Чем сплавы лучше металлов

Здравствуйте, друзья! Сегодня я предлагаю рассмотреть некоторые металлы и их сплавы. Постараемся в этой статье охватить все возможности и характеристики металлов и выделим основные их достоинства и качества.

Металлы и их сплавы

[su_note note_color=»#535353″ text_color=»#fff»]Примечание: основным материалом при изготовлении различных изделий является металл. В зависимости от химических и физических качеств, которыми он наделен, металл используется практически во всех видах изделий и работ.[/su_note]

Железо

Железо не считается древним открытием человека. Его начали производить только в 13 веке до нашей эры. Постепенно оно заслуживало все больше значения не только в производстве, но и в деле постройки дома, и др. различных строений.

Без железа и изделий из него, сейчас трудно представить любую хозяйственную и строительную деятельность, хотя справедливости ради надо заметить, что прогресс не стоит на месте, и все чаще железо заменяется различными видами пластика. Но как бы там не было, есть случаи когда его не заменит ничто.

Хотя как знать, прогресс такая штука…

Итак, обычно в работах по металлу применяется не чистое железо, а сплавы – чугун или сталь.

Сплав железа с углеродом

Сплав железа с содержанием углерода, превышающего 2% — есть чугун.
[su_note note_color=»#535353″ text_color=»#fff»]Примечание: Известно несколько видов чугуна: антифрикционный (АЧС), жаростойкий (ЖЧЮ, ЖЧС, ЖЧХ), высокопрочный (ВЧ), ковкий (КЧ), белый (БЧ) и серый (СЧ).[/su_note]

Определение марки стали по искре

Чугун почти не поддается обработке (и уж тем более сверлению), отличается высокой хрупкостью. Применение чугуна весьма ограничено (чаще его используют при литье, всем например известны старые, «добрые» чугунные отопительные батареи).

Сплав железа с содержанием менее 2% углерода – это сталь. Она различается по количеству содержания в себе углерода.

Малоуглеродистый сорт стали (углерод не превышает 0,3%) больше годится для чеканки или ковки вручную, поэтому её ещё называют поделочной. Этот сорт стали превосходно поддается сварке и соответствует высокой стадии ковкости. Плохо поддается закаливанию лишь особо низкоуглеродистая сталь (меньше 0,1% углерода).

Средне-углеродистый сорт стали (сочетает до 0,85% углерода) применяется для производства большинства метало-изделий. Т.н. конструкционная сталь. Отлично поддается закаливанию и ковке, но очень плохо поддаются сварке.

Высоко-углеродистая сталь (сочетание углерода достигает до 1,35%) является самой твердой, и применяется для производства частей механизмов и инструментов, подверженных высокому износу. Эта сталь практически не куется и плохо поддается сварке.

Сталь для разных поделок выпускается в виде заготовок, на производствах. Но выгоднее использовать ее детали, которые пришли в негодность. Чтобы узнать к какому сорту стали относится деталь, есть много различных методов определения.

К примеру, если надпилить напильником стальную деталь, раскалить её до красна и резко остудить в воде. И если при повторном надпиливании, чувствуется легкость – это малоуглеродистая сталь. При затруднении – проценту углерода больше. Можно определить сорт стали и по искрам от наждачного круга. Но это сможет определить уже достаточный специалист.

Существуют специальные таблицы по которым довольно точно можно узнать марку, и даже содержание добавок в стали.

Профили металлов, металлосырье

[su_note note_color=»#535353″ text_color=»#fff»]Элементарными профилями металлов считаются прокат, трубы, листы, проволока и стержни разных сечений.[/su_note]

Листовой металл делится на тонко-листовой и толсто-листовой.

Края листового металла лучше всего обработать стругом, полученным из использованного ножовочного полотна. Абразивным трехгранным бруском вытачиваем в полотне угловой вырез – струг готов.

Стальные трубы производятся бесшовными (цельнотянутые) или сварные (внахлестку). Первые известны как газовые или паровые трубы.

Удобнее всего резать жестяную трубу – консервным ножом. Заход делаем обычной ножовкой.

