Металлическим сплавом называется вещество, полученное сплавлением двух или более исходных веществ, преимущественно металлических. Помимо сплавления сплавы получают спеканием, электролизом и другими способами.

Вещества, из которых образован сплав, называются компонентами сплава. В качестве компонентов сплавов могут быть как чистые элементы, так и устойчивые химические соединения. При кристаллизации сплавов могут образоваться следующие основные твердые фазы: твердые растворы; химические соединения; механические смеси из сплавляемых компонентов.

Твердые растворы

Твердые растворы являются наиболее распространенной фазой в металлических сплавах. Являются кристаллическими веществами.

Химический или спектральный анализ показывает в твердых растворах наличие двух элементов или более, тогда как по данным металлографического анализа такой сплав, как и чистый металл, имеет однородные зерна (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Микроструктура твердого раствора

Рентгеновский анализ обнаруживает в твердом растворе, как и у чистого металла, только один тип решетки.

Следовательно, твердый раствор является однофазным, состоит из одного вида кристаллов, имеет одну кристаллическую решетку; существует в интервале концентраций компонентов.

Строение твердых растворов на основе одного из компонентов сплава таково, что в решетку основного металла-растворителя входят атомы растворенного вещества. При образовании твердого раствора сохраняется решетка одного из элементов, и этот элемент называется растворителем . Атомы растворенного вещества искажают и изменяют средние размеры элементарной ячейки растворителя. При образовании растворов внедрения и замещения атомы растворенного компонента распределяются в решетке растворителя беспорядочно.

Изменение параметров решетки при образовании твердых растворов – важный момент, определяющий свойства вещества. В общем независимо от вида металла относительное упрочнение при образовании твердого раствора пропорционально относительному изменению параметров решетки, причем уменьшение параметра решетки ведет к большему упрочнению, чем ее расширение.

Твердые растворы замещения могут быть ограниченные и неограниченные . Для образования неограниченных твердых растворов в соответствии с исследованиями Юм-Розери необходимы:

1) изоморфность (однотипность) кристаллических решеток сплавляемых компонентов;

2) близость атомных радиусов компонентов, которые не должны отличаться больше чем на 8…13 %;

3) близость физико-химических свойств компонентов.

Однако соблюдение этих условий не всегда является достаточным, чтобы сплавляемые компоненты образовали неограниченные твердые растворы. В реальных сплавах чаще наблюдаются твердые растворы с ограниченной растворимостью.

Химические соединения

Характерными особенностями химических соединений являются:

1) постоянство состава , которое может быть выражено формулой химического соединения;

2) наличие нового типа кристаллической решетки , отличного от типа решеток сплавляемых компонентов;

3) ярко выраженные индивидуальные свойства ;

4) постоянство температуры кристаллизации , как у чистых компонентов.

Химические соединения металлов делятся на две группы . Одна группа – это соединения с нормальной валентностью, т.е. соединения металлов с типичными неметаллами (О, S, Cl и т.д.). Такими соединениями являются оксиды, сульфиды, хлориды. В сплавах эти соединения присутствуют в виде так называемых неметаллических включений.

Другая группа – металлические соединения . Из этой группы наиболее важными являются фазы внедрения и электронные соединения. Металлические соединения отличаются разнообразием типов межатомных связей (металлической, ковалентной, ионной) с преобладанием металлической связи. Благодаря этому металлические соединения характеризуются металлическим блеском, электропроводностью и в отдельных случаях сверхпроводимостью.

Металлическими соединениями являются также соединения переходных металлов с углеродом (карбиды), азотом (нитриды), водородом (гидриды), бором (бориды). Эти соединения могут иметь как очень сложную, так и простую решетку типа ГЦК, ГПУ, реже ОЦК. Химические соединения обозначаются формулой соединения, например: A m B n .

