Для чего делают сплавы металлов

Металлургия в нашей жизни занимает исключительно важную роль. Нет, далеко не каждый из нас принадлежит к славному сословию сталеваров, но мы ежедневно сталкиваемся с изделиями из металлов. Как правило, сделаны они из самых разнообразных сплавов. Кстати, а что это такое?

Основные определения

Вообще сплавы металлов – это материалы, полученные методом выплавки, при производстве которых были использованы два или более металлических элемента (в химическом смысле), а также (опционально) специальные присадки. Одним из первых материалов такого рода была бронза. В ее состав входит 85% меди и 15% олова (80:20 в случае колокольной бронзы). В настоящее время существует несколько разновидностей этого соединения, в составе которых вообще нет олова. Но встречаются они не так уж и часто.

Нужно четко понимать, что сплавы металлов в большинстве случаев образуются вообще без участи человека. Дело в том, что получить абсолютно чистый с химической точки зрения материал можно только в лаборатории. В любом металле, который используется в бытовых условиях, наверняка есть следы другого элемента. Классический пример – золотые украшения. В каждом из них есть определенная доля меди. Впрочем, в классическом смысле под этим определением все равно понимают соединение двух и более металлов, которое было целенаправленно получено человеком.

Вся история человека является отличным примером того, как сплавы металлов оказались способны оказать огромное влияние на развитие всей нашей цивилизации. Не случайно есть даже длительный исторический период, который называется «Бронзовый век».

Общие характеристики сплавов металлов

А сейчас мы рассмотрим общие свойства металлов и сплавов, которыми те характеризуются. Их же очень часто можно встретить в специализированной литературе.

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

Сведения о производстве

В принципе, в настоящее время под «сплавом» вполне может пониматься материал, в основе которого лежит только один химический элемент, но «разбавленный» целым пакетом присадок. Наиболее распространенный способ их получения, расплавление до жидкого состояния, мало изменился с глубокой древности.

К примеру, анализ металлов и сплавов показывает, что древние индийцы овладели удивительным для своего времени уровнем обработки металла. Они даже начали создавать сплавы с использованием тугоплавкого цинка, что и в наше время является довольно-таки трудоемкой и сложной процедурой.

На сегодняшний день для этих целей довольно широко используется также порошковая металлургия. Особенно часто этим методом обрабатывают черные металлы и сплавы на их основе, так как в этом случае зачастую требуется максимальная дешевизна как самого процесса, так и выпускаемой продукции.

Распространение сплавов в современной промышленности

Следует заметить, что все металлы, которые интенсивно используются современной промышленностью, являются именно сплавами. Так, более 90% всего получаемого в мире железа идет на изготовление чугунов и различных сталей. Объясняется такой подход к делу тем, что сплавы металлов в большинстве случаев демонстрируют лучшие свойства, нежели чем их «прародители».

Так, предел текучести чистого алюминия составляет всего лишь 35 Мпа. А вот если в него добавить 1,6% меди, магния и цинка в соотношении 2,5% и 5,6% соответственно, то этот показатель может легко превысить даже 500 МПа.

Кроме прочего, можно значительно улучшить свойства электропроводности, теплопроводности или другие.

Никакой мистики в этом нет: в сплавах строение кристаллической решетки изменяется, что и позволяет приобретать им прочие свойства.

Проще говоря, количество такого рода материалов в наши дни велико, но оно постоянно продолжает расти.

Основные классификационные сведения

В общем-то, никаких особенных сложностей здесь нет: соединения, в которых использованы цветные металлы и сплавы на основе железа. Ниже мы разберем обе этих категории на примере основных видов, а также обсудим сферы их применения в современной промышленности и на производстве.

Стали

Все соединения железа, содержащие до 2% углерода, называются сталями. Если в составе имеется хром, ванадий или молибден, то их называют легированными. С этими материалами мы сталкиваемся постоянно, ежедневно и ежечасно. Количество сталей на сегодняшний день таково, что одно их перечисление могло бы занять не слишком тонкую книгу.

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

Если в материале менее 0,25% углерода, то он используется в каких-то технических конструкциях.

Если же в стали более 0,55% углерода, то она идеально подходит для производства различных высококачественных режущих инструментов, в том числе резцов для токарных станков, сверл и хирургических принадлежностей.

Но если речь идет о приспособлениях, которые применяются для быстрой резки, то на их производство идет исключительно легированная сталь.

Чугун

Если в сплаве железа содержится более 3-4% углерода, то он называется чугуном. Кроме того, его важным элементом является кремний. Из чугуна изготавливается масса деталей и готовых изделий. К примеру, блоки двигателей для автомобилей.

В случае качественно сделанной отливки без полостей и каверн, изделие обладает впечатляющей механической прочностью.

В этой связи стоит вспомнить хотя бы пушки 14-15 века, которые нередко выдерживали трех-четырехкратное увеличение порохового заряда.

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

Медные сплавы

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

Эти материалы идеальны в случае необходимости производства и формовки мелких деталей. Малоизвестно, но сплав меди с кремнием носит название кремнистой бронзы и обладает большой механической прочностью.