Трубы из чугуна обычно используются в водо-канализационных системах.

Проволока имеет три (основные) и более видов сечений — квадратное, круглое или прямоугольное. Ее поверхность может быть омедненная, луженая, оцинкованная или неизолированная. Также может быть упругой либо мягкой.

Стержни производятся круглого, шестигранного, квадратного или плоского сечения.

Искусство самостоятельного приготовления легких сплавов могут стать очень полезным. Самое главное не допустить перегрева металла.

Самые распространенные виды металлов и сплавов являются: —медь, бронза, латунь, алюминий, цинк, свинец, олово, хром, никель, нейзильбер и мельхиор.

 Легкие сплавы

Для поделок как правило используется чистая медь (то есть красная), или различные легкие сплавы.

Красная медь особо подходит для чеканки, она очень ковкая, легко обрабатывается различными хим. веществами, для получения разных оттенков цвета. Кроме того она прекрасно шлифуется и полируется, характеризуется высоким сопротивлением к коррозии.

Минусом же красной меди является её плохая свариваемость (необходимы особые электроды для сварки) и быстрое окисление на открытых воздушных массах, отчего её первоначальный блеск теряется.

[su_note note_color=»#535353″ text_color=»#fff»]Примечание: При контакте меди с воздухом, она окисляясь принимает темно-красный оттенок. А под воздействием влаги покрывается характерным зеленым цветом – патиной.[/su_note]

Медные заготовки (пруты)

Бронзу получают при сплавлении олова с медью. Заготовки из нее более твердые и прочные, чем из самой меди. Бронза отлично годится для литья и ковки. Готового сплава бронзы, вы вряд ли найдете в продаже. Поэтому мастера чаще производят ее сами.

Листы бронзы и латуни в рулонах

Латунь – есть сплав меди и цинка. В кузнечных делах её используют с отдельными легирующими элементами: алюминием, никелем, свинцом и т. п.

Латунь лучше полируется и режется, нежели красная медь. Она прекрасно покрывается золотом, серебром, никелем. Но латунь в пластичности уступает меди.

[su_note note_color=»#535353″ text_color=»#fff»]На заметку: Марка латуни квалифицируется разным процентом содержания красной меди – Л72 – 72%, Л66 – 66%. Для поделочных заготовок рекомендуется применять сплавы с наибольшим содержанием меди.[/su_note]

Алюминий – легкий, мягкий металл светло-серебристого цвета. Его плотность в три раза ниже чем у стали. Алюминий, а в частности его сплавы (высокопрочный конструкционный, технический деформированный, дюралюминий и пр.), которые широко используются в легкой промышленности, отлично обрабатываются в обычных условиях.

Цинк имеет серебристо-голубой оттенок. При воздействии с кислородом покрывается матовой пленкой, она предохраняет металл от коррозии. Цинк очень полезен для защиты различных черных металлов от коррозии, и в этом он чаще всего применяется (т.н. «оцинковка» — например всем известные водосточные трубы, оцинкованный металл автомобилей, и т.д.).

Цинк в чушках

Свинец – мягок, пластичен и в то же время тяжелый металл. Устойчив к воздействию кислот. Как правило используется для производства легкоплавких припоев, и в электрохимической промышленности.

Олово – пластичный и мягкий металл светло-серебристого цвета. Используется для образования антикоррозийных покрытий. Устойчив к пищевым кислотам и потому широко используется при изготовлении крышек, консервных банок и пр.

Хром – металл светло-синего цвета. Обладает превосходными антикоррозийными свойствами и высокой твердостью. Эффективность изделий из стали или чугуна покрытых хромом, существенно возрастает.

Никель – светло-серебристый металл. Но в отличие от хрома имеет нежный желтоватый оттенок. Более устойчив к воздействиям агрессивных сред. Как и хром имеет широкое использование для защиты декоративных покрытий металлов – так называемая никелировка.

Нейзильбер и мельхиор образуется путем сплавления меди и никеля. Присутствия меди в них достаточно высоко – 82% и 66% соответственно. Из-за этого они отличаются хорошей пластичностью.