Механические смеси

При сплавлении компонентов с большим различием атомных радиусов и значительным различием электрохимических свойств их взаимная растворимость очень мала, и образуется механическая смесь из кристаллов исходных компонентов (например, сплавы: Рb – Sb, Zn – Sn, Pb – Bi и др.). Между тем, следует помнить, что абсолютное отсутствие взаимной растворимости в реальных сплавах не встречается. Компоненты в сплаве обозначают символами их элементов.

Если компоненты механической смеси А и В достаточно крупного размера, то они отчетливо выявляются на микроструктуре (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Микроструктура механической смеси (схема)

Рентгенограмма сплава покажет наличие двух решеток компонентов А и В . Если бы исследовать в таком сплаве отдельно свойства кристаллов А и кристаллов В , то они были бы тождественны свойствам чистых металлов А и В . Механические свойства полученного вещества зависят от количественного соотношения компонентов, а также от размера и формы зерен.

Как ни странно, но единой классификации металлов не существует и тому есть ряд причин. Один из привычных видов классификации, заключается в разделении материалов следующим образом:

• Черные металлы;
• Стали;
• Чугуны;
• Цветные металлы и сплавы;
• Благородные металлы;
• Редкие цветные металлы;
• Легкие цветные металлы;
• Тяжелые цветные металлы.

На этом сайте использована данная техника классификации металлов и их сплавов с целью упростить для пользователей поиск нужной информации в нашем ресурсе.

Существует также классификация металлов следующего содержания:

• по основному компоненту (железные, алюминиевые, медные, магниевые, титановые и другие);
• по числу содержащихся компонентов (двух, трех и многокомпонентные. по технологии изготовления);
• по плотности (легкие, тяжелые, высокоплотные);
• по температуре плавления (легкоплавкие, тугоплавкие).

Еще один вариант классификации металлов – легкие металлы, тяжелые цветные металлы, благородные металлы, тугоплавкие, рассеянные, радиоактивные и редкоземельные.

Использование металлов

Использование металлов в современном мире является одним из условий к нормальной жизни. Практически в любой сфере деятельности человека активно используются данные материалы. Среди наиболее востребованных — железо и медь, и соответственно их сплавы. Издавна они были первыми в производстве и сегодня около 98%всех металлических сооружений выполнено из этих металлов. Имеет огромное значение алюминий, магний, берилий. В XX веке они с особым размахом стали использоваться во многих областях техники, электротехники, конструкционных металлах. Основными металлами являются также никель, кобальт, марганец. Они открыты менее чем 200 лет назад, но как легирующие элементы они замечательны, так как придают особые свойства прочности, износостойкости, жаропрочности. Из тугоплавких — это 11 металлов: платина, вольфрам, хром и др. Легкие металлы – 16 металлов, натрий, литий, цезий и др. Благородные металлы или, как они сейчас называются, «драгоценные металлы» — золото, серебро, платина и группа платиновых, всего восемь. В редкоземельные входят 17 металлов.

Металлы, краткое описание

Металлы, краткое описание которых содержит главным образом основные, так называемые «металлические свойства», на самом деле не всегда могут определяться по наличию их всех. Каждый из элементов имеет различные показатели электропроводности, пластичности и магнетизма. Общее количество элементов, которых относят к металлам, насчитывается 94 типа. Представляют собой простые химические вещества. Добываются главным образом из руд или в чистом виде (с некоторыми примесями), отдельные типы, как например изотоп осмий-187, возможно получить только в лабораториях.

Несколько научных дисциплин (материало- и металловедение, физика, химия) занимаются изучением свойств и характеристик металлов. Существует их общепринятая классификация. Однако каждая из дисциплин при их изучении опирается на особые специализированные параметры, находящиеся в сфере ее интересов. С другой стороны, все науки, изучающие металлы и сплавы, придерживаются одной точки зрения, что существует две основные группы: черные и цветные.

