Температура плавления и основные свойства железа, классификация металлов

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:

1. Железные – кобальт, марганец, никель, железо. Применяются в качестве основы или добавок к сплавам.
2. Тугоплавкие – хром, вольфрам, молибден, титан. Все они имеют температуру плавления, превышающую уровень, при котором плавится железо. Используются как основа или добавка для получения легированных сталей.
3. Урановые – актиноиды и металлы, полученные в результате синтеза. Большое применение находят в атомной энергетике.
4. Редкоземельные – неодим, церий, лантан. Все металлы обладают родственными химическими свойствами, но совершенно разными физическими параметрами. Находят свое применение как присадки к сплавам.
5. Щелочноземельные – кальций, натрий, литий. В свободном виде практического применения не имеют.

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.

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.

Источник: https://www.syl.ru/article/356127/klassifikatsiya-metallov-harakteristika-metallov-i-oblasti-primeneniya

Железо

Чистое железо (99,97%), очищенное методом электролиза

Железо — ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе.

В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum).

Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).

СТРУКТУРА

Две модификации кристаллической решетки железа

Для железа установлено несколько полиморфных модификаций, из которых высокотемпературная модификация — γ-Fe(выше 906°) образует решетку гранецентрированного куба типа Сu (а0 = 3,63), а низкотемпературная — α-Fe-решетку центрированного куба типа α-Fe (a0 = 2,86).
В зависимости от температуры нагрева железо может находиться в трех модификациях, характеризующихся различным строением кристаллической решетки:

1. В интервале температур от самых низких до 910°С —а-феррит (альфа-феррит), имеющий строение кристаллической решетки в виде центрированного куба;
2. В интервале температур от 910 до 1390°С — аустенит, кристаллическая решетка которого имеет строение гранецентрированного куба;
3. В интервале температур от 1390 до 1535°С (температура плавления) — д-феррит (дельта-феррит). Кристаллическая решетка д-феррита такая же, как и а-феррита. Различие между ними только в иных (для д-феррита больших) расстояниях между атомами.

При охлаждении жидкого железа первичные кристаллы (центры кристаллизации) возникают одновременно во многих точках охлаждаемого объема. При последующем охлаждении вокруг каждого центра надстраиваются новые кристаллические ячейки, пока не будет исчерпан весь запас жидкого металла.

В результате получается зернистое строение металла. Каждое зерно имеет кристаллическую решетку с определенным направлением его осей.

При последующем охлаждении твердого железа при переходах д-феррита в аустенит и аустенита в а-феррит могут возникать новые центры кристаллизации с соответствующим изменением величины зерна

СВОЙСТВА

Железная руда

В чистом виде при нормальных условиях это твердое вещество. Оно обладает серебристо-серым цветом и ярко выраженным металлическим блеском. Механические свойства железа включают в себя уровень твердости по шкале Мооса. Она равна четырем (средняя). Железо обладает хорошей электропроводностью и теплопроводностью.

Последнюю особенность можно ощутить, дотронувшись до железного предмета в холодном помещении. Так как этот материал быстро проводит тепло, он за короткий промежуток времени забирает большую его часть из вашей кожи, и поэтому вы ощущаете холод.
Дотронувшись, к примеру, до дерева, можно отметить, что его теплопроводность намного ниже.

Физические свойства железа — это и его температуры плавления и кипения. Первая составляет 1539 градусов по шкале Цельсия, вторая — 2860 градусов по Цельсию. Можно сделать вывод, что характерные свойства железа — хорошая пластичность и легкоплавкость. Но и это еще далеко не все. Также в физические свойства железа входит и его ферромагнитность.

Что это такое? Железо, магнитные свойства которого мы можем наблюдать на практических примерах каждый день, — единственный металл, обладающий такой уникальной отличительной чертой. Это объясняется тем, что данный материал способен намагничиваться под действием магнитного поля.

А по прекращении действия последнего железо, магнитные свойства которого только что сформировались, еще надолго само остается магнитом. Такой феномен можно объяснить тем, что в структуре данного металла присутствует множество свободных электронов, которые способны передвигаться.

Запасы и добыча

Железо — один из самых распространённых элементов в Солнечной системе, особенно на планетах земной группы, в частности, на Земле. Значительная часть железа планет земной группы находится в ядрах планет, где его содержание, по оценкам, около 90 %. Содержание железа в земной коре составляет 5 %, а в мантии около 12 %.