Во время обработки уксусного свинца и гипосульфата натрия, дают разные оттенки. Поверхности данных металлов прекрасно полируются и несут ряд других важных особенностей.

На этом заканчиваю статью про металлы и их сплавы.

Разница между металлом и сплавом

В ключевое отличие между металлом и сплавом заключается в том, что металл представляет собой чистое вещество, тогда как сплав представляет собой смесь двух или более компонентов.

Мы можем разделить все элементы на металлы и неметаллы на основе определенных характеристик. Металлы имеют блеск, и они хорошо проводят тепло и электричество. Когда мы полируем металлы, они также хорошо отражают свет.

Однако не только металлы, но и их твердые смеси, а именно сплавы, очень полезны для человечества. Для обычного человека нет разницы между металлом и сплавом, но между ними есть много различий, и мы выделим их в этой статье.

1. Обзор и основные отличия 2. Что такое металл 3. Что такое сплав 4. Параллельное сравнение — металл и сплав в табличной форме

5. Резюме

Что такое металл?

Металл — это материал, обладающий металлическими свойствами. Это означает, что металлы имеют блеск и хорошо проводят тепло и электричество. Кроме того, если мы полируем поверхность, они также будут хорошими отражателями света.

Кроме того, большинство металлов пластичны и пластичны. Более того, они более плотные, чем неметаллы. В большинстве случаев эти материалы имеют более высокие плотности и температуры плавления и кипения.

Ковкость и пластичность металлов позволяют им деформироваться под нагрузкой без раскалывания.

Кроме того, металл может иметь три основных кристаллических структуры;

1. Телоцентрированная кубическая структура
2. Гранецентрированная кубическая структура
3. Гексагональная плотноупакованная структура

Прежде всего, металлы склонны к образованию катионов. Они образуют катионы, теряя электроны со своих крайних атомных орбиталей. Следовательно, большинство металлов могут образовывать оксиды при реакции с кислородом в нормальном воздухе. Однако есть некоторые металлы, которые вообще не вступают в реакцию с воздухом из-за их высокой стабильности.

Что такое сплав?

Сплав — это вещество, состоящее из двух или более компонентов, смешанных с металлом. Следовательно, он также имеет металлические свойства. Кроме того, сплав может иметь фиксированный или переменный состав.

С учетом цели, мы делаем сплавы, чтобы улучшить существующие свойства металла или придать металлу новые свойства. В основном, цель производства сплавов — сделать их менее хрупкими, твердыми, устойчивыми к коррозии или иметь более желаемый цвет и блеск.

Более того, можно изменить свойства сплава в соответствии с требованиями, варьируя добавки или легирующие материалы.

Слово легирование стало обозначать процесс, который приводит к образованию сплавов. На протяжении веков люди использовали железо, считая его очень прочным. Но это было образование стали; его сплав, который дал миру один из самых прочных конструкционных материалов. Кроме того, существует два основных типа сплавов: сплавы замещения и сплавы внедрения.

Взглянем на пример стали; это сплав, состоящий в основном из железа и небольшого количества углерода, процентное содержание которого варьируется от 0,2% до 2% в зависимости от марки сплава. Мы знаем о прочности и долговечности стали, которая намного больше, чем железо, которое мягче стали.

Таким образом, очевидно, что путем легирования мы можем получить более качественные материалы и, что немаловажно, со свойствами, отличными от свойств ингредиентов сплава.

Кроме того, железо — это тот металл, который делает многие сплавы, помимо стали, с такими веществами, как марганец, хром, ванадий, вольфрам и т. Д.

Металл — это материал с металлическими свойствами, тогда как сплав — это вещество, состоящее из двух или более компонентов, смешанных с металлом. Следовательно, это основное различие между металлом и сплавом.

Более того, металлы являются чистыми веществами, если только они не вступают в реакцию с воздухом и водой, но сплав всегда представляет собой смесь двух или более компонентов. Следовательно, металл — это природное вещество, а сплав — это искусственное вещество.