Признаки металлов

Различают следующие основные механические свойства:

• Твердость - определяет возможность одного материала противодействовать проникновению другого, более твердого.
• Усталость - количество, а также время циклических воздействий, которое может выдержать материал без изменения целостности.
• Прочность. Заключается в следующем: если приложить динамическую, статическую или знакопеременную нагрузку, то это не приведет к изменению формы, строения и размеров, нарушению внутренней и наружной целостности металла.
• Пластичность - это способность удерживать целостность и полученную форму при деформации.
• Упругость - это деформация без нарушения целостности под воздействием определенных сил, а также после избавления от нагрузки возможность к возращению первоначальной формы.
• Стойкость к трещинам - под влиянием внешних сил в материале они не образуются, а также сохраняется наружная целостность.
• Износостойкость - способность сохранять наружную и внутреннюю целостность при продолжительном трении.
• Вязкость - сохранение целостности при увеличивающихся физических воздействиях.
• Жаростойкость - противостояние изменению размера, формы и разрушению при воздействии высоких температур.

Классификация металлов

К металлам относятся материалы, обладающие совокупностью механических, технологических, эксплуатационных, физических и химических характерных свойств:

• механические подтверждают способность к сопротивлению деформации и разрушению;
• технологические свидетельствуют о способности к разному виду обработки;
• эксплуатационные отражают характер изменения при эксплуатации;
• химические показывают взаимодействие с различными веществами;
• физические указывают на то, как ведет себя материал в разных полях - тепловом, электромагнитном, гравитационном.

По системе классификации металлов все существующие материалы подразделяются на две объемные группы: черные и цветные. Технологические и механические свойства также тесно связаны. К примеру, прочность металла может являться результатом правильной технологической обработки. Для этих целей используют так называемую закалку и «старение».

Химические, физические и механические свойства тесно взаимосвязаны между собой, так как состав материала устанавливает все остальные его параметры. Например, тугоплавкие металлы являются самыми прочными. Свойства, которые проявляются в состоянии покоя, называются физическими, а под воздействием извне - механическими. Также существуют таблицы классификации металлов по плотности - основному компоненту, технологии изготовления, температуре плавления и другие.

Черные металлы

Материалы, относящиеся к этой группе, обладают одинаковыми свойствами: внушительной плотностью, большой температурой плавления и темно-серой окраской. К первой большой группе черных металлов принадлежат следующие:

Цветные металлы

Вторая по величине группа имеет небольшую плотность, хорошую пластичность, невысокую температуру плавления, преобладающие цвета (белый, желтый, красный) и состоит из следующих металлов:

• Легкие - магний, стронций, цезий, кальций. В природе встречаются только в прочных соединениях. Применяются для получения легких сплавов разного назначения.
• Благородные. Примеры металлов: платина, золото, серебро. Они обладают повышенной устойчивостью к коррозии.
• Легкоплавкие - кадмий, ртуть, олово, цинк. Имеют невысокую температуру плавления, участвуют в производстве разных сплавов.

Низкая прочность цветных металлов не позволяет их использовать в чистом виде, поэтому в промышленности их применяют в виде сплавов.

Медь и сплавы с медью

В чистом виде имеет розовато-красный цвет, маленькое удельное сопротивление, небольшую плотность, хорошую теплопроводность, отличную пластичность, обладает стойкостью к коррозии. Находит широкое применение как проводник электрического тока. Для технических нужд используют два вида сплавов из меди: латуни (медь с цинком) и бронзы (медь с алюминием, оловом, никелем и другими металлами). Латунь используется для изготовления листов, лент, труб, проволоки, арматуры, втулок, подшипников. Из бронзы изготавливают плоские и круглые пружины, мембраны, разную арматуру, червячные пары.

Алюминий и сплавы

Этот очень легкий металл, имеющий серебристо-белый цвет, обладает высокой коррозийной стойкостью. У него хорошая электропроводность и пластичность. Благодаря своим характеристикам нашел применение в пищевой, легкой и электропромышленности, а также в самолетостроении. Сплавы из алюминия очень часто используются в машиностроении для изготовления особо ответственных деталей.