Практически тем же характеризуется фосфористая разновидность (к меди прибавляется 5% олова и некоторое количество фосфора).

Как и в прошлом случае, отличается высокой прочностью и пружинистыми качествами, а потому идеальна для изготовления мембран и разного рода пружин.

Сплавы свинца

Вообще цветные металлы и сплавы – неразделимо связанные понятия, так как с древнейших времен люди умели выплавлять многосоставные материалы, которые с успехом использовали в военном и мирном деле. Особенно это относится к свинцу, из сплавов которого еще римляне делали водопроводы и канализации. Конечно, они не знали о токсических свойствах этого металла, но им импонировала простота его обработки.

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

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

Как ни странно, но свинец издавна был известен поварам и рестораторам, так как из него нередко делали столовую посуду и приборы. Сплав, который использовался для этого, называется пьютер. В его состав входит приблизительно 85–90% олова. Оставшиеся 10-15% как раз-таки занимает свинец (стандартный сплав двух металлов).

Техники также наверняка знакомы с баббитами. Это также соединения на основе свинца, в состав которых также входит олово, а также мышьяк и сурьму. Эти сплавы весьма ядовиты, но из-за некоторых особых качеств их активно используют в подшипниковой отрасли промышленности.

О легких сплавах

Как мы уже говорили, свойства металлов и сплавов отличаются тем, что у вторых во многих случаях характеристики выше. Особенно это заметно в отношении современной промышленности.

В последние годы ей требуется огромное количество легких сплавов, которые обладают повышенной механической прочностью, а также устойчивостью к воздействиям неблагоприятных факторов внешней среды и высокой температуре.

Чаще всего для их производства используется алюминий, бериллий, а также магний. Особенно востребованы соединения на основе алюминия и магния, так как сфера их возможного применения чрезвычайно широка.

Сплавы на основе алюминия

Как мы уже говорили, без них современную промышленность представить себе решительно невозможно. Судите сами: сплавы алюминия активно применяются в авиационной, космической, военной, научно-инженерной и прочих отраслях. Без алюминия невозможно представить себе производителей современной бытовой и мобильной техники, так как корпуса из этого металла все чаще используются современными флагманами этих отраслей.

Какими они бывают?

Делятся сплавы алюминия сразу на три большие группы:

• Литейные (Al – Si). Особенно широко они распространены в автомобилестроении и военной промышленности.
• Сплавы, предназначенные для литья под давлением (Al – Mg).
• Соединения повышенной прочности, самозакаливающиеся (Al – Cu).

Достоинства и недостатки этого материала

Многие сплавы из этого материала экономичны, сравнительно недороги и весьма долговечны, так как не поддаются коррозии.

Отличаются высокой прочностью в условиях экстремально низких температур (аэрокосмические отрасли) и весьма простым процессом обработки.

Для их формовки не требуется особенно сложного и дорогостоящего оборудования, так как они сравнительно пластичные и вязкие (смотрите таблицу с характеристиками).

Увы, но есть у них и свои недостатки. Так, при температурах выше 175 °С механические свойства алюминия и сплавов на его основе начинают стремительно ухудшаться. Зато благодаря наличию амальгамы на их поверхности (защитной пленки из гидроксида алюминия) они обладают выдающейся устойчивостью к действию агрессивных химических сред, в том числе кислот и щелочей.

Они имеют отличную электропроводность и теплопроводность, немагнитны. Считается, что они абсолютно безвредны для здоровья человека, а потому их можно использовать для производства пищевой посуды и столовых принадлежностей. Впрочем, последние исследователи медиков все же говорят о том, что соединения алюминия в некоторых случаях могут провоцировать развитие болезни Альцгеймера.

Военные полюбили эти материалы за то, что они не дают искр даже при резких механических воздействиях и ударах. Кроме того, они отлично поглощают ударные нагрузки. Проще говоря, некоторые эти сплавы металлов (состав которых чаще всего засекречен) активно используются для производства легкой брони для оснащения ей разнообразных БТР, БМП, БРДМ и прочей техники.

Благодаря всем этим свойствам сплавы на основе повсеместно используют для производства поршней для двигателей внутреннего сгорания, а также в производстве строительных конструкций (устойчивость к коррозии).

Широко используется алюминий и материалы на его основе в производстве отражателей для светотехнических представлений, электропроводки, а также для изготовления корпусов разнообразной техники (не намагничивается).

Важно заметить, что даже в теоретически чистом алюминии порой содержится значительная примесь железа. Оно может способствовать более высокой механической прочности материала, но его присутствие делает сплав на основе алюминия сильно подверженным коррозионным процессам. Кроме того, сплав в значительной степени утрачивает свою пластичность, что также не слишком хорошо в большинстве случаев.