Еще одно различие между металлом и сплавом заключается в том, что, в отличие от чистых металлов, сплав нелегко вступает в химические реакции с воздухом и водой, поэтому мы склонны использовать сплавы в автомобильных колесах, а не чистый металл.

Резюме — металл против сплава

Металлы — очень важные вещества, которые мы используем в повседневной жизни. Сплав — это подкатегория металла. Ключевое различие между металлом и сплавом заключается в том, что металл представляет собой чистое вещество, тогда как сплав представляет собой смесь двух или более компонентов.

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.

https://www.youtube.com/watch?v=OCK7WuHbXfEu0026t=166s

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

Виды металла: классификация и сферы применения

Металлурги классифицируют сплавы металлов по нескольким критериям:

1. метод изготовления:
2. порошковые;
3. технология производства:
4. деформируемые;
5. порошковые;
6. однородность структуры:
   • гомогенные;

   гетерогенные;

Виды сплавов по их основе

7. вид металла – основы:
8. цветные (цветные металлы);
9. редких металлов (радиоактивные элементы);
10. количество компонентов:
11. тройные;
12. и так далее;
13. физико-химические свойства:
14. легкоплавкие;
15. высокопрочные;
16. жаропрочные;
17. твердые;
18. антифрикционные;
19. коррозионностойкие и др.;
20. предназначение:
21. инструментальные;
22. специальные.

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

  Для безопасности и комфорта – перила из металла

Металл, имеющий наибольшую массовую долю, называют основой.

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).

Примеры решения задач

Свойства сплавов

Свойства, которыми обладают металлические сплавы, подразделяются на:

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

    Механические, определяемые взаимодействием с другими физическими телами.

Механические свойства

12. Основными характеристиками сплавных материалов, влияющими на их пригодность для применения в той или иной инженерной конструкции, являются:
    Прочность-характеристика силы противостояния механическим нагрузкам и разрушению.
13. Твердость-способность к сопротивлению внедрению в материал твердых тел.
14. Упругость-возможность восстановить исходную форму тела после деформации, вызванной внешней нагрузкой.
15. Пластичность — свойство, обратное упругости. Определяет способность материала к изменению формы тела без его разрушения под приложенной нагрузкой и сохранения этой новой формы.
16. Вязкость — способность сопротивляться быстро возрастающим (ударным) нагрузкам

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

Основные виды сплавов

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

https://www.youtube.com/watch?v=OCK7WuHbXfEu0026t=238s

Сталь — это вещество на основе железа, содержащее не более 2,4% углерода, применяется для изготовления деталей и корпусов промышленных установок и бытовой техники, водного, наземного и воздушного транспорта, инструментов и приспособлений. Стали отличаются широчайшим диапазоном свойств.

Общие из них — прочность и упругость. Индивидуальные характеристики отдельных марок стали определяются составом легирующих присадок, вводимых при выплавке. В качестве присадок используется половина таблицы Менделеева, как металлы , так и неметаллы.

Самые распространенные из них — хром, ванадий, никель, бор, марганец, фосфор.

Легированная сталь

Если содержание углерода более 2,4% , такое вещество называют чугуном. Чугуны более хрупкие, чем сталь. Они применяются там, где нужно выдерживать большие статические нагрузки при малых динамических.

Чугуны используются при производстве станин больших станков и технологического оборудования, оснований для рабочих столов, при отливке оград, решеток и предметов декора. В XIX и в начале XX века чугун широко применялся в строительных конструкциях.

До наших дней в Англии сохранились мосты из чугуна.

Чугунные радиаторы

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

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

Желтая латунь

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

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

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

Распространенные металлы

• Летающим металлом в природе является алюминий. Общеизвестным можно назвать и тот факт, что именно этот металл наиболее распространен на всей планете. Его доля по массе в земной коре составляет 8,6 процентов.
• Наиболее распространенным сплавом из металлов считается дюралюмин. Именно он берется за основу при создании крыльев для фюзеляжей и самолетов. Известным является и то, что оболочка первого искусственного спутника на Земле была сконструирована из такого сплава алюминия. Его применяют и при строительстве, и в промышленных целях.
• Самый редкий и дорогой металл в мировом пространстве — калифорний. Его можно создать лишь очень дорогостоящим искусственным способом, и в начале 21 века учёные в конце концов сумели воссоздать только 10 граммов калифорния.
• Самый прочный в мире металл — титан.