Магний, титан и их сплавы

Магний неустойчив к коррозии, зато не существует легче металла, используемого для технических нужд. В основном его добавляют в сплавы с другими материалами: цинком, марганцем, алюминием, которые прекрасно режутся и являются достаточно прочными. Из сплавов с легким металлом магнием изготавливают корпусы фотоаппаратов, различных приборов и двигателей. Титан нашел свое применение в ракетной отрасли, а также машиностроении для химической промышленности. Титаносодержащие сплавы имеют небольшую плотность, прекрасные механические свойства и стойкость к коррозии. Они хорошо поддаются обработке давлением.

Антифрикционные сплавы

Такие сплавы определены для увеличения срока службы поверхностей, испытывающих трение. Они сочетают в себе следующие характеристики металла - хорошую теплопроводность, маленькую температуру плавления, микропористость, слабый коэффициент трения. К антифрикционным относят сплавы, основой которых является свинец, алюминий, медь или олово. К самым применяемым относятся:

• баббит. Его изготовляют на основе свинца и олова. Используют в производстве вкладышей для подшипников, которые работают на больших скоростях и при ударных нагрузках;
• алюминиевые сплавы;
• бронза;
• металлокерамические материалы;
• чугун.

Мягкие металлы

По системе классификации металлов это золото, медь, серебро, алюминий, но среди самых мягких выделяют цезий, натрий, калий, рубидий и другие. Золото сильно распылено в природе. Оно есть в морской воде, организме человека, а также его можно встретить практически в любом осколке гранита. В чистом виде золото имеет желтый с оттенком красного цвет, так как металл мягкий - его можно поцарапать даже ногтем. Под влиянием окружающей среды золото достаточно быстро разрушается. Этот металл является незаменимым для электрических контактов. Несмотря на то что серебра в двадцать раз больше, чем золота, он также является редким.

Используется для производства посуды, ювелирных украшений. Легкий металл натрий также получил широкое распространение, востребован практически в каждой отрасли промышленности, в том числе химической - для производства удобрений и антисептиков.

Металлом является ртуть, хоть и находится в жидком состоянии, поэтому считается одним из самых мягких в мире. Этот материал используется в оборонной и химической промышленности, сельском хозяйстве, электротехнике.

Твердые металлы

В природе практически нет самых твердых металлов, поэтому добыть их очень сложно. В большинстве случаев их находят в упавших метеоритах. Хром принадлежит к тугоплавким металлам и является самым твердым из чистейших на нашей планете, к тому же он легко поддается механической обработке.

Вольфрам - это химический элемент. Считается самым твердым при сравнении с другими металлами. Имеет чрезвычайно высокую температуру плавления. Несмотря на твердость, из него можно выковывать любые нужные детали. Благодаря теплоустойчивости и гибкости это наиболее подходящий материал для выплавки небольших элементов, используемых в осветительных приборах. Тугоплавкий металл вольфрам - основное вещество тяжелых сплавов.

Металлы в энергетике

Металлы, в состав которых входят свободные электроны и положительные ионы, считаются хорошими проводниками. Это довольно востребованный материал, характеризующийся пластичностью, высокой электропроводностью и способностью легко отдавать электроны.

Из них делают силовые, радиочастотные и специальные провода, детали для электрических установок, машин, для бытовых электроприборов. Лидерами применения металлов для изготовления кабельной продукции считаются:

• свинец - за большую устойчивость к коррозии;
• медь - за высокую электропроводность, легкость в обработке, стойкость к коррозии и достаточную механическую прочность;
• алюминий - за небольшой вес, устойчивость к вибрациям, прочность и температуру плавления.

Категории черных вторичных металлов

К отходам черных металлов предъявляют определенные требования. Для отправки сплавов в сталеплавильные печи потребуются определенные операции по их обработке. Перед подачей заявки на перевозку отходов необходимо ознакомиться с ГОСТом черных металлов для определения его стоимости. Черный вторичный лом классифицируют на стальной и чугунный. Если в составе присутствуют легирующие добавки, то его относят к категории «Б». В категорию «А» включены углеродистые: сталь, чугун, присад.

