Сплавы металлов

Сплавы и металлы: в чем разница?

Металлы — это группа химических элементов, обладающих характерными свойствами, такими как:

• Металлический блеск: Металлы имеют характерный блеск, который может быть матовым или блестящим.
• Хорошая тепло- и электропроводность: Металлы хорошо проводят тепло и электричество.
• Пластичность и ковкость: Металлы могут быть легко деформированы без разрушения, что позволяет изготавливать из них различные изделия.
• Твердость и прочность: Многие металлы обладают высокой твердостью и прочностью, что делает их пригодными для использования в конструкциях.

Примеры металлов: железо, алюминий, медь, золото, серебро.

Сплавы — это материалы, полученные путем соединения двух или более металлов, а иногда и неметаллов. Сплавы обладают свойствами, которые могут отличаться от свойств исходных компонентов.

Основные отличия между металлами и сплавами:

• Состав: Металлы — это чистые химические элементы, а сплавы — это соединения двух или более металлов.
• Свойства: Свойства сплавов могут значительно отличаться от свойств исходных металлов. Например, сплавы могут быть более прочными, твердыми, устойчивыми к коррозии или иметь другие полезные свойства.
• Применение: В чистом виде металлы используются реже, чем сплавы. Сплавы применяются для изготовления различных изделий, таких как инструменты, машины, транспортные средства, бытовая техника и многое другое.

Примеры сплавов:

• Сталь: Сплав железа с углеродом (до 2,1% по массе). Сталь является одним из самых распространенных сплавов в мире.
• Латунь: Сплав меди с цинком. Латунь используется для изготовления деталей машин, сантехники, украшений.
• Бронза: Сплав меди с оловом. Бронза используется для изготовления художественных изделий, подшипников, шестерен.

Важно отметить:

• Сплавы могут содержать не только металлы, но и неметаллы, такие как углерод, кремний, фосфор.
• Свойства сплавов зависят от состава, способа получения и термической обработки.

Что такое сплав?

Сплавом считается соединение нескольких металлов, например, сплавы железа или алюминия, либо соединение одного металла, как железо, с несколькими неметаллическими добавками и элементами двух или более. В отличие от чистого металла, сплавы составляют большую часть предметов, созданных в промышленности. Их иногда именуют макроскопической однородной системой, которую получают при помощи основного метода плавления, применяемого для изготовления деталей из сплава чугуна или меди. Сплавы также можно получить без расплавления основного компонента, используя методы порошковой металлургии.

Первое появление сплавов из алюминия можно проследить еще в Древние времена, когда люди начали осваивать кузнечное дело и создавать медные сплавы. Такие детали, как чугун или бронза, выделяли их в уникальный класс материалов. В то время изготавливались специальные машины для повышения изначальной низкой скорости переработки, и новые названия для руды стали частью культурного наследия.

Вместе с этим проводились эксперименты, в ходе которых создавались новые сплавы из двух или более элементов, известных человечеству. Эти сплавы изготавливались из исходных порошковых видов железа, никеля, цинка, хрома и других компонентов, таких как свинец, с помощью термической обработки.

Основным преимуществом сплавов (включающих в себя такие компоненты, как железо, хром, алюминий, цинк, никель и свинец) является возможность легирования для получения наиболее подходящих технологических свойств при изготовлении деталей. Для этого используется определенные металлы и специализированные станки. На сегодняшний день известны все формулы и пропорции для создания сплавов, что позволяет легко производить сплавы чугуна с нужными характеристиками. Плавление сплавов, таких как бронза из железа, алюминия или углерода, а также цинка и никеля, стало стандартной практикой в промышленности. Это позволяет эффективно легировать материалы для создания деталей, соответствующих специфическим требованиям и условиям эксплуатации.

Свойства металлов и сплавов

1. Прочность:

• Различные виды прочности: Важно понимать, что прочность – это не однородное понятие. Существуют различные виды прочности, такие как:
  • Предел прочности при растяжении: Максимальное напряжение, которое материал может выдержать перед разрушением при растяжении.
  • Предел текучести: Напряжение, при котором начинается пластическая деформация материала.
  • Предел прочности при сжатии: Максимальное напряжение, которое материал может выдержать перед разрушением при сжатии.
  • Предел прочности при изгибе: Максимальное напряжение, которое материал может выдержать перед разрушением при изгибе.
• Влияние легирующих элементов: Легирующие элементы, такие как хром, молибден, ванадий, могут значительно повышать прочность металлов и сплавов.