Ослабить негативное действие примесей железа помогает кобальт, хром или марганец. Если же в состав сплава входит литий, то получается весьма прочный и упругий материал. Неудивительно, что такое соединение пользуется большой популярностью в авиакосмической промышленности. Увы, но сплавы лития с алюминием имеют неприятное свойство, которое опять-таки выражается в плохой пластичности.

Подведем некоторые итоги. Получается, что основные сплавы металлов в космонавтике, авиации и прочих высокотехнологичных отраслях, имеют в своем составе алюминий. В общем-то, именно так и обстоят дела на сегодняшний день, но нередко в современной промышленности используется магний и его сплавы.

Сплавы магния

Они имеют крайне невысокую массу, а также характеризуются весьма впечатляющей прочностью.

Кроме того, именно эти материалы великолепно подходят для литейной промышленности, а заготовки прекрасно поддаются токарной и фрезеровочной обработке.

А потому их активно используют в производстве ракет и авиационных турбин, корпусов приборов, дисков автомобильных колес, а также некоторых сортов броневой стали.

Некоторые разновидности этих сплавов отличаются великолепными показателями вязкостного демпфирования, а потому они идут на производство деталей и конструкций, которым приходится работать в условиях экстремально высокого уровня вибраций.

Достоинства и недостатки магниевых сплавов

Они довольно мягкие, сравнительно неплохо сопротивляются износу, но отличаются не слишком впечатляющей пластичностью.

Зато они отличаются прекрасной приспособленностью к формовке в условиях высоких температур, отлично приспособлены для соединения с использованием всех существующих разновидностей сварок, а также могут быть соединены посредством болтовых соединений, клепки и даже склеивания.

Увы, но все эти сплавы не отличаются особенной стойкостью к воздействию кислот и щелочей. Крайне негативно на них воздействует долгое пребывание в морской воде.

Впрочем, магниевые сплавы на удивление стабильны в условиях воздушной среды, так что многими их недостатками можно пренебречь.

Если же требуется надежно защитить такие детали от действия коррозии, то применяют нанесение хромового покрытия, анодирование или подобные же методы.

Их можно плакировать при помощи никеля, меди или хрома, предварительно погружая в расплав химически чистого цинка. При такой обработке резко возрастают показатели их прочности и устойчивости к истиранию. Нужно напомнить, что магний является довольно-таки активным с химической точки зрения металлом, а потому при работе с ним необходимо соблюдать хотя бы базовые меры безопасности.

Таким образом, производство металлов и сплавов является ключевой особенностью современной промышленностью. С каждым годом люди изобретают все больше способов получения новых материалов, так что вскоре мы наверняка получим совершенно невероятные соединения, которые будут сочетать в себе полезные свойства сразу нескольких групп материалов и химических элементов.

Особенности металлических сплавов

Работать с металлами человек начал в 4 тысячелетии. В истории, века ознакомления с новыми видами металлов названы в честь них — Бронзовый, Железный, Чугунный.

Однако, в природе невозможно найти ни одного металлического изделия, которое будет на 100% состоять из одного вида металла. В изготавливаемых предметах, деталях или конструкциях есть добавки которые ввёл сам человек или они попали туда естественным путем.

Из-за этого можно утверждать, что все представленные материалы металлического происхождения это сплавы металлов.

Расплавленный металл

Основные определения

Людям, работающим в сфере металлообработки, необходимо знать виды металлов и сплавов, чтобы понимать как происходят те или иные процессы в ходе обработки. Металлические материалы образую группу простых веществ, которые имеют собственные характерные свойства.

Структура представляет собой совокупность атомов, которые выстраиваются в отдельные ячейки. Ячейки, в свою очередь, объединяются между собой, образуя кристаллическую решётку. Внутреннюю часть решётки образуют атомные ядра. Вокруг них располагаются электроны. Кристаллическая решётка представляет собой совокупность простых геометрических форм.

Эту группу веществ определяют по характерным признакам. Механические свойства алюминия, стали, железа, свинца, олова и других видов металлов давно известны науке:

1. Твёрдость — этот параметр определяет устойчивость материала к проникновению посторонних примесей.
2. Пластичность — показатель, определяющий сохранение формы предмета под воздействием посторонних сил.
3. Вязкость — определяет целостность изделия под физическим давлением.
4. Прочность — показатель сохранения формы материала после воздействия извне.
5. Износоустойчивость — изменение поверхности материла после трения.
6. Упругость — изменение формы детали или заготовки с возможностью самостоятельного восстановления к изначальному состоянию.

Среди дополнительных свойств выделяют устойчивость к воздействию высоких температур и холода, а также температуру плавления. К химическим свойствам можно отнести возможность контактировать с другими веществами.

Изначально считалось, что металлы и сплавы обладают тремя характерными признаками — ковкость, пластичность и блеск. Однако оказалось, что некоторые неметаллические вещества также обладают блеском. Сейчас главным признаком металла считается понижение электропроводности при изменении температуры.

В природе существует несколько видов металлов, которые отличаются по своим свойствам, характеристикам и внешнему виду. Каждая из разновидностей по-разному ведёт себя при взаимодействии с другими материалами или под воздействием факторов окружающей среды.