Железо

В земной коре железо распространено достаточно широко — на его долю приходится около 4,1 % массы земной коры (4-е место среди всех элементов, 2-е среди металлов). В мантии и земной коре железо сосредоточено главным образом в силикатах, при этом его содержание значительно в основных и ультраосновных породах, и мало — в кислых и средних породах.

Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красный железняк (гематит, Fe2O3; содержит до 70 % Fe), магнитный железняк (магнетит, FeFe2O4, Fe3O4; содержит 72,4 % Fe), бурый железняк или лимонит (гётит и гидрогётит, соответственно FeOOH и FeOOH·nH2O).

Гётит и гидрогётит чаще всего встречаются в корах выветривания, образуя так называемые «железные шляпы», мощность которых достигает несколько сотен метров. Также они могут иметь осадочное происхождение, выпадая из коллоидных растворов в озёрах или прибрежных зонах морей. При этом образуются оолитовые, или бобовые, железные руды.

В них часто встречается вивианит Fe3(PO4)2·8H2O, образующий чёрные удлинённые кристаллы и радиально-лучистые агрегаты.
Содержание железа в морской воде — 1·10−5-1·10−8 %
В промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe2O3) и магнетита (FeO·Fe2O3).
Существуют различные способы извлечения железа из руд.

Наиболее распространённым является доменный процесс.
Первый этап производства — восстановление железа углеродом в доменной печи при температуре 2000 °C. В доменной печи углерод в виде кокса, железная руда в виде агломерата или окатышей и флюс (например, известняк) подаются сверху, а снизу их встречает поток нагнетаемого горячего воздуха.

Кроме доменного процесса, распространён процесс прямого получения железа. В этом случае предварительно измельчённую руду смешивают с особой глиной, формируя окатыши. Окатыши обжигают, и обрабатывают в шахтной печи горячими продуктами конверсии метана, которые содержат водород.

Водород легко восстанавливает железо, при этом не происходит загрязнения железа такими примесями, как сера и фосфор, которые являются обычными примесями в каменном угле. Железо получается в твёрдом виде, и в дальнейшем переплавляется в электрических печах. Химически чистое железо получается электролизом растворов его солей.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Самородное железо

Происхождение теллурическое (земное) железо редко встречается в базальтовыхлавах (Уифак, о. Диско, у западного берега Гренландии, вблизи г. Касселя Германия).

В обоих пунктах с ним ассоциируют пирротин (Fe1-xS) и когенит (Fe3C), что объясняют как восстановление углеродом (в том числе и из вмещающих пород), так и распадом карбонильных комплексов типа Fe(CO)n.

В микроскопических зернах оно не раз устанавливалось в измененных (серпентинизированных) ультраосновных породах также в парагенезисе с пирротином, иногда с магнетитом, за счет которых оно и возникает при восстановительных реакциях. Очень редко встречается в зоне окисления рудных месторождений, при образовании болотных руд.

Зарегистрированы находки в осадочных породах, связываемые с восстановлением соединений железа водородом и углеводородами.
Почти чистое железо найдено в лунном грунте, что связывают как с падениями метеоритов, так и с магматическими процессами. Наконец, два класса метеоритов — железокаменные и железные содержат природные сплавы железа в качестве породообразующего компонента.

ПРИМЕНЕНИЕ

Кольцо из железа

Железо — один из самых используемых металлов, на него приходится до 95 % мирового металлургического производства.
Железо является основным компонентом сталей и чугунов — важнейших конструкционных материалов.
Железо может входить в состав сплавов на основе других металлов — например, никелевых.

Магнитная окись железа (магнетит) — важный материал в производстве устройств долговременной компьютерной памяти: жёстких дисков, дискет и т. п.
Ультрадисперсный порошок магнетита используется во многих чёрно-белых лазерных принтерах в смеси с полимерными гранулами в качестве тонера.

Здесь одновременно используется чёрный цвет магнетита и его способность прилипать к намагниченному валику переноса.
Уникальные ферромагнитные свойства ряда сплавов на основе железа способствуют их широкому применению в электротехнике для магнитопроводов трансформаторов и электродвигателей.

Хлорид железа(III) (хлорное железо) используется в радиолюбительской практике для травления печатных плат.
Семиводный сульфат железа (железный купорос) в смеси с медным купоросом используется для борьбы с вредными грибками в садоводстве и строительстве.