2. Упругость:

• Модуль упругости (модуль Юнга): Характеризует жесткость материала, то есть его способность сопротивляться упругой деформации. Чем выше модуль упругости, тем жестче материал.
• Предел упругости: Максимальное напряжение, до которого материал возвращается в исходное состояние после снятия нагрузки.
• Нелинейная упругость: Некоторые материалы могут демонстрировать нелинейную упругость, где зависимость между напряжением и деформацией нелинейная.

3. Пластичность:

• Относительное удлинение: Показатель пластичности, измеряемый как процентное увеличение длины образца при разрыве.
• Относительное сужение: Показатель пластичности, измеряемый как процентное уменьшение площади поперечного сечения образца при разрыве.
• Ковкость и тягучесть: Частные случаи пластичности, связанные со способностью материала деформироваться при ковке и вытяжке соответственно.

4. Твердость:

• Различные методы измерения твердости: Твердость может быть измерена различными методами, такими как твердость по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу. Каждый метод использует свой тип индентора и схему нагружения.
• Связь с прочностью: Твердость часто коррелирует с прочностью, но это не всегда однозначная зависимость.

5. Вязкость:

• Ударная вязкость: Способность материала поглощать энергию при ударном нагружении. Измеряется с помощью маятникового копра.
• Температура хрупко-вязкого перехода: Температура, при которой материал переходит из вязкого состояния в хрупкое. Важный параметр для материалов, эксплуатируемых при низких температурах.

6. Дополнительные свойства:

• Жаропрочность: Способность материала сохранять прочность при высоких температурах.
• Коррозионная стойкость: Способность материала сопротивляться разрушению под действием окружающей среды.
• Износостойкость: Способность материала сопротивляться износу при трении.

Признаки металлов

Помимо этого, существуют признаки металлов. Особенно выделяются следующие:

1. Ковкость.
2. Пластичность.
3. Электропроводимость при изменении температуры.

Блеск также относят к признакам металла (примером является железо, латунь), но некоторые неметаллы также обладают этим свойством при изготовлении компонентов при плавлении.

Характеристика металлов: химические и физические свойства

Металлы — это группа химических элементов, обладающих рядом характерных свойств, которые отличают их от неметаллов. Рассмотрим подробнее химические и физические свойства металлов:

Химические свойства:

• Внешний энергетический уровень: У атомов металлов на внешнем энергетическом уровне находится от 1 до 3 электронов. Это объясняет их склонность к отдаче электронов и проявлению восстановительных свойств в химических реакциях.
• Восстановительные свойства: Металлы легко отдают электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы (катионы). Это свойство используется в различных химических процессах, таких как получение металлов из руд, коррозия и т.д.
• Степень окисления: В химических соединениях металлы всегда имеют положительную степень окисления.

Физические свойства:

• Металлическая связь: В твердом состоянии металлы образуют кристаллическую решетку, в узлах которой находятся положительно заряженные ионы металлов, а между ними свободно перемещаются электроны. Этот тип связи называется металлической связью.
• Металлический блеск: Металлы имеют характерный блеск, который может быть матовым или блестящим.
• Хорошая тепло- и электропроводность: Металлы хорошо проводят тепло и электричество благодаря наличию свободных электронов.
• Пластичность и ковкость: Металлы могут быть легко деформированы без разрушения, что позволяет изготавливать из них различные изделия.
• Твердость и прочность: Многие металлы обладают высокой твердостью и прочностью, что делает их пригодными для использования в конструкциях.

Применение

Использование сплавов для создания конструкционных материалов

Машиностроение и строительство – это два наиболее частых примера применения конструкционных материалов, где используются сплавы, такие как чугун, сталь и некоторые другие сплавы на основе меди и углерода. Каждый из этих материалов повышает надежность построек и обладает важными эксплуатационными характеристиками.