Виды металлов

Черные

В эту группу входит железо и сплавы на его основе. Характерные особенности чёрных металлов:

• высокая плотность;
• температура плавления гораздо выше чем у представителей других групп;
• цвет — тёмно-серый.

К представителям группы чёрных металлов относятся: вольфрам, хром, кобальт, молибден, железо, никель, титан, марганец, уран, нептуний, плутоний и другие. Используются они в различных отраслях и обладают разными свойствами. Популярными считаются сталь и чугун.

В состав черных металлов входит не только железо, но и различные примеси к которым относится сера, фосфор или кремний. В своём составе они содержат разное количество углерода.

Цветные

Представители этой группы более востребованы. Связано это с тем, что цветные металлы применяют в большем количестве отраслей. Их могут использовать в машиностроении, передовых технологиях, радиоэлектронике, металлургии. Ключевые особенности цветных металлов:

• низкая температура плавления;
• большой цветовой спектр;
• хорошая пластичность.

Из-за низкой прочности представителей цветной группы их используют в связке с разными видами более плотных материалов. Представители этой группы: магний, алюминий, никель, свинец, олово, цинк, серебро, платина, родий, золото и другие.

Слитки золота ( pixabay.com)

Мягкие

Можно выделить отдельные виды металлов, которые будут относиться к группе твёрдых и мягких. В качестве мягких выступают:

1. Алюминий — обладает устойчивостью к коррозии, легким весов, хорошей пластичностью. Используется в электропромышленности, при строительстве самолётов и изготовлении посуды.
2. Магний — это лёгкий материал, который подвержен воздействию коррозийных процессов. Чтобы избавиться от этого недостатка, его используют в сплавах с другими материалами.

Это ключевые представители группы мягких металлов.

Твердые

Популярными материалами этой группы являются:

1. Вольфрам — считается самым тугоплавким металлом. Дополнительно к этому, он является одним из самых прочных. Стойкий к химическим воздействиям.
2. Титан — чем меньше вкраплений других материалов в этом металле, тем прочнее он становится. Используется при строительстве машин, ракет, самолётов, кораблей, а также в химической промышленности. Он хорошо обрабатываются под давлением, не поддается воздействию коррозийных процессов.
3. Уран — ещё один металл, считающийся одним из самых прочных в мире. Радиоактивен и используется в различных направлениях промышленности.

Представители «твёрдой группы» хуже поддаются обработке и используются в меньшем количестве направлений деятельности человека, чем мягкие.

Основные виды сплавов

Существуют различные виды сплавов металлов, однако стоит поговорить только об основных.

Самыми популярными считаются составы на основе железа. К ним относится сталь, чугун и ферриты. Если с первыми двумя сплавами всё понятно, то стоит кратко сказать о том, что такое ферриты. Это соединения металлов, в которых содержится большое количество углерода. Их используют для изготовления катушек индуктивности. Также стоит упомянуть другие основные сплавы металлов.

Изделия выполненные из металлических сплавов

Магниевые сплавы

Обладают высокой прочностью при малом размере и массе заготовки. Слабо защищены от коррозии, не обладают достаточной пластичностью для удобной обработки. Используются в машиностроении. Главная особенность сплавов на основе магния — свойство поглощать вибрации подвижных элементов.

Бериллиевые сплавы

Устойчивы к коррозийным процессам. Бериллий чаще всего смешивается с медью. Такая смесь называется Бериллиевой бронзой. Её используют для изготовления шестерней, контактов, часовых механизмов, подшипников.

Цинковые сплавы

Особенности этих соединений заключаются в низкой температуре плавления, высоким показателе пластичности, устойчивости к коррозиям. Используются для изготовления подшипников, бытовой техники, в машиностроении.

Титановые сплавы

Тяжелый в обработке материал. Сплавы на его основе обладают малым весом, высокой прочностью, стойкостью к воздействию факторов окружающей среды. Чтобы облегчить обработку металла, его необходимо нагреть. Используется в различных направлениях промышленности.

Алюминиевые сплавы

Сплавы на основе этого материала считаются наиболее популярными. Встретить их можно в большинстве сфер жизни человека. У них такие преимущества:

• коррозийная устойчивость;
• малый вес;
• пластичность;
• электропроводность.

Главный недостаток этого материала — низкая температура плавления. Уже к 200 градусам, свойства сплава ухудшаются. Алюминиевые сплавы используются в различных направлениях промышленности. Благодаря малому удельному весу алюминий получил большую популярность в строительстве самолётов.

Алюминий ( pixabay.com)

Медные сплавы

Большинство соединений на основе меди представляют собой латунь. В зависимости от содержания меди в составе сплава выделяется красная и жёлтая латунь. Из этого материала изготавливаются маленькие детали для высокоточных и миниатюрных механизмов. Обладает высоким показателем пластичности, благодаря чему с соединениями на основе меди легко работать.