Золото

Золото — это благородный металл, который не подвергается ни ржавлению, ни потускнению. Он не образует оксидную пленку на собственной поверхности при контактировании с другими веществами, такими как воздух, вода, крем для рук. Другие же металлы сталкиваются с таким.

Если верить исследованиям геологов, то практически все золото на Земле возникло на фоне времен метеоритных штормов, которые происходили больше 2 миллиардов лет назад. Есть предположения о том, что данные метеориты были сформированы после столкновения звезд несколько миллиардов лет назад. По такой причине золото добывается на всех земных континентах.

Франклин Рузвельт в 1933 году смог подписать интересное распоряжение 6102, которое запрещало гражданам Соединенных Штатов Америки копить золото. Если человек того времени владел золотом, то его штрафовали в размере 10 тыс долларов.

https://www.youtube.com/watch?v=OCK7WuHbXfEu0026t=310s

Читай также: Интересные факты о водопаде Виктория, его расположение, происхождение, описание

Золоту всегда приписывались магические и лечебные свойства. Так, во времена средневековья «золотой лист» использовали в качестве украшения приготовленных блюд и напитков на пир, чтобы показать, насколько богаты хозяева. Тогда считалось, что если съесть этот «золотой лист», то удастся сильно оздоровиться и набраться дополнительных жизненных сил и энергии.

Золото всегда ассоциировалось у людей с первенством, победой и достижениями. В связи с этим золотыми медалями награждают при присуждении Нобелевской премии за наиболее выдающиеся научные открытия.

Но, не каждая присвоенная золотая медаль сделана из чистого золота. Так, Олимпийское золото не считается таковым: медали для призеров вылиты из серебра, после чего их покрывают тоненьким слоем золота.

Китай является одним из крупнейших потребителей золота во всем мировом пространстве, и его доля составляет 30% мирового спроса на ювелирные изделия из данного металла. Индия занимает второе место по количеству потребления золота в мире.

В 1869 году золотоискатели в Австралии смогли найти самородок золота, который стал рекордом по весу металла — 72 кг. Величина данного самородка составляла 31х63,5 см.

Народами мира золото используется даже при приготовлении пищи. Так, население Древней Индии имело верование касательно того, что потребление такого металла способно раскрыть в человеке левитационные возможности.

В странах Азии этот металл использовался в качестве приправы для десертов. Золото добавлялось к напиткам. Начиная с 16-го века сусальное золото помещалось и в дорогие горячительные напитки, такие как Goldschlager и Danziger Goldwasser.

В мировом океане прячется около 10 млрд тонн золота. В свою очередь встречается золото на всех континентах земного шара. Добыча такого драгоценного металла активно развито и считается, что больше 80% ископаемого все еще внедрено в землю.

В древние времена большое количество золота добывали в Нубии. Там рабы, которые считались искателями данного металла, сильно страдали и мучились, а знать тем временем называла золото божественным металлом.

Серебро

Люди начали использовать серебро еще до наступления нашей эры. Так, в Сардинии этот благородный металл добывался и обрабатывался еще в эпоху раннего энеолита.

При комнатной температуре серебро имеет способность проведения электричества. И эта способность в нем лучше, нежели в любом другом металле, известном человечеству.

• Серебро обладает практически стопроцентным коэффициентом светового отражения.
• Рукотворная смена погоды либо «разгон туч», стала возможной именно за счет применения йодистого серебра, что распылялся с летящего самолета.
• Совместно с едой человек каждый день получает примерно 0,1 мг серебра.
• В человеческом организме присутствует самое большее количество серебра и расположено оно в нейронах головного мозга.

В Японии серебро использовалось при создании кондиционеров. Эти охлаждающие приборы не только освежали, но и очищали воздух в помещении.