Помимо этого, алюминий, будучи относительно легким металлом, широко применяется в конструкциях, где требуется минимальный вес. Из алюминия изготавливаются сплавы, такие как силумин и дюралюминий, которые активно используются при постройке кораблей, самолетов и вагонов поездов. Эти сплавы соответствуют необходимым требованиям по прочности и легкости. Для постройки самолетов также применяются сплавы на основе магния и углерода, которые обладают физическими свойствами, такими как легкость и устойчивость к высоким температурам. В отличие от них, сталь или чугун не обладают такими параметрами, что ограничивает их применение в некоторых высокотехнологичных изделиях.

Основой ракетостроения считаются сплавы титана и углерода, из которых изготавливаются термостойкие и относительно легкие конструкции. Чтобы улучшить свойства сплавов, в них добавляют специальные элементы. Например, добавление марганца в сплав увеличивает ударопрочность стали, а для получения нержавеющей стали добавляют хром или олово. Грамотное использование знаний о сплавах и добавках позволяет создавать прочные конструкции из стали, чугуна и олова, которые заранее подготавливаются к различным условиям эксплуатации.

Сплавы для инструментов

Специальные сплавы, изготавливаемые для инструментов, часто именуются инструментальными. Они прекрасно адаптированы под определенные условия работы и обладают необходимыми свойствами, такими как прочность и износостойкость. Например, инструментальные сплавы на основе стали должны выдерживать высокие температуры без потери своих качеств, что достигается за счет закалки.

Чтобы придать сплавам определенные характеристики, в них добавляют элементы, такие как ванадий, хром или вольфрам. Эти добавки улучшают механические свойства сплавов, что делает их идеальными для использования в инструментах, требующих высокой прочности и долговечности.

Сплавы в приборостроении, электронике и промышленности

В электропромышленности сплавы меди являются практически незаменимыми благодаря своей низкой стоимости и отличным проводящим свойствам. Например, запорные краны изготавливаются из латуни, которая эффективно удерживает воду или газ, не позволяя им проходить, когда кран закрыт.

Где применяют легкоплавкие сплавы

Легкоплавкие сплавы активно используются в пайке микросхем благодаря своим высоким показателям теплопроводности, химической инертности и прочности на разрыв. Они находят применение в производстве пожарных сигнализаций, термодатчиков, термометров, а также в медицине для фиксации костей и в протезировании. Сплавы также используются в качестве теплоносителей для охлаждения ядерных реакторов; например, сплав натрия с калием является популярным выбором, так как сталь для этих целей не подходит.

Как используют сплавы в ювелирном деле

Использование чистого металла в ювелирном деле часто является неоправданным и дорогим, поэтому применяются сплавы. Для повышения прочности и износостойкости золото сплавляют с другими металлами, такими как медь или серебро. Это снижает температуру плавления и увеличивает твердость изделия. Чистое золото, будучи мягким, подвержено деформации и образованию царапин, что делает использование сплавов более практичным.

Применение сплавов в сфере искусства

Художественное литье часто производится с использованием бронзы, а также «оловянной бронзы», которая представляет собой сплав меди и олова. В отличие от чистой меди, оловянная бронза обладает большей прочностью, износостойкостью и легкоплавкостью.

Существует отдельное направление в искусстве, связанное с созданием изделий из чугуна. Хотя это достаточно сложный процесс, качество получаемых изделий всегда превосходит качество кованых аналогов, таких как сталь. В некоторых городах изделия из чугуна, такие как лестницы, скульптуры и другие элементы, создают уникальную атмосферу, украшая улицы и мосты, что делает их важной частью городской архитектуры.

Классификация

Черные металлы

Делятся на несколько подгрупп, которые имеют разные свойства и специфику.

Железные металлы

Основой считаются Mn, Co и Ni. Их добавляют к ферруму, чтобы создать сплав под названием сталь. Далее готовый продукт – сплав, активно используется в производстве.

Урановые металлы

Имеют узкопрофильное применение, но имеют высокую важность, основу в своей отрасли по причине радиоактивности.

Редкоземельные

Среди них особенно выделяются Pr, La и Nd. С помощью редкоземельных металлов получаются поистине уникальные вещи, например, стекло, которое не пропускает ультрафиолетовые лучи!