Железо применяется в качестве анода в железо-никелевых аккумуляторах, железо-воздушных аккумуляторах.

Водные растворы хлоридов двухвалентного и трёхвалентного железа, а также его сульфатов используются в качестве коагулянтов в процессах очистки природных и сточных вод на водоподготовке промышленных предприятий.

Железо (англ. Iron) — Fe

КЛАССИФИКАЦИЯ

Hey’s CIM Ref1.57

Физические свойства

Оптические свойства

Кристаллографические свойства



Источник: http://mineralpro.ru/minerals/iron/

Температура плавления и основные свойства железа, классификация металлов

Железо — это химический элемент, который в таблице Менделеева находится под номером 26. Это один из самых распространенных элементов во всей Солнечной системе. Согласно материалам исследований, в составе ядра Земли находится примерно 79−85% этого вещества. В земной коре его тоже присутствует большое количество, но оно уступает алюминию.

В чистом виде металл имеет белый цвет с чуть серебристым оттенком. Он пластичен, но имеющиеся в нем примеси могут определять его физические свойства. Реагирует на магнит.

Оксид железа — это основная форма, добыча которой осуществляется и которая находится в природе. Оксидное железо может располагаться в самой верхней части земной коры и быть составляющей осадочных образований.

Элемент, находящийся на двадцать шестом месте в таблице Менделеева, может иметь несколько степеней окисления. Именно они определяют его геохимическую особенность нахождения в определенной среде. В ядре Земли металл присутствует в нейтральной форме.

Добыча полезных ископаемых

Руд, в которых присутствует железо, существует несколько. Однако, в качестве сырья для производства железа в промышленности используют в основном следующие:

• магнезитовую руду;
• гетитовую руду;
• гематитовую руду.

А также часто встречаются такие разновидности руды:

• леллингит;
• сидерит;
• марказит;
• ильменит;
• ярозит.

Существует еще минерал под названием мелантерит. Его используют преимущественно в фармацевтической промышленности. Из себя он представляет зелёного цвета хрупкие кристаллы, в которых присутствует стеклянный блеск. Из него производят лекарственные препараты, в составе которых имеется ферум.

Основным месторождением этого металла является Южная Америка, а именно Бразилия.

Точкой плавления металла называют такую минимальную температуру, при которой он переходит из твердого состояния в жидкое. При этом в объеме он практически остается неизменным.

Металл могут производить из руды различными способами, но самый основной из них — это доменный. Помимо доменного, используют еще выплавку железа при помощи обжига измельченной руды с примесью глины. Из полученной смеси формируют окатыши, которые обрабатываются в печи с последующим восстановлением водородом. Далее плавление железа осуществляется в электрической печи.

Температура плавления железа весьма высока. Для технически чистого элемента она составляет +1539 °C. В этом веществе присутствует примесь — Сера, которую можно извлечь лишь в жидком виде. Без примесей чистый материал получают при электролизе солей металла.

Классификация металлов по температуре плавления

Разные металлы могут переходить в жидкое состояние при разной температуре. Вследствие этого выделяют определённую классификацию. Их делят следующим образом:

1. Легкоплавкие — те элементы, которые могут становиться жидкими уже при температуре ниже 600 градусов. К ним относят цинк, олово, свинец и пр. Их можно расплавить даже в домашних условиях — просто нужно разогреть при помощи плиты или паяльника. Такие виды нашли применение в технике и электронике. Они используются для соединения элементов из металла и движения электрического тока. Олово плавится при 232 градусах, а цинк — при 419 градусах.
2. Среднеплавкие — элементы, которые начинают расплавляться при температуре от шестисот до тысячи шестисот градусов. Эти элементы используют по большей части для строительных элементов и металлоконструкций, то есть при создании арматур, плит и строительных блоков. В эту группу входят: железо, медь, алюминий. Температура плавления алюминия сравнительно низка и составляет 660 градусов. А вот железо начинает переходить в жидкое состояние лишь при температуре 1539 градусов. Это один из самых распространенных металлов, используемых в промышленности, особенно в автомобильной. Однако железо подвержено коррозии, то есть ржавчине, поэтому ему требуется специальная поверхностная обработка. Его необходимо покрывать краской или олифой, и не допускать попадание влаги.
3. Тугоплавкие — это такие материалы, которые расплавляются и становятся жидкими при температуре выше 1600 градусов. В эту группу относят вольфрам, титан, платину, хром и т. п. Они используются в ядерной промышленности и для некоторых машинных деталей. Они могут применяться для расплавки других металлов, изготовления высоковольтных проводов или проволоки. Платину можно расплавить при 1769 градусах, а вольфрам — при 3420 °C.

