Сплавы металлов с химическим составом

Главное меню

Известно, что в чистом виде металлы используются редко. Чаще всего нас окружают различные соединения металлов и их сплавы. Сплавы – это вещества, состоящие из химических элементов, один из которых является металлом.

Получение сплавов

Очень давно было замечено, что если смешать расплавленные металлы и остудить полученную смесь, то получается вещество, свойства которого отличаются от свойств каждого из металлов. Так, если в расплавленную медь добавить алюминий, то в результате химической реакции получается новое соединение с формулой АlСи.

Сплавы получают различными способами. Если смешивают расплавленные компоненты, а затем производят кристаллизацию полученного расплава, то получают литой сплав. Кристаллизация – это процесс перехода из жидкого состояния в твердое. При этом образуется соединение с кристаллической структурой. А если смешивают порошки компонентов, а затем спекают смесь при высокой температуре, то получают сплав, который называется порошковым сплавом. Для улучшения свойств в сплавы вводятся элементы, которые называются легирующими.

Виды сплавов

В состав сплавов могут входить только металлы или соединения металлов с неметаллами. Свое название сплав обычно получает от названия элемента, который содержится в сплаве в самом большом количестве и составляет основу сплава. Так, если основой сплава является железо, то сплавы называются чёрными. А если основа сплавов — цветные металлы, то и сплавы называются цветными. Бывают ещё сплавы редких металлов и сплавы радиоактивных металлов.

Черные сплавы

В сплавах могут быть два и более компонентов.

Наиболее известные чёрные сплавы – сталь и чугун. Оба эти сплава являются смесью железа и углерода. Но чугун содержит углерода намного больше, чем сталь. Кроме углерода, в чугун входят сера, фосфор, марганец и кремний. В сталь также добавляются эти элементы, но в гораздо меньших количествах. Чугун – хрупкий материал. Его применяют там, где не требуется ковка. А вот сталь не только прочный, но и пластичный материал. Поэтому она широко применяется в промышленности в металлических конструкциях, механизмах, деталях, для изготовления режущих инструментов и т. д. В нашем доме нас окружают изделия из нержавеющей стали: ножи, вилки, ложки, ножницы, тёрки, кастрюли.

Цветные сплавы

Самые известные сплавы меди – бронза и латунь.

Сплав меди с оловом называют бронзой. В III тысячелетии до н.э из меди изготавливались орудия труда, так как залежи меди в то время были огромны. Выяснилось, что если медь соединить с оловом, то получается вещество, более поддающееся литью. Так впервые была получена бронза. Следующее тысячелетие назвали «бронзовым веком». В XV в. из бронзы начали отливать пушки. В наше время бронза применяется в машиностроение для изготовления различных деталей.

Латунь – сплав меди с цинком. Используется в производстве техники, автомобилестроении, в химической промышленности. Интересно, что латунь внешне схожа с золотом. Поэтому до XIX века ее часто выдавали за золото.

Соединение меди с алюминием называют алюминиевой бронзой. Алюминиевая бронза — очень пластичный материал.

Мельхиор — сплав меди и никеля. Используется для изготовления столовых приборов и художественных изделий.

Известный алюминиевый сплав дюралюминий – соединение алюминия с медью, магнием и марганцем. Применяется в авиационной промышленности и авиастроении.

Магниевые, титановые, берилиевые сплавы также находят свое применение в промышленности и медицине.

Металлы и сплавы играют очень важную роль в различных видах жизнедеятельности человека. Невозможно перечислить все сферы, в которых металлы и их сплавы находят применение.

Металлы используются человеком уже много тысячелетий. По именам металлов названы определяющие эпохи развития человечества: Бронзовый Век, Железный Век, Век Чугуна и т.д. Ни одно металлическое изделие из числа окружающих нас не состоит на 100% из железа, меди, золота или другого металла. В любом присутствуют сознательно введенные человеком добавки и попавшие помимо воли человека вредные примеси.

Абсолютно чистый металл можно получить только в космической лаборатории. Все остальные металлы в реальной жизни представляют собой сплавы — твердые соединения двух или более металлов (и неметаллов), полученные целенаправленно в процессе металлургического производства.