Металлурги и литейщики из-за ограниченности первичной сырьевой базы проявляют активный интерес к вторичному сырью. Использование лома черных металлов вместо металлической руды - это ресурсное, а также энергосберегающее решение. Вторичный черный металл используют как охладитель конвертерной плавки.

Диапазон применения металлов невероятно широк. Черные и цветные неограниченно используются в строительной и машинной индустрии. Не обойтись без цветных металлов и в энергетической промышленности. Редкие и драгоценные идут на изготовление украшений. В искусстве и медицине находят применение как цветные, так и черные металлы. Невозможно представить жизнь человека без них, начиная от хозяйственных принадлежностей и до уникальных приборов и аппаратов.

Материаловедение: конспект лекций Алексеев Виктор Сергеевич

4. Классификация сплавов. Железо и его сплавы

Сталь и чугун – основные материалы в машиностроении. Они составляют 95 % всех используемых в технике сплавов.

Сталь – это сплав железа с углеродом и другими элементами, содержащий до 2,14 % углерода. Углерод – важнейшая примесь стали. От его содержания зависят прочность, твердость и пластичность стали. Кроме железа и углерода, в состав стали входят кремний, марганец, сера и фосфор. Эти примеси попадают в сталь в процессе выплавки и являются ее неизбежными спутниками.

Чугун – сплав на железной основе. Отличие чугуна от стали заключается в более высоком содержании в нем углерода – более 2,14 %. Наибольшее распространение получили чугуны, содержащие 3–3,5 % углерода. В состав чугунов входят те же примеси, что и в стали, т. е. кремний, марганец, сера и фосфор. Чугуны, у которых весь углерод находится в химическом соединении с железом, называют белыми (по виду излома), а чугуны, весь углерод которых или большая его часть представляет графит, получили название серых. В белых чугунах всегда имеется еще одна структурная составляющая – ледебурит. Это эвтектика, т. е. равномерная механическая смесь зерен аустенита и цементита, получающаяся в процессе кристаллизации, в ней 4,3 % углерода. Ледебурит образуется при температуре +1147 °C.

Феррит – твердый раствор небольшого количества углерода (до 0,04 %) и других примесей в? – железе. Практически это чистое железо. Цементит – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа.

Перлит – равномерная механическая смесь в сплаве феррита и цементита. Такое название эта смесь получила потому, что шлиф при ее травлении имеет перламутровый оттенок. Так как перлит образуется в результате процессов вторичной кристаллизации, его называют эвтектоидом. Он образуется при температуре +727 °C. В нем содержится 0,8 % углерода.

Перлит имеет две разновидности. Если цементит в нем расположен в виде пластинок, его называют пластинчатым, если же цементит расположен в виде зерен, перлит называют зернистым. Под микроскопом пластинки цементита кажутся блестящими, потому что обладают большой твердостью, хорошо полируются и при травлении кислотами разъедаются меньше, чем пластинки мягкого феррита.

Если железоуглеродистые сплавы нагреть до определенных температур, произойдет аллотропическое превращение? -железа в? -железо и образуется структурная составляющая, которая называется аустенитом.

Аустенит представляет собой твердый раствор углерода (до 2,14 %) и других примесей в? -железе. Способность углерода

растворяться в железе неодинакова при различных температурах. При температуре +727 °C ? -железо может растворять не более 0,8 % углерода. При этой же температуре происходит распад аустенита с образованием перлита. Аустенит – мягкая структурная составляющая. Он отличается большой пластичностью, не обладает магнитными свойствами.

При изучении структурных составляющих железоуглеродистых сплавов установлено, что они при комнатной температуре всегда состоят из двух структурных элементов: мягкого пластичного феррита и твердого цементита, упрочняющего сплав.