Единственный элемент, который при обычных условиях находится в жидком состоянии — это ртуть. Температура его плавления составляет минус 39 градусов и его пары являются ядовитыми, поэтому его используют только в лабораториях и закрытых ёмкостях.

Источник: https://tokar.guru/metally/temperatura-plavleniya/zhelezo-himicheskie-svoystva-i-temperatura-plavleniya.html

Виды и характеристики сплавов железа

Железо считается самым популярным материалом. Его используют во всех отраслях промышленности. Людям этот металл знаком с глубокой древности. Когда кузнецы научились получать чистый материал, он превзошёл известные на то время сплавы, вытеснил их из производства. Сплавы железа появились в результате попыток людей изменить характеристики этого металла.

Состав и свойства

Строение и свойства железа обуславливают его популярность относительно разных отраслей промышленности. Состав представляет собой основной материал с примесями другим веществ. Количество дополнительных металлов не превышает 0,8%. К основным параметрам относятся:

1. Температура плавления — 1539 градусов по Цельсию.
2. Твердость по Бринеллю — 350–450 Мн/кв. м.
3. Удельная масса — 55,8.
4. Плотность — 7,409 г/куб см.
5. Теплопроводность — 74,04 Вт/(м·К) (при комнатной температуре).
6. Электропроводность — 9,7·10-8 ом·м.

Нельзя забывать, что железо считается одним из важнейших элементов в организме человека. Однако он крайне сложно усваивается из пищи. Суточная норма, которую должен употреблять мужчина — 10 мг. Женщины должны потреблять 20 мг этого вещества, чтобы организм работал нормально.

История открытия

Из школьного курса все помнят «железный век». Это период истории, когда человек впервые научился получать этот металл из руды. Железный век приходится на период с 9 по 7 век до нашей эры. Этот металл оказал огромное влияние на развитие людей того времени.

По своим характеристикам он вытеснил смеси цветных металлов. Из него изготавливали орудия труда, оружие, доспехи, материалы для строительства и многое другое. Постепенно кузнецы начали смешивать его с другими металлами, чтобы получить новые материалы.

Так появлялись новые сплавы.

Сферы применения

Этот материл применяется в разных отраслях промышленности:

1. Смеси и однородный металл применяются в машиностроении. Из них изготавливаются внутренние детали, корпуса, подвижные механизмы.
2. Судостроение, самолётостроение, ракетостроение.
3. Строительство — изготовление крепежей, расходных материалов.
4. Приборостроение — изготовление электроники для дома.
5. Радиоэлектроника — создание элементов для электроприборов.
6. Медицина, станкостроение, химическая промышленность.
7. Изготовление оружия.

Если для чего-то не подходит однородный материал, подойдут соединения на его основе, характеристики которых значительно отличаются.

Разновидности сплавов на основе железа

Сплав железа — это соединение, которое состоит из основного металла и дополнительных примесей. Соединения на основе этого материала называются чёрными металлами. К ним относятся:

1. Сталь — соединение углерода с другими элементами. Углерода в составе сплава может содержаться до 2.14%. Выделяют конструкционные углеродистые, строительные, специальные и легированные стали.
2. Чугун — смесь, которая пользуется огромной популярностью. Соединения могут содержать до 3,5% углерода. Дополнительно смеси содержать марганец, фосфор, серу.
3. Перлит — смесь на основе железа. Содержит не более 0.8% углерода.
4. Феррит — его называют чистым материалом. Связанно это с низким содержанием углерода, сторонних примесей (около 0.04%).
5. Цементит — химическое соединение железа с углеродом.
6. Аустенит — соединение с содержанием углерода до 2.14%. Дополнительно имеет сторонние примеси.

Состав и структура сплавов

Из-за большого количество соединений на основе железа была разработана маркировка, по которой можно отделить стали с высоким содержанием углерода от менее углеродистых, определить наличие основных легирующих элементов в составе материала, их количество. Зависимо от количества дополнительных элементов изменяются свойства соединений. К ним относится бор, ванадий, молибден, марганец, титан, углерод, хром, никель, кремний, вольфрам.