Классификация

Металлурги классифицируют сплавы металлов по нескольким критериям:

1. метод изготовления:
2. литые;
3. порошковые;
4. технология производства:
5. литейные;
6. деформируемые;
7. порошковые;
8. однородность структуры:
9. гомогенные;
10. гетерогенные;

Виды сплавов по их основе

Металлы и сплавы на их основе имеют различные физико-химические характеристики.

Металл, имеющий наибольшую массовую долю, называют основой.

Свойства сплавов

Свойства, которыми обладают металлические сплавы, подразделяются на:

1. Структурно — нечувствительные. Они обуславливаются свойствами компонентов, и их процентным содержанием. К ним относятся :
2. плотность;
3. температура плавления;
4. тепловые и упругие характеристики;
5. коэффициент термического расширения;
6. структурно — чувствительные. Определяются свойствами элемента — основы.
7. https://youtu.be/qgzo40bfL1o
8. Все сплавные материалы в той или иной мере проявляют характерные металлические свойства:
9. блеск;
10. пластичность;
11. теплопроводность;
12. электропроводность.
13. Кроме того, свойства подразделяют на:
14. Химические, определяемые взаимоотношениями материала с химически активными веществами.
15. Механические, определяемые взаимодействием с другими физическими телами.

Для количественного выражения этих свойств вводят специальные физические величины и константы, такие, как предел упругости, модуль Гука, коэффициент вязкости и другие.

Основные виды сплавов

Самые многочисленные виды сплавов металлов изготавливаются на основе железа. Это стали, чугуны и ферриты.

Сталь — это вещество на основе железа, содержащее не более 2,4% углерода, применяется для изготовления деталей и корпусов промышленных установок и бытовой техники, водного, наземного и воздушного транспорта, инструментов и приспособлений. Стали отличаются широчайшим диапазоном свойств. Общие из них — прочность и упругость. Индивидуальные характеристики отдельных марок стали определяются составом легирующих присадок, вводимых при выплавке. В качестве присадок используется половина таблицы Менделеева, как металлы , так и неметаллы. Самые распространенные из них — хром, ванадий, никель, бор, марганец, фосфор.

Если содержание углерода более 2,4% , такое вещество называют чугуном. Чугуны более хрупкие, чем сталь. Они применяются там, где нужно выдерживать большие статические нагрузки при малых динамических. Чугуны используются при производстве станин больших станков и технологического оборудования, оснований для рабочих столов, при отливке оград, решеток и предметов декора. В XIX и в начале XX века чугун широко применялся в строительных конструкциях. До наших дней в Англии сохранились мосты из чугуна.

Вещества с большим содержанием углерода, имеющие выраженные магнитные свойства, называют ферритами. Они используются при производстве трансформаторов и катушек индуктивности.

Сплавы металлов на основе меди, содержащие от 5 до 45% цинка, принято называть латунями. Латунь мало подвержена коррозии и широко применяется как конструкционный материал в машиностроении.

Если вместо цинка к меди добавить олово, то получится бронза. Это, пожалуй, первый сплав, сознательно полученный нашими предками несколько тысячелетий назад. Бронза намного прочнее и олова, и меди и уступает по прочности только хорошо выкованной стали.

Вещества на основе свинца широко применяются для пайки проводов и труб, а также в электрохимических изделиях, прежде всего, батарейках и аккумуляторах.

Двухкомпонентные материалы на основе алюминия, в состав которых вводят кремний, магний или медь, отличаются малым удельным весом и высокой обрабатываемостью. Они используются в двигателестроении, аэрокосмической промышленности и производстве электрокомпонентов и бытовой техники.

Цинковые сплавы

Сплавы на основе цинка отличаются низкими температурами плавления, стойкостью к коррозии и отличной обрабатываемостью. Они применяются в машиностроении, производстве вычислительной и бытовой техники, в издательском деле. Хорошие антифрикционные свойства позволяют использовать цинковые сплавы для вкладышей подшипников.