Распространение сплавов в современной промышленности

Выделяют следующие направления промышленности, в которых используются сплавы:

1. Изготовление измерительных приборов.
2. Ювелирное дело. Изготовление украшений.
3. Постройка ракет, кораблей, самолётов. Машиностроение.
4. Создание контактов, микросхем, точных соединений.
5. Производство оружия.
6. Аэрокосмическая промышленность.
7. Криогенная область.
8. Изготовление медицинского оборудования.
9. Ядерная физика (детали для реакторов).
10. Химическая и пищевая промышленность.

Это направления применения металлов и их сплавов в промышленности. Металлы и сплавы можно найти в любых сферах жизни. Каждое соединение обладает своими свойствами и характеристиками, которые изменяются по мере добавления посторонних примесей в состав.

Что такое сплав понятным языком

Сплавы металлов встречаются нам повсеместно, даже в условиях внедрения пластиков и прочих инновационных заменителей. В этом материале попробуем разобраться, что такое сплав и как всё это себе представить для понимания физики процесса.

Металлы в чистом виде используются крайне редко. Обычно металл обладает худшими значениями свойств (чаще механических свойств), по сравнению со сплавами. Правда говорить о том, что чистые металлы не используют — это совсем неправильно. В некоторых случаях нужен именно чистый материал, например для достижения нужных показателей электропроводности.

Давным-давно было случайно обнаружено, что если при переплавке меди добавить к ней ещё и олово, то получаемый состав (или сплав) имеет гораздо более высокие прочностные свойства. История не уточняет, кто именно и когда первый придумал использовать этот новый материал, который, по своей сути, является бронзой.

Сплав — это материал, образуемый объединением двух или более компонентов и обладающий рядом специфических свойств. Сплав может содержать как металлические (пример — дюраль Al + Cu), так и неметаллические компоненты (самый яркий пример — сталь Fe + C).

В основе создания логики сплавов лежит логика композитных материалов. Несколько материалов в группе работают порой лучше, чем один чистый. Но называть сплавы композитами неправильно.

Также важно отметить, что появились сплавы металлов гораздо раньше, чем первые композиты. Бронзы использовались ещё до нашей эры для самых различных целей.

Интересно знать, что инженеры-материаловеды часто разрабатывали сплав для решения какой-то определенной задачи. Формулировалось техническое задание и обозначались условия работы будущего изделия, а специалисты старались «выжать» максимум.

Сплавов существует огромное количество. Именно поэтому была разработана специальная классификация всех имеющихся сплавов. Не будем сейчас останавливаться на этом вопросе, а поговорим о физике самого сплава и его строении.

Что представляет из себя сплав

Нужно осознать процесс появления сплава на физическом уровне. Именно это даст глубокое понимание вопроса.

Представьте себе, что вы взяли две жидкости и слили друг с другом. Получили что-то. Это что-то и можно считать будущим сплавом. Это расплав двух (или более) компонентов. Два расплавленных компонента в одной емкости выглядят также. Ещё больше путаницы, верно? Пример демонстрирует хаос системы в расплавленном состоянии.

Пока в емкости две перемешанных жидкости, мы видим что-то такое в её структуре:

Рисунок 1

Если взять жидкость и какое-нибудь нерастворимое желе, мы получим совсем иной результат. Компоненты могут расслоиться. Условно это выглядит так.

Рисунок 2

В итоге компоненты всё же могут раствориться друг в друге (вернемся к рисунку 1), а могут и не растворится — выйдет смесь. Очевидно, что если такую структуру (рисунок 2) зафиксировать (или кристаллизовать), то получится черти что. Поэтому, для получения сплава нужно добиться определенного состояния расплава.

Всё сказанное справедливо и для расплава. Сплав — это система из двух (или более) компонентов. Значит для того, чтобы их объединить, нужно как-то смешать их друг с другом.

На практике мы имеем один компонент будущего сплава в виде металлического куска и другой кусок второго компонента в виде куска.

Как их объединить? Логично! Нужно их переплавить в одной бочке и перемешать для достижения структуры на рисунке 1. Но это ещё не значит получить готовый сплав.

Как получают сплав

Для получения сплава нужно описанный выше расплав охладить, чтобы произошла кристаллизация и выстроились новые кристаллические решетки.

Но система может вести себя по-разному.

Материалы могут образовать гомогенную (однородную) смесь или сохранять гетерогенность (разнородность). Могут оказаться и вовсе несмешиваемыми.

• Это справедливо как для их совместного расплавленного состояния, так и для уже застывшего кристаллизованного состояния.
• Каким образом определить, что будет с теми или иными компонентами, объединенными в единую систему при разных температурах и условиях?
• Тут нужны экспериментальные данные.
• Некоторые основные тенденции можно предсказать по химическому составу и типу решеток исходных компонентов, а некоторые только изучить и зафиксировать.
• Все знания об этом отражаются на так называемых диаграммах состояния — графиках, демонстрирующих характер взаимодействия компонентов при разных температурах и взаимных концентрациях.