Характеристики смесей зависят от их структуры, состава. От этого изменяется прочность, пластичность, температура плавления, плотность, электропроводность и другие параметры. Например, структура чугуна определяет его хрупкость при ударах, больших физических нагрузках.

Свойства и маркировка сплавов

Относительно маркировки, первые цифры, которые идут на маркировке, говорят о процентном содержании углерода в составе. Далее идут заглавные буквы основных легирующих элементов. Начало маркировки могут начинать дополнительные буквы. Они указывают на назначение сплава.

Пластичность и вязкость будут уменьшаться при повышении количества углерода в составе сплава. На другие свойства металлов влияют основные легирующие элементы.

Производство и обработка сплавов на основе железа

Чтобы понять, как получают популярные соединения на основе железа, нужно кратко поговорить о технологиях получения чугуна, стали. Получить сталь можно несколькими способами:

1. Прямая технология. Окатышки железной руды продуваются смесью угарного газа, кислорода аммиака. Процедура проводиться в шахтной печи разогретой до 1000 градусов.
2. Мартеновский метод. Твердый чугун переплавляют с помощью мартеновских печей. Прежде чем закончить процедуру материал насыщается примесями.
3. Электроплавильный способ. С его помощью получают высококачественный материал. Обработка проводится в закрытых печах при температуре до 2200 градусов.
4. Кислородно-конверторный метод. Чугун, расположенный в печи, обдувается смесью кислорода с воздухом, что ускоряет процесс отжига.

Производство чугуна:

1. Подготовка руды. Она дробится до мелкой фракции.
2. Измельчение коксового угля.
3. Дробление флюса.
4. Загрузка в печь.

Для изготовления чугуна используются доменные печи.

Помимо процессов производства смесей, их подвергают дополнительно обработке. Это отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Характеристики улучшаются.

Сплавы железа используются в разных отраслях промышленности. Они обладают разными характеристиками, однако не теряют параметров основного металла, входящего в их состав.

Металлургия стали 1 — железо, растворы, феррит, аустенит, цементит и перлит Виды и характеристики сплавов железа Ссылка на основную публикацию

Источник: https://metalloy.ru/splavy/zheleza

Общие физические свойства металлов — урок. Химия, 8–9 класс

Металлы — это простые вещества, образованные металлическими химическими элементами.

В металлах существует особый вид связи — металлическая химическая связь.

Металлическая связь — это химическая связь, образующаяся за счёт притяжения катионов (положительно заряженных ионов) металлов и свободно перемещающихся электронов (так называемого «электронного газа»), заряженных отрицательно.

• На рисунке изображена модель кристаллической решётки металлов: в узлах кристаллической решётки находятся как электрически нейтральные, так и положительно заряженные катионы металлов, а между ними свободно перемещаются отрицательно заряженные электроны (электронный газ).
• За счёт наличия в кристаллах свободно движущихся электронов для большинства металлов характерны общие физические свойства: особый металлический блеск, высокие электропроводность и теплопроводность, ковкость и другие.
• Общие физические свойства металлов
• Агрегатное состояние и цвет металлов

• При обычных условиях все металлы (за исключением ртути, её температура плавления — (–39) °C) являются твёрдыми веществами. 
• Способность металлов отражать падающий на них свет является причиной наличия у них особого металлического блеска.
• Металлы не имеют запаха.
• В своём большинстве металлы имеют серебристо-белый или серебристо-серый цвет. Исключение составляют медь (красного цвета) и золото (жёлтого цвета).

В технике металлы принято подразделять на чёрные и цветные. Как правило, к чёрным металлам относят железо и его сплавы, а к цветным — все остальные металлы.

Алюминий Al	Капельки ртути Hg	Медь Cu

Электро- и теплопроводностьМеталлы хорошо проводят тепло. Все металлы хорошо проводят электрический ток, что обусловлено наличием в кристаллической решётке электронов, которые способны свободно перемещаться. Очень хорошими проводниками электрического тока являются золото (Au), медь (Cu) и серебро (Ag).

Пластичность

Металлы в большинстве своём пластичны. Их можно ковать, вытягивать в проволоку и прессовать. Исключение составляют сурьма и висмут, они хрупкие и от удара рассыпаются.