Щелочноземельные металлы

Всегда твердые металлы при комнатной температуре, обладают серой окраской. К ним относятся радий, бериллий, кальций и магний. В чистом виде применяются только в атомной энергетике, в остальное время, могут являться частью каких-либо сплавов.

Тугоплавкие металлы

Имеют более высокую температуру плавления, если сравнивать с железом. В категорию тугоплавких металлов входят рений, вольфрам, ниобий и молибден.

Цветные металлы

Заметно дороже черных металлов, применяются повсеместно, крайне востребованные. Их активно используют для производства электроники, включая смартфоны, для строительства домов и при изготовлении автомобилей. Могут использоваться при изготовлении уголков, балок, арматур и прочих элементов. Цветные металлы разделены на три основных группы с разной температурой плавления.

Легкие металлы

Широкая сфера применения, легкоплавкие. К этой группе относится Mg, Al, Ti. Обладают небольшой массой, устойчивые к коррозии. Mg чаще всего используется для производства автомобилей и фотоаппаратов. Высокая прочность и средняя масса титана обеспечивают отличные показатели, поэтому титан является настоящей основой для большинства космических ракет, используется в сплаве с другими компонентами.

Благородные металлы

Сложны в добыче, довольно редкие в природе. К ним относят Ag, Pt и Au. Эта группа содержит особое применение в ювелирном производстве в виде сплавов, из них создают потрясающие украшения, существуют разные вариации сплавов, изготавливаемых под разной температурой.

Тяжелые металлы

Эта категория знаменита из-за латуни, бронзы и меди. В случае с медью, этот металл прекрасно содержит и проводит электрический ток, по этой причине активно используется в электронике. Бронза не боится механических повреждений, устойчива к различным погодным условиям, поэтому из этого металла делают памятники. Основу многих металлических элементов, включая проволоки и подшипники, изготавливают из латуни.

Основные виды сплавов

На самом деле, существует много разнообразных сплавов, многие из которых не имеют смысла по разным причинам (стоимость, содержат малую эффективность), поэтому рассмотрим наиболее частые варианты.

Сталь

Широко распространена по всему миру, основа состоит из ферума и углерода. Существуют разновидности стали, они содержат феррум и другие различные элементы, включая углерод в процентном соотношении из-за характеристик.

Чугун

Это еще один сплав углерода и ферума. Многие предметы, включая уличный интерьер, состоит из чугуна. При наличии правильной схемы основы, чугун показывает прекрасные механические свойства.

Медь

Основой таких сплавов являются латуни, содержащие в себе от 3 до 50 процентов цинка включительно. Существуют разновидности, например, сплав с содержанием от 5 до 20 процентов цинка – красный, от 20 процентов и более, он становится желтым. Элемент податлив, легко обрабатывается. Также содержат различные сплавы меди и станнума, а также некоторых других элементов, создают собственный вид бронзы.

Легкие сплавы

Подойдут практически для любых условий эксплуатации, ведь сплавы такого типа превосходно выдерживают испытание высокими температурами и внешним воздействием с применением силы. В целом, легкие сплавы – это важная часть во многих сферах жизни вкупе с углеродом, без них производства различной техники, включая космических кораблей, было бы серьезно затруднено.

Свинцовые сплавы

Состоящие из 1 части свинца и 2 частей олова, такие сплавы относят к припоям или третникам. Сплав свинца и сурьмы используют для пластин аккумуляторов, оболочек телефонных кабелей. Ранее из пьютера делали столовые приборы. В этом сплаве содержалось до 85-90% олова, остаток – свинец. Помимо этого, свинец часто используют в сплавах для прочных и надежных подшипников разного типа.

Магниевые сплавы

Легкость и высокая удельная прочность обеспечивают значительную популярность магниевых сплавов. Такие сплавы легко обрабатываются резанием, имеют потрясающие литейные свойства. Именно сплавы из магния становятся основой для многих движущихся элементов автомобилей и прочих элементов, которые подвержены высокой вибрации во время работы.

Некоторые сплавы Mg активно применяются для болтов, заклепок, твердой пайки. Коррозийная устойчивость довольно низкая по отношению к пресной и соленой воде, кислотам, но в обычных условиях эксплуатации, на воздухе коррозийной устойчивости таких сплавов достаточно.