На диаграмме можно увидеть образование неограниченной растворимости компонентов, механическую смесь или химическое соединение. Выбрали нужное соотношение и температуру, и вуа-ля, все сведения есть. Видим критические точки и фазовый состав. Это как график, только запутанный.

Есть и более сложные состояния, о которых мы в этом выпуске говорить не будем.

Физика процесса кристаллизации в сплаве

Мы переплавляем два компонента в одной емкости с целью изготовить металлический сплав. Погрузили туда компонент один и компонент два. Расплавили. Довели до жидкого состояния. Что такое жидкость с точки зрения физики?

1. Это неупорядоченный набор частиц — атомы в хаотичном состоянии, находящиеся на определенном расстоянии друг от друга.
2. Если в таком состоянии встретятся разные жидкости, то их атомы перемещаются в одну единую смесь (опять смотрим на рисунок 1 чуть выше).
3. Пока оно остается жидким, всё просто и понятно.
4. Теперь начнем охлаждать эту адовую смесь.
5. Поидее, все вещества должны вернуться к своей конфигурации.

Но мы устроили дестрой и растопили все решетки твердых тел исходных компонентов, которые поместили в чашу для плавления. Получили рисунок 1. Теперь это каша.

При охлаждении такой каши каждое из веществ будет стараться проявить свои свойства.

Будет пытаться образоваться кристаллическая решетка каждого из компонентов.

Одна решетка начнет формироваться, а другая — ещё нет. Свободные частички в расплаве начнут взаимодействовать с уже сформированной структурой. Делать они могут это по-разному — куда-то приклеиться, где-то зафиксироваться.

Мы получим или растворимость одного в другом (так называемый твердый раствор), или механическую смесь, или химическое соединение одного компонента с другим.

Что такое твердый раствор

Название ужасное, но всё просто. Мы имеем факт пересечения одной кристаллической решетки компонента 1 с частицами от другой компонента 2.

В жидком состоянии всё растворилось и частицы компонентов перемешались друг с другом.

Когда система начнет остывать, постепенно начнут формироваться и новые решетки. Начнет формироваться решетка первого компонента, а частички второго компонента начнут занимать место в её узлах, как люди в автобусе. По принципу кто быстрее. На деле всё, конечно же, посложнее.

• Выходит, что атомы одного элемента залезут в решетку другого элемента и образуется новая решетка, содержащая как частицы одного компонента, так и другого.
• Таким образом, твердыми растворами называют сплавы, в которых атомы растворимого компонента располагаются в кристаллической решетке компонента растворителя.
• При этом возможны следующие варианты:

• твёрдые растворы внедрения
• замещения
• вычитания

Внедрение — это когда в имеющуюся решетку одного компонента проникла частица другого компонента. Между всеми частицами появилось взаимодействие и образовался новый материал с новыми свойствами.

Твёрдый раствор замещения образуется в том случае, когда частички при затвердевании обмениваются с частичками в других решетках своим местоположением.

Более редкий случай — твердый раствор вычитания. Когда частички ушли со своих позиций, а на смену им ничего не пришло и сохранилась вакантная позиция.

Что такое химическое соединение

Более интересный случай — образование химического соединения. Возможен этот случай при соблюдении стехиометрии. Или одного и второго компонентов в жидком виде было ровно столько, что они способны создать химическое соединение, или прореагировать. Помимо количества, конечно же, важна и способность к реакции.

Как это представить на практике?

Как смешивание двух вариантов раствора для желе в жидком виде. Смешали апельсиновую основу и яблочную основу, дали образоваться желе и получили новый вкус.

Образовалось новое стойкое вещество с определенными ярко выраженными свойства, если желаете.

В итоге получим новый материал, или новый сплав, содержащий (иногда) интерметаллиды, карбиды, нитриды и другие стойкие соединения.

Что такое механическая смесь

Это один из самых не очевидных вариантов. По логике такая штука должна развалиться на куски в руках или рассыпаться, как сахар после намокания.

Такая штука образуется, если компоненты не могут образовать твёрдый раствор (нет растворимости) и не могут стать совместным новым химическим соединением.

При охлаждении такого расплава выпадают кристаллы одного компонента и кристаллы второго компонента. Ключевое слово ОДНОВРЕМЕННО. Затем они слепляются в общую структуру, но чем-то общим не являются. Нет (как вариант) такой прочности, как у хим.соединения.

Казалось бы, схема никуда не годная и сравнивать свойства такого сплава со сплавом, имеющим химическое соединение, бесполезно. Но мы никогда не говорим слово «плохо». Мы всегда говорим подходит или нет.

Так, тот же чугун, имеющий в своей структуре чистый графит, имеет отличные антифрикционные свойства, смазывая сам себя графитом при истирании.

Как получают сплавы

Теперь остается ещё один вопрос.

Как можно получить сплав? Ну один способ мы уже рассмотрели. Нужно переплавить всё в одной емкости и получить новый сплав литейным способом. Сделать отливку, в процессе кристаллизации которой и образуется новый материал.