Температура плавления

Температура плавления металлов изменяется в широком интервале: от (–39) °C у ртути до (3420) °C у вольфрама. По температуре плавления металлы условно подразделяют на:

• легкоплавкие (температура плавления до (1000) °C);
• среднеплавкие (температура плавления от (1000) °C до (1600) °C);
• тугоплавкие (температура плавления выше (1600) °C).

1. Плотность
2. Плотность различных металлов также колеблется в сравнительно широких пределах: от (0,53)  г/см³ у лития до (22,61) г/см³ у осмия.
3. По плотности металлы принято подразделять на лёгкие (плотность меньше (5) г/см³) и тяжёлые (плотность свыше (5) г/см³).

Источник: https://www.yaklass.ru/p/himija/89-klass/klassy-neorganicheskikh-veshchestv-14371/metally-15154/re-a5531b87-3eac-40ca-a3ae-f4f5a1d95caa

Сплавы железа и температура их плавления

• Химический элемент № 26 является самым распространенным в Солнечной системе. По данным исследований содержание железа в ядре Земли составляет 79–85,5%. По распространенности в коре планеты оно уступает только алюминию.
• Металл в чистом виде имеет белый цвет с серебристым оттенком, отличается пластичностью. Наличие примесей определяет его физические параметры. Железу свойственно реагировать на магнит.
• Для этого химического элемента характерен полиморфизм, который имеет место при нагревании. Повышенная концентрация металла наблюдается в местах извержения пород. Промышленные месторождения формируются в результате внешних и внутренних процессов, происходящих в земной коре.
• В речной воде содержится приблизительно 2 мг/л металла, а показатель для морской воды меньше в 100–1000 раз.
• Железо имеет несколько степеней окисления, определяющих его геохимическую особенность нахождения в определенной среде. В нейтральной форме металл находится в ядре Земли.
• Оксид железа является основной формой нахождения в природе, а оксидное железо размещается в самой верхней части земной коры в составе осадочных образований.
• Содержание химического элемента № 26 в минералах с нестабильным составом увеличивается с уменьшением температурного градиента. Кипение происходит при нагревании до + 2861 °C. Удельная теплота плавления составляет 247,1 КДж/кг.

Добыча металла

Среди руд, содержащих железо, сырьем для промышленного производства являются:

• гематит;
• гетит;
• магнетит.

Гетит и гидрогетит формируют образования в коре выветривания, размером сотни метров. В зоне шельфа и озерах коллоидные растворы минералов в результате осаждения образуют оолиты (бобовые железные руды).

Пирит и пирротин, широко распространенные в природе минералы железа, используются в качестве сырья для производства серной кислоты.

К часто встречающимся минералам железа относятся также:

• сидерит;
• леллингит;
• марказит;
• ильменит;
• ярозит.

Минерал мелантерит, представляющий собой хрупкие зеленые кристаллы со стеклянным блеском, используется в фармацевтической промышленности для производства железосодержащих препаратов.

Основное месторождение этого металла находится в Бразилии. В последнее время внимание сосредоточивается на разработке конкреций, присутствующих на морском дне, в которых содержатся железо и марганец.

Плавление железа

От чего зависит температура плавления железа?

Производство металла предусматривает различные технологии его извлечения из рудного сырья. Наиболее распространена выплавка железа доменным способом.

Перед тем как выплавлять металл, его восстанавливают в печи при температуре +2000 °C. Для извлечения примесей добавляется флюс, разлагающийся при нагревании до оксида с последующим соединением с диоксидом кремния и образованием шлака.

Кроме доменного способа выплавка железа производится путем обжига измельченной руды с глиной. Из смеси формируются окатыши и обрабатываются в печи с восстановлением водородом. Дальнейшая плавка железа производится в электрических печах.

Изготовление сплавов в печах.

Свойства металла зависят от чистоты материала. Для технически чистого железа температура плавления составляет +1539 °C. Сера является вредной примесью. Извлечь ее можно только из жидкого раствора. Химически чистый материал получают в результате электролиза солей металла.

Сплавы металла

В чистом виде этот материал мягкий, поэтому для повышения прочности в состав вводят углерод.

В металлургии сплавы железа называют черными металлами.

В зависимости от компонентов лигатуры меняются свойства материалов. Температура плавления железа также меняется при наличии лигатурных компонентов.