Титан не самый доступный металл, он сложен в производстве и тяжело обрабатывается. Эти недостатки искупаются его уникальными свойствами титановых сплавов: высокой прочностью, малым удельным весом, стойкостью к высоким температурам и агрессивным средам. Эти материалы плохо поддаются механической обработке, но зато их свойства можно улучшить с помощью термической обработки.

Легирование алюминием и небольшими количествами других металлов позволяет повысить прочность и жаростойкость. Для улучшения износостойкости в материал добавляют азот или цементируют его.

Область применения титановых сплавов

Металлические сплавы на основе титана используются в следующих областях:

Алюминиевые сплавы

Если первая половина XX века была веком стали, то вторая по праву назвалась веком алюминия.

Трудно назвать отрасль человеческой жизнедеятельности, в которой бы не встречались изделия или детали из этого легкого металла.

Алюминиевые сплавы подразделяют на:

2. Литейные (с кремнием). Применяются для получения обычных отливок.
3. Для литья под давлением (с марганцем).
4. Увеличенной прочности, обладающие способностью к самозакаливанию (с медью).

Основные преимущества соединений алюминия:

2. Доступность.
3. Малый удельный вес.
4. Долговечность.
5. Устойчивость к холоду.
6. Хорошая обрабатываемость.
7. Электропроводность.

Основным недостатком сплавных материалов является низкая термостойкость. При достижении 175°С происходит резкое ухудшение механических свойств.

Еще одна сфера применения — производство вооружений. Вещества на основе алюминия не искрят при сильном трении и соударениях. Их применяют для выпуска облегченной брони для колесной и летающей военной техники.

Весьма широко применяются алюминиевые сплавные материалы в электротехнике и электронике. Высокая проводимость и очень низкие показатели намагничиваемости делают их идеальными для производства корпусов различных радиотехнических устройств и средств связи, компьютеров и смартфонов.

Слитки из алюминиевых сплавов

Присутствие даже небольшой доли железа существенно повышает прочность материала, но также снижает его коррозионную устойчивость и пластичность. Компромисс по содержанию железа находят в зависимости от требований к материалу. Отрицательное влияние железа скомпенсируют добавлением в состав лигатуры таких металлов, как кобальт, марганец или хром.

Конкурентом алюминиевым сплавам выступают материалы на основе магния, но ввиду более высокой цены их применяют лишь в наиболее ответственных изделиях.

Медные сплавы

Обычно под медными сплавами понимают различные марки латуни. При содержании цинка в 5-45% латунь считается красной (томпак), а при содержании в 20-35%- желтой.

Благодаря отличной обрабатываемости резанием, литьем и штамповкой латунь — идеальный материал для изготовления мелких деталей, требующих высокой точности. Шестеренки многих знаменитых швейцарских хронометров сделаны из латуни.

Малоизвестный сплав меди и кремния называют кремнистой бронзой. Он отличается высокой прочностью. По некоторым источникам, из кремнистой бронзы ковали свои мечи легендарные спартанцы. Если вместо кремния добавить фосфор, то получится отличный материал для производства мембран и листовых пружин.

Это устойчивые к износу и обладающие высокой твердостью материалы на основе железа, к тому же сохраняющие свои свойства при высоких температурах до 1100 о С.

В качестве основной присадки применяются карбиды хрома, титана, вольфрама, вспомогательными являются никель, кобальт, рубидий, рутений или молибден.

Основными сферами применения являются:

2. Режущий инструмент (фрезы, сверла, метчики, плашки, резцы и т.п.).
3. Измерительный инструмент и оборудование (линейки, угольники, штангенциркули рабочие поверхности особой ровности и стабильности).
4. Штампы, матрицы и пуансоны.
5. Валки прокатных станов и бумагоделательных машин.
6. Горное оборудование (дробилки, шарошки, ковши экскаваторов).
7. Детали и узлы атомных и химических реакторов.
8. Высоконагруженные детали транспортных средств, промышленного оборудования и уникальных строительных конструкций, таки, например, как башня Бурж — Дубай.

Области применения твердых сплавов

Существуют и другие области применения твердосплавных веществ.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

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.