Передозировка серебра способна оказать на организм человека токсическое воздействие. В данной ситуации могут быть разрушенными молекулы ДНК.

Ртуть

Ртуть считается достаточно тяжелым металлом, потому что она имеет огромную плотность. Так, к примеру, 1 литр ртути обладает массой, составляющей примерно 13,6 килограммов.

Ртуть не будет совместимой только с 2 типами металла: железом и платиной. С остальными же видами металлических соединений она замечательно совмещается и позволяет воссоздать смешение сплавов с собственным участием.

Когда-то давно металлическая ртуть использовалась при лечении заворота кишок. Нов результате таких необычных опытов удалось выяснить, что эффективность подобного способа лечения приближена к нулю, а риск разрыва желудка — к 10 из всех возможных.

Ртуть принимает активное участие при переработке нефти. Так, при помощи данного металлического соединения возможно отрегулировать оптимальную температуру для такого непростого процесса.

Медь и кобальт

Люди начали добывать и выплавлять медь приблизительно 5-6 тысяч лет назад.

Если верить доказательствам польских ученых, то в водоеме с присутствием меди, рыба вырастает намного больше привычных размеров. В ставках и речках, где данного металла нет, в воде развивается грибок и плесень.

1. Акулы не переносят присутствие меди в воде.
2. Средняя норма употребления меди для взрослого человека составляет порядком 0,9 миллиграммов.
3. Читай также: Интересные факты о жизни Михаила Шолохова, биография, личная жизнь, творчество

Медь является одним из металлов, который активно перерабатывается и применяется повторно. В среднем в мире перерабатывают приблизительно 80% всего объёма меди.

  Уход за украшениями из меди и латуни.

• Больше всего меди в организме человека есть в печени.
• С помощью методики спектрального анализа ученым удалось установить присутствие кобальта в атмосфере Солнца, а также в атмосферах разных звезд.
• Кобальт имеется в составе всем известного витамина В12.

В 1960-х годах соли кобальта применяли некоторые пивоварни. Это помогало им стабилизировать пену. Люди, которые на постоянной основе выпивали больше 4 литров пива за сутки, получали серьёзные побочные эффекты, связанные с работой сердца.

В отдельных случаях это приводило к смерти.

Железо

Когда люди только научились добывать железо и обрабатывать его, оно по цене было дороже золота.

Если нагреть железо до температуры 2862 градуса, то оно имеет способность испаряться. При этом данный металл станет жидким при нагревании до 1538 градусов.

1. В организме среднестатистического взрослого человека имеется примерно 5 граммов железа.
2. Если из человеческого организма убрать всё железо, то человек быстро умрет, потому что без этого элемента кровь не способна переносить кислород.
3. В речной воде железа содержится в 100-1000 раз больше, нежели в море.
4. Недостаток железа в организме испытывает примерно 2 млрд человек в мире.

Цинковые сплавы

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

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

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

Область применения титановых сплавов

Металлические сплавы на основе титана используются в следующих областях:

1. химическая;
2. атомная;
3. криогенная;
4. судостроительная;
5. протезирование.

Применение в ювелирном деле

Применение в чистом виде драгоценных металлов в ювелирном деле не всегда оправдано и целесообразно из-за их дороговизны, физических и химических особенностей.

Для придания ювелирным изделиям из золота большей твёрдости и износостойкости используются сплавы с другими металлами. Самая лучшая добавка — это серебро (понижает температуру плавления) и медь (повышает твёрдость).

Чистое золото используют очень редко, так как оно слишком мягкое, легко деформируется и царапается.

Из смеси золота с 10–30 % других благородных металлов (платины или палладия) изготавливают форсунки лабораторных приборов, а из соединений с 25–30 % серебра — ювелирные изделия и электрические контакты.

Алюминиевые сплавы

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

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

Алюминиевые сплавы подразделяют на:

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

Основные преимущества соединений алюминия:

1. Малый удельный вес.
2. Долговечность.
3. Устойчивость к холоду.
4. Хорошая обрабатываемость.
5. Электропроводность.

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

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

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

Слитки из алюминиевых сплавов

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

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