Удельная теплота плавления стали равна 84 кДж. Этот показатель обозначает, что при температуре плавления стали для перевода 1 кг сплава из кристаллического в жидкое состояние необходимо 84 кДж энергии.

В белом часть углерода находится в соединении карбида железа. Такой сплав отличается хрупкостью и твердостью. Он предназначается для изготовления конструкций и деталей.

Серый сплав, содержащий углерод в виде графита, легко поддается обработке. Чугун выплавляют из железной руды в доменных печах. Плавление руды сопровождается восстановительной реакцией железа из оксидов углеродом.

Большинство веществ может плавиться с увеличением объема при нагревании. Для чугуна объемом 1000 см³ этот показатель составляет 988–994 см³.

Чугун является сырьем для производства стали, отличающейся содержанием углерода (не выше 2,14%).

По химическому составу различают сталь:

• легированную;
• углеродистую.

Углеродистая сталь содержит примеси серы, фосфора и кремния. Она отличается низкими электротехническими свойствами, низкой прочностью, легко поддается процессу коррозии.

Наличие лигатурных добавок придает стали новые технические свойства. В качестве дополнительных компонентов используют:

• молибден;
• никель;
• вольфрам;
• хром;
• ванадий.

В состав высоколегированной стали входит не более 10% добавок. Сплав отличается прочностью. Технология производства стали из чугуна позволяет получить высококачественный материал для производства:

• металлических конструкций;
• резервуаров;
• посуды;
• армирующих деталей;
• электрооборудования.
  Железо широко применяется во всех сферах жизни человека.

В качестве сырья сталь используется в разных отраслях промышленности. Без нее невозможно представить авиастроение, кораблестроение, автомобильную отрасль и многие другие производственные сферы.

Источник: https://ometallah.com/plavlenie/splavy-zheleza.html

Свойства металлов и сплавов и их испытание

Классификация свойств металлов и сплавов

Свойства металлов и сплавов делятся на 4 основные группы:

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

Физические свойства металлов и сплавов.

К физическим свойствам металлов и сплавов относятся цвет, плотность (удельный вес), плавкость, тепловое расширение, теплопроводность, теплоемкость, электропроводность и способность их намагничиваться.

Эти свойства называют физическими потому, что обнаруживаются в явлениях, которые не сопровождаются изменением химического состава вещества, т. е. металлы и сплавы остаются неизмененными по составу при нагревании, прохождении через них тока, тепла, а также при их намагничивании и плавлении.

Многие из указанных физических свойств имеют установленные единицы измерения, по которым судят о свойствах металла.

Цвет.

Удельный вес—это вес 1 см3 металла, сплава или любого другого вещества в граммах. Например, удельный вес чистого железа равен 7,88 г/см3.

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

Тепловое расширение — свойство металлов и сплавов увеличиваться в объеме при нагревании, характеризуется коэффициентами линейного и объемного расширения.

Коэффициент линейного расширения — отношение приращения длины образца металла при нагревании на 1° к первоначальной длине образца.

Коэффициент объемного расширения — отношение приращения объема металла при нагревании на 1° к первоначальному объему. Объемный коэффициент принимают равным утроенному коэффициенту линейного расширения.

Различные металлы имеют различные коэффициенты линейного расширения. Например, коэффициент линейного расширения стали равен 0,000012, меди — 0,000017, алюминия— 0,000023. Зная коэффициент линейного расширения металла, можно определить его величину удлинения:

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

5000·0,000012·20 = 1,2 м

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

5000·0,000017·20= 1,7 м

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

5000·0,000023·20=2,3 м

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

Теплопроводность —способность металлов и сплавов проводить тепло. Чем больше теплопроводность, тем быстрее тепло распространяется по металлу или сплаву при нагревании.

При охлаждении металлы и сплавы, обладающие большой теплопроводностью, быстрее отдают тепло. Теплопроводность красной меди в 6 раз выше теплопроводности железа.

При сварке металлов и сплавов, имеющих большую теплопроводность, требуется предварительный, а иногда и сопутствующий подогрев.

Удельная теплоемкость — количество тепла в ккал (килокалориях), необходимое для нагрева 1 кг вещества на 1°. Низкую удельную теплоемкость имеют платина и свинец.

Удельная теплоемкость стали и чугуна примерно в 4 раза выше удельной теплоемкости свинца.