Но можно ещё использовать методы порошковой металлургии. Смешать порошки исходных компонентов друг с другом, спрессовать, а затем обработать высокой температурой. В процессе спекания образуется новый сплав.

Есть и другие более сложные и менее распространенные способы — например, осаждение из растворов или напыление. Так или иначе, каждый из способов должен обеспечивать обозначенный выше принцип — дать перемешаться компонентам как следует и образовать собственно то, что мы называем сплавом.

Пару слов о том, от чего зависят свойства сплава

Свойства готового сплава зависят не только от химического состава, но и от условий их получения. Например, однородность готового сплава зависит от скорости охлаждения застывающего расплава.

На этом, наверное всё.

Обязательно подпишитесь на наш канал, чтобы не пропустить новые интересные статьи!

Что такое сплав? Какие существуют их виды, как их классифицируют?

Что такое сплав? Какие существуют их виды, как их классифицируют? добавить в закладки

Сплав – это однородный материал, который состоит из двух и более металлических компонентов. Они могут включать неметаллы. Наиболее значимы для производства сплавы, включающие высокий процент железа и алюминия.

Какие бывают сплавы?

На данный момент существует множество сплавов, которые применяются во всех отраслях производства. Сплавы классифицируются по различным признакам.

По способу изготовления

1. Литые получают с помощью кристаллизации смешанных расплавов.
2. Порошковые получают прессованием смеси порошков с последующим спеканием.

По методам получения

1. Литейные (чугун).
2. Деформируемые (сталь).
3. Порошковые (сплавы, полученные из порошков и керамики).

Характеристики сплавов

Для всех сплавов характерны блеск, проводимость тепла и электрического тока, пластичность и др.

Структура металлов определяет различные свойства:

• природа и количество металлов и неметаллов в сплавах (плотность, температура плавления и испарения и др.);
• отдельные свойства металлов.

Характеристики сплавов классифицируются на химические и механические. Химические отражают отношения к воде, воздуху и другим активным средам, а механические – к внешним силам.

Виды сплавов металлов

В природе металлы в чистом виде не существуют. В производстве используются различные виды сплавов.

1. Сталь. Сталь – гомогенная смесь на железной основе, которая содержит до 2,14 % углерода. Из нее изготавливают промышленные установки, технику, инструменты и др. Для него характерна особенная прочность и упругость.
2. Чугун. Чугун – сплав на железной основе (содержание углерода – до 3,5 %). Это хрупкий материал по сравнению со сталью. Он используется в областях, где необходимо переносить огромные нагрузки.
3. Ферриты. Ферриты – сплавы с высоким содержанием углерода.

   Их используют в изготовлении трансформаторов, катушек индуктивности и других изделий.

4. Латунь. Латунь – смесь на медной основе, которая содержит до 48-50 % цинка. Она не подвергается коррозии. Ее используют при машиностроении.
5. Цинковые сплавы.

   У сплавов из цинка небольшая температура плавления и устойчивость к коррозии. Цинковые сплавы применяются в производстве машин, вычислительной техники и других областях. Они обладают антифрикционными свойствами.

6. Титановые сплавы. Титан – довольно редкий элемент в природе.

   Титановые сплавы обладают высокой прочностью, небольшим удельным весом и устойчивостью к различным разрушающим средам и нагреваниям.

7. Алюминиевые сплавы. Сплавы из алюминия применяются во многих отраслях благодаря долговечности материала, устойчивости к отрицательным температурам и доступности.

   Но у них есть один недостаток – низкая термостойкость. Алюминиевые сплавы применяются в производстве вооружений, а также в изготовлении электротехники и электроники. Высокая проводимость и низкая намагничиваемость позволяют изготавливать из них телефоны, компьютеры, планшеты, смартфоны и другую технику.

8. Медные сплавы.

   Медными сплавами называют различные марки латуни. Если в смеси 8-10 % цинка, то латунь считается красной, а если 30-40 %, то желтой. Латунь хорошо обрабатывается, поэтому часто используется для изготовления небольших деталей с большой точностью. Шестеренки в знаменитых швейцарских часах изготовлены именно из латуни.

   Из латуни также изготавливают различные декоративные изделия. В сплав иногда добавляют кремний. Полученный материал называют кремнистой бронзой. Он обладает большой прочностью. Из него изготавливали мечи спартанцы. Мембраны и листовые пружины изготавливаются из медных сплавов, в которых кремний заменяет фосфор. 

9. Твердые сплавы.

   Твердые сплавы практически не изнашиваются при эксплуатации. Они сохраняют свойства при температуре в 1100˚С. Из твердых сплавов изготавливают режущие инструменты, измерительное и горное оборудование, детали и узлы атомных и химических реакторов и другие изделия.  

Металлоемкость

Многие металлы подвержены коррозии, т. е. самопроизвольному разрушению в результате внешнего воздействия. Из-за коррозии предприятия могут нести убытки.

Это связано не только с высокой агрессивностью технологических сред и с жесткими условиями эксплуатации оборудования, но также с большой металлоемкостью оборудования.