С целью дополнительной защиты, сплавы из магния подвергаются дихроматной обработке, анодированию или хромовому травлению. Из-за высокой активности магния, как металла, требуется предотвратить возможное возгорание стружки или любых других свариваемых деталей.

Алюминиевые сплавы

Самозакаливающаяся группа с повышенной прочностью, которая отлично справляется с внешним воздействием. В большинстве случаев, негативно реагируют на изменение t°. При повышении температуры, свойства Al заметно ухудшаются, особенно, когда температурная отметка превышает границу в 175 градусов. Однако взамен, сплавы Al, благодаря оксидной пленке, отлично защищены и могут применяться даже в агрессивных условиях среды.

Сплавы из алюминия проводят тепло и электричество на хорошем уровне, немагнитны, полностью безвредные даже в контакте с пищевыми продуктами из-за отсутствия вкуса, токсичности. Взрывобезопасность (по причине отсутствия искр), высокая отражательная способность и возможность поглощать ударные нагрузки, делают этот металл одним из самых эффективных и распространенных в пищевой, автомобильной, осветительной промышленности. Сплавы из алюминия используются повсеместно, включая автомобилестроение и самолеты, некоторые виды вагонов.

Титановые сплавы

Модуль упругости, предел прочности и плотность у изделий из титана гораздо выше, в сравнении с магниевыми или алюминиевыми сплавами. Низкое содержание N, O и C в сплаве титана, гарантирует высокую пластичность. Особенность выделяется низкий износ и истирание, высокая усталостная прочность, даже по сравнению с магниевыми сплавами.

Сплавы из титана устойчивы к растворам солей, действию гидроксидов, а также азотной и некоторых прочих кислот. Исключением являются серная, ортофосфорная и галогеноводородная кислоты.

Сплавы из титана поддаются электродуговой сварке, а также точечной или роликовой сварке. Плавка производится в довольно строгих условиях, конкретно в вакууме или в контролируемой среде, чтобы избежать загрязнения сплава примесями кислорода, азота. Они делают получившийся сплав гораздо более хрупким и менее прочным.

Основное применение сплавы из титана нашли в авиационной и космической промышленности, благодаря прочности, устойчивости к температурам и относительной легкости. Некоторые особо прочные сплавы из титана используются в качестве легкой брони для некоторых боевых самолетов, реактивных двигателей и даже для полноценных корпусов летательных аппаратов.

Бериллиевые(Be) сплавы

Получение пластичного бериллиевого сплава происходит при помощи особого процесса добавления серебра. Удельная прочность бериллиевых сплавов превосходит практически все известные металлы. Бериллий отлично подходит для электрических контактов и пружин по причине большого модуля упругости. Бериллий в чистом виде применяют в ядерных реакторах в качестве отражателя и замедлителя нейтронов. Сплавы бериллия, благодаря оксидной пленке, устойчивы к высоким температурам. Основным недостатков бериллия считается токсичность, которая вызывает дерматит, трудности дыхания с дальнейшими осложнениями и болезнями органов дыхания. 

Свойства сплавов

1. Физические свойства:

• Цвет.
• Температура кипения: Не менее важная характеристика, чем температура плавления.
• Магнитные свойства: Не только намагничивание, но и другие магнитные характеристики, такие как магнитная проницаемость, коэрцитивная сила.
• Плотность.

2. Химические свойства:

• Окисление.
• Восстановление.
• Пассивация: Образование защитной оксидной пленки на поверхности некоторых металлов, которая предотвращает дальнейшую коррозию.
• Каталитические свойства: Способность некоторых металлов ускорять химические реакции.

3. Механические свойства:

• Износостойкость: Часто относят к механическим свойствам, хотя она связана и с технологическими.
• Ползучесть: Деформация материала под постоянной нагрузкой при высокой температуре.
• Усталость: Разрушение материала при многократных циклических нагрузках.
• Твердость

4. Технологические свойства:

• Литейные свойства: Способность металла заполнять литейную форму и затвердевать без дефектов.
• Обрабатываемость резанием: Способность металла подвергаться обработке режущим инструментом.
• Деформируемость: Способность металла подвергаться пластической деформации без разрушения.
• Свариваемость: Способность металла образовывать прочное сварное соединение.