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

• Магнитные свойства — способность металлов намагничиваться, которые проявляются в том, что намагниченный металл притягивает к себе металлы, обладающие магнитными свойствами.
• Химические свойства металлов и сплавов.
• Под химическими свойствами металлов и сплавов понимают их способность вступать в соединения с различными веществами и в первую очередь с кислородом. К химическим свойствам металлов и сплавов относят:

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

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

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

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

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

Старение металлов — изменение свойств металлов во времени вследствие внутренних процессов, обычно протекающее замедленно при комнатной температуре и более интенсивно при повышенной температуре.

Старение стали обусловлено выделением по границам зерен карбидов и нитридов, что приводит к повышению прочности и снижению пластичности стали.

К элементам, уменьшающим склонность к старению стали, относятся алюминий и кремний, а способствующим старению — азот и углерод.

Механические свойства металлов и сплавов.

Рис. 1

К основным механическим свойствам металлов и сплавов относятся

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

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

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

Рис. 2

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

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

Рис. 3

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

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

1. где Δl = l1-l0 — абсолютное удлинение образца при разрыве;
2. δ— относительное удлинение;
3.  l1—длина образца в момент разрыва;
4. l0—первоначальная длина образца;
5. где Ψ—относительное сужение при разрыве;
6. F0 — первоначальная площадь поперечного сечения образца;
7. F — площадь образца после разрыва

Рис 4

Ударной вязкостью называют способность металла или сплава сопротивляться действию ударных нагрузок. Испытания производятся на маятниковом костре (рис. 4). Перед испытанием маятник 1 отводят на угол подъема α, в этом положении закрепляют защелкой.

Стрелку 2, укрепленную на оси качания маятника, отводят до упора 3, расположенного у нулевого деления шкалы 4.

При обратном движении маятника стрелка 2 отклоняется от нулевого деления и при вертикальном положении маятника указывает величину β— наибольшего угла подъема маятника после разрушения образца. Разность углов α—β характеризует работу излома образца.

• Для определения ударной вязкости вначале вычисляют работу А, которая затрачена грузом маятника на разрушение образца
• А = Р (Н — h) кгс • м
• где Н — высота подъема маятника до удара в м
• h —высота подъема маятника после удара в м
• Р — ударная сила.
• Затем определяют ударную вязкость
• где ан—ударная вязкость в кГс·м/см2
• F — площадь поперечного сечения образца в см2.
• Ползучестью называют свойство металла или сплава медленно и непрерывно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки (особенно при повышенных температурах).
• Усталостью называют постепенное разрушение металла или сплава при большом числе повторно-переменных нагрузок, а свойство выдерживать эти нагрузки называют выносливостью.

Испытания образцов металлов и сплавов на растяжение осуществляют при пониженных, нормальных и повышенных температурах.

Испытания при пониженных температурах производят в соответствии с ГОСТ 11150—65 —100°С и при температуре кипения технического жидкого азота.

Испытания при нормальных температурах осуществляют по Г ОСТ 1497—61 при температуре 20±10°С.

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

При испытании образцов на растяжение определяют предел прочности — σв, предел текучести (физический)—σт, предел текучести условный (технический) —σо,2, истинное сопротивление разрыву—Sк и относительное удлинение — δ.

Рис. 5

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

Рассмотрим участки диаграммы:

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

1. Предел прочности при растяжении (временное сопротивление) σв— напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествовавшей разрушению образца:
2. где F0 — площадь поперечного сечения образца перед испытанием в мм2
3. Pв— наибольшая растягивающая сила в кгс.
4. Предел текучести (физический) σт—наименьшее напряжение, при котором происходит деформация испытуемого образца без увеличения нагрузки (нагрузка не увеличивается, а образец удлиняется),
6. Предел текучести условный (технический) σо,2 — напряжение, при котором остаточная деформация образца достигает 0,2%:
7. Предел пропорциональности σпц— условное напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями достигает определенной степени, устанавливаемой техническими условиями:
9. Истинное сопротивление разрыву Sк—напряжение в шейке растягиваемого образца, определяемое как отношение растягивающей силы, действующей на образец непосредственно перед его разрывом, к площади поперечного сечения образна в шейке (F):
10. Технологические свойства металлов и сплавов.
11. К технологическим свойствам металлов и сплавов относятся:

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

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

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

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

Источник: http://soedenimetall.ru/svojstva-metallov-i-splavov-i-ih-ispytanie/