Металлоемкость – это количество металла, которое расходуется на создание какого-либо металлического изделия.

Таким образом, сплавы применяются практически во всех отраслях производств. Однородные смеси из металлов обладают высокой прочностью и надежностью. Они классифицируются по различным признакам, что позволяет повысить эффективность применения сплавов. Список сплавов металлов пополняется с каждым годом.

Сплавы, их классификация и свойства

Существует несколько способов классификации сплавов:

• по способу изготовления (литые и порошковые сплавы);
• по способу получения изделия (литейные, деформируемые и порошковые сплавы);
• по составу (гомогенные и гетерогенные сплавы);
• по характеру металла – основы (черные –основа Fe, цветные – основа цветные металлы и сплавы редких металлов – основа радиоактивные элементы);
• по числу компонентов (двойные, тройные и т.д.);
• по характерным свойствам (тугоплавкие, легкоплавкие, высокопрочные, жаропрочные, твердые, антифрикционные, коррозионностойкие и др.);
• по назначению (конструкционные, инструментальные и специальные).

Свойства сплавов

Свойства сплавов зависят от их структуры.

Для сплавов характерны структурно-нечувствительные (определяются природой и концентрацией элементов, составляющих сплавы) и структурно-чувствительные свойства (зависят от характеристик основы).

К структурно-нечувствительным свойствам сплавов относятся плотность, температура плавления, теплоту испарения. тепловые и упругие свойства, коэффициент термического расширения.

Все сплавы проявляют свойства, характерные для металлов: металлический блеск, электро- и теплопроводность , пластичность и др.

Также все свойства, характерные для сплавов можно разделить на химические (отношение сплавов к воздействию активных сред – вода, воздух, кислоты и т.д.) и механические (отношение сплавов к воздействию внешних сил).

Если химические свойства сплавов определяют путем помещения сплава в агрессивную среду, то для определения механических свойств применяют специальные испытания.

Так, чтобы определить прочность, твердость, упругость, пластичность и другие механические свойства проводят испытания на растяжение, ползучесть, ударную вязкость и др.

Основные виды сплавов

Широкое применение среди всевозможных сплавов нашли различные стали, чугун, сплавы на основе меди, свинца, алюминия, магния, а также легкие сплавы.

Стали и чугуны – сплавы железа с углеродом, причем содержание углерода в стали до 2%, а в чугуне 2-4%. Стали и чугуны содержат легирующие добавки: стали– Cr, V, Ni, а чугун – Si.

Выделяют различные типы сталей, так, по назначению выделяют конструкционные, нержавеющие, инструментальные, жаропрочные и криогенные стали. По химическому составу выделяют углеродистые (низко-, средне- и высокоуглеродистые) и легированные (низко-, средне- и высоколегированные). В зависимости от структуры выделяют аустенитные, ферритные, мартенситные, перлитные и бейнитные стали.

Стали нашли применение во многих отраслях народного хозяйства, таких как строительная, химическая, нефтехимическая, охрана окружающей среды, транспортная энергетическая и другие отрасли промышленности.

В зависимости от формы содержания углерода в чугуне — цементит или графит, а также их количества различают несколько типов чугуна: белый (светлый цвет излома из-за присутствия углерода в форме цементита), серый (серый цвет излома из-за присутствия углерода в форме графита), ковкий и жаропрочный. Чугуны очень хрупкие сплавы.

Области применения чугунов обширны – из чугуна изготавливают художественные украшения (ограды, ворота), корпусные детали, сантехническое оборудование, предметы быта (сковороды), его используют в автомобильной промышленности.

Сплавы на основе меди называют латунями, в качестве добавок они содержат от 5 до 45% цинка. Латунь с содержанием от 5 до 20% цинка называется красной (томпаком), а с содержанием 20–36% Zn – желтой (альфа-латунью).

Среди сплавов на основе свинца выделяют двухкомпонентные (сплавы свинца с оловом или сурьмой) и четырехкомпонентные сплавы (сплавы свинца с кадмием, оловом и висмутом, сплавы свинца с оловом, сурьмой и мышьяком), причем (характерно для двухкомпонентных сплавов) при различном содержании одинаковых компонентов получают разные сплавы. Так, сплав, содержащий 1/3 свинца и 2/3 олова — третник (обычный припой) используется для пайки трубо- и электропроводов, а сплав, содержащий 10-15% свинца и 85-90% олова – пьютер, ранее применялся для отливки столовых приборов.

Сплавы на основе алюминия двухкомпонентные – Al-Si, Al-Mg, Al-Cu. Эти сплавы легко получать и обрабатывать. Они обладают электро- и теплопроводностью, немагнитны, безвредны в контакте с пищевыми, взрывобезопасны.

Сплавы на основе алюминия нашли применение для изготовления легких поршней, применяются в вагоно-, автомобиле- и самолетостроении, пищевой промышленности, в качестве архитектурно-отделочных материалов, в производстве технологических и бытовых кабелепроводов, при прокладке высоковольтных линий электропередачи.

Примеры решения задач