изготовлении крышек, консервных банок и пр.

Хром – металл светло-синего цвета. Обладает превосходными антикоррозийными свойствами и высокой твердостью. Эффективность изделий из стали или чугуна покрытых хромом, существенно возрастает.

Никель – светло-серебристый металл. Но в отличие от хрома имеет нежный желтоватый оттенок. Более устойчив к воздействиям агрессивных сред. Как и хром имеет широкое использование для защиты декоративных покрытий металлов – так называемая никелировка.

Нейзильбер и мельхиор образуется путем сплавления меди и никеля. Присутствия меди в них достаточно высоко – 82% и 66% соответственно. Из-за этого они отличаются хорошей пластичностью.

Во время обработки уксусного свинца и гипосульфата натрия, дают разные оттенки. Поверхности данных металлов прекрасно полируются и несут ряд других важных особенностей.

На этом заканчиваю статью про металлы и их сплавы.

В дальнейшем предлагаю рассмотреть также свойства и строение древесины. До новых встреч.

Чем отличается металл от сплава

Общие сведения о металлах и сплавах

Признаки различия металлов и неметаллов.

Металлы в отличие от неметаллов имеют следующие характерные признаки:

Внешний блеск
Хорошую проводимость тепла и электрического тока
Достаточно высокую прочность
Хорошо куются и свариваются
Кристаллическое строение тела
Определенную температуру плавления и кристаллизации

Классификация металлов и сплавов.

Металлы и сплавы по ГОСТ 5200—50 классифицируют по:

Числу компонентов
Содержанию легирующих компонентов
Степени чистоты
Характеру компонентов

Области применения металлов и сплавов.

Строение и кристаллизация металлов и сплавов.

Явление существования химического элемента в виде различных простых веществ называют аллотропией .

По внутреннему строению все твердые тела делят на две группы: аморфные и кристаллические .

при нагревании постепенно размягчаются и переходят в жидкое состояние, а при охлаждении постепенно затвердевают, т. е. они не имеют определенной точки плавления и кристаллизации
свойства аморфных тел одинаковы, независимо от того, в каком направлении они подвергаются нагрузке.

Тела, имеющие кристаллическое строение, обладают следующими характерными свойствами:

они могут приобретать правильную внешнюю форму, соответствующую той или иной геометрической фигуре, которая получается благодаря определенному взаимному расположению атомов
при разрушении тела кристаллического строения разделяются на части по определенным плоскостям, называемым плоскостями спайности или скольжения
процесс перехода из твердого состояния в жидкое и обратно происходит при определенной температуре — точке плавления или затвердевания. Переход жидкого тела (металла) в твердое с образованием кристаллов называют кристаллизацией.

голоса

Рейтинг статьи