5. Технологические пробы:

• Испытания на растяжение, изгиб, удар: Для определения механических свойств.
• Металлографический анализ: Для изучения структуры металла.
• Испытания на коррозионную стойкость: В различных средах.
• Неразрушающий контроль: Для выявления дефектов без разрушения образца.

6. Получение металлов и сплавов:

• Добыча руды
• Обогащение руды
• Выплавка металла: Восстановление металла из оксидов.
• Рафинирование: Очистка металла от примесей.

• Сплавление: Процесс получения сплавов путем смешивания расплавленных металлов в определенных пропорциях.

Получение металлов и сплавов:

Процесс получения металлов и сплавов начинается с добычи руды, содержащей металл. Затем руда подвергается обогащению для повышения концентрации металла. Далее металл извлекается из руды с помощью различных методов, таких как пирометаллургия, гидрометаллургия и электрометаллургия. Полученный металл может быть подвергнут дальнейшей обработке для улучшения его свойств, такой как легирование, термическая обработка и механическая обработка.

Профили металлов и металлосырье

Металлопрокат — это продукция, получаемая путем прокатки, прессования или волочения металла. Наиболее распространенными формами металлопроката являются листы, трубы, проволока и стержни. Рассмотрим каждый из этих видов подробнее:

Листовой металл:

• Виды:
  • Толстолистовой: Толщина более 4 мм. Используется для изготовления деталей, требующих высокой прочности, таких как корпуса машин, резервуары, мосты.
  • Тонколистовой: Толщина от 0,2 до 4 мм. Используется для изготовления автомобильных кузовов, корпусов бытовой техники, металлической тары.
• Обработка краев: Края листового металла могут быть обработаны путем обрезки, зачистки, снятия фаски или гибки.

Трубы:

• Виды:
  • Бесшовные (цельнотянутые): Изготавливаются методом волочения или прокатки. Имеют высокую прочность и герметичность. Используются для транспортировки газа, пара, нефти, воды.
  • Сварные: Изготавливаются методом сварки продольного или спирального шва. Используются для водопроводных, канализационных, вентиляционных систем.
• Материалы: Трубы могут быть изготовлены из стали, чугуна, меди, алюминия, нержавеющей стали и других материалов.

Проволока:

• Сечение:
  • Круглое: Наиболее распространенный тип. Используется для изготовления канатов, сеток, пружин.
  • Прямоугольное: Используется для изготовления электродов, экранов.
  • Квадратное: Используется для изготовления арматуры, заклепок.
• Покрытие:
  • Луженная: Защищает от коррозии. Используется для электропроводки.
  • Омедненная: Улучшает электропроводность. Используется для изготовления электродов.
  • Неизолированная: Используется для изготовления канатов, сеток.
  • Оцинкованная: Защищает от коррозии. Используется для изготовления сеток, ограждений.
• Свойства: Проволока может быть упругой (пружинной) или мягкой (вязальной).

Стержни:

• Сечение:
  • Плоское: Используется для изготовления рельсов, швеллеров.
  • Квадратное: Используется для изготовления арматуры, заклепок.
  • Шестигранное: Используется для изготовления болтов, гаек.
  • Круглое: Используется для изготовления арматуры, шпилек.

Легкие сплавы:

• Процесс изготовления: Изготовление легких сплавов, таких как алюминиевые и магниевые, требует особого внимания к температурному режиму. Перегрев металла может привести к образованию дефектов, таких как поры, трещины, ухудшению механических свойств.
• Важность контроля температуры: Контроль температуры является ключевым фактором для получения качественной продукции. Необходимо использовать точные приборы для измерения температуры и строго соблюдать технологические режимы.

Коррозия металлов

Металлические материалы в виде металлов и сплавов на их основе, в процессе соприкосновения с жидкой или газообразной средой, подвергаются разрушению с разной скоростью. Причиной такому явлению является химическое взаимодействие, проявляемое в окислительно-восстановительной реакции, в которую металлические материалы вступают с веществами, находящимися в окружающей среде и окисляются.

Процесс самопроизвольного разрушения металлических веществ, которое происходит из-за химического воздействия окружающей среды на металлические вещества, называется коррозией. Результат этот процесса видел практически каждый в своей жизни на примере ржавчины, покрывающей металлические конструкции.