Сплави металів. Основні сплави металів. Властивості металів і сплавів
Металургія в нашому житті займає винятково важливу роль. Ні, далеко не кожен з нас належить до славного стану сталеварів, але ми щодня стикаємося з виробами з металів. Як правило, зроблені вони з найрізноманітніших сплавів. До речі, а що це таке?
Основні визначення
Взагалі сплави металів - це матеріали, отримані методом виплавки, при виробництві яких були використані два або більше металевих елемента (в хімічному сенсі), а також (опціонально) спеціальні присадки. Одним з перших матеріалів такого роду була бронза. До її складу входить 85% міді і 15% олова (80:20 в разі дзвонярській бронзи). В даний час існує декілька різновидів цього з'єднання, у складі яких взагалі немає олова. Але зустрічаються вони не так вже й часто.
Потрібно чітко розуміти, що сплави металів у більшості випадків утворюються взагалі без долі людини. Справа в тому, що отримати абсолютно чистий з хімічної точки зору матеріал можна тільки в лабораторії. У будь-якому металі, який використовується в побутових умовах, напевно, є сліди іншого елемента. Класичний приклад - золоті прикраси. У кожному з них є певна частка міді. Втім, в класичному розумінні під цим визначенням все одно розуміють з'єднання двох і більше металів, яке було цілеспрямовано отримано людиною.
Вся історія людини є відмінним прикладом того, як сплави металів виявилися здатні надати величезний вплив на розвиток всієї нашої цивілізації. Не випадково є навіть тривалий історичний період, який називається «Бронзовий вік».
Загальні характеристики сплавів металів
А зараз ми розглянемо загальні властивості металів і сплавів, якими ті характеризуються. Їх же дуже часто можна зустріти в спеціалізованій літературі.
Характеристика | Розшифровка |
Міцність | Здатність сплаву протистояти механічним навантаженням і противитися руйнування. |
Твердість | Властивість, яка визначає опірність матеріалу спробам запровадити в його товщу деталь з іншого сплаву або металу. |
Пружність | Здатність до відновлення початкової форми після додатки значного механічного зусилля, навантаження. |
Пластичність | Навпаки, це властивість, що характеризує можливість зміни форми і розміром під дією прикладеного зусилля, механічного навантаження. Крім того, це воно ж характеризує здатність деталі зберігати знову придбану форму протягом тривалого часу. |
В'язкість | - здатність металу чинити опір швидко зростаючим (ударним) навантаженням |
Ось якими якостями характеризуються сплави металів. Таблиця допоможе вам у них розібратися.
Відомості про виробництво
В принципі, в даний час під «сплавом» цілком може розумітися матеріал, в основі якого лежить тільки один хімічний елемент, але «розбавлений» цілим пакетом присадок. Найбільш поширений спосіб їх отримання, розплавлення до рідкого стану, мало змінився з глибокої давнини.
Наприклад, аналіз металів і сплавів показує, що стародавні індійці оволоділи дивним для свого часу рівнем обробки металу. Вони навіть почали створювати сплави з використанням тугоплавкого цинку, що і в наш час є досить-таки трудомісткою і складною процедурою.
На сьогоднішній день для цих цілей досить широко використовується також порошкова металургія. Особливо часто цим методом обробляють чорні метали та сплави на їх основі, так як в цьому випадку найчастіше потрібна максимальна дешевизна як самого процесу, так і продукції, що випускається.
Поширення сплавів в сучасній промисловості
Слід зауважити, що всі метали, які інтенсивно використовуються сучасною промисловістю, є саме сплавами. Так, більше 90% всього одержуваного в світі заліза йде на виготовлення чавунів і різних сталей. Пояснюється такий підхід до справи тим, що сплави металів у більшості випадків демонструють кращі властивості, ніж чим їх «прабатьки».
Так, межа плинності чистого алюмінію складає всього лише 35 Мпа. А от якщо в нього додати 1,6% міді, магнію і цинку в співвідношенні 2,5% і 5,6% відповідно, то цей показник може легко перевищити навіть 500 МПа. Крім іншого, можна значно поліпшити властивості електропровідності, теплопровідності або інші. Ніякої містики в цьому немає: у сплавах будова кристалічної решітки змінюється, що і дозволяє купувати їм інші властивості.
Простіше кажучи, кількість такого роду матеріалів в наші дні велике, але воно постійно продовжує зростати.
Основні класифікаційні відомості
Загалом-то, ніяких особливих складнощів тут немає: сполуки, в яких використані кольорові метали і сплави на основі заліза. Нижче ми розберемо обидві цих категорії на прикладі основних видів, а також обговоримо сфери їх застосування в сучасній промисловості та на виробництві.
Стали
Всі з'єднання заліза, що містять до 2% вуглецю, називаються сталями. Якщо в складі є хром, ванадій або молібден, то їх називають легованими. З цими матеріалами ми стикаємося постійно, щодня і щогодини. Кількість сталей на сьогоднішній день таке, що одне їх перерахування могло б зайняти не надто тонку книгу.
Ми вже говорили, що механічні властивості металів і сплавів сильно відрізняються, але в разі цих матеріалів нерідко протилежними якостями володіють навіть різні види сталей, чому сфери їх застосування сильно розходяться.
Якщо в матеріалі менше 0,25% вуглецю, то він використовується в якихось технічних конструкціях. Якщо ж у стали більше 0,55% вуглецю, то вона ідеально підходить для виробництва різних високоякісних ріжучих інструментів, у тому числі різців для токарних верстатів, свердел і хірургічних приладдя. Але якщо мова йде про пристосування, які застосовуються для швидкого різання, то на їх виробництво йде виключно легована сталь.
Чавун
Якщо в сплаві заліза міститься більше 3-4% вуглецю, то він називається чавуном. Крім того, його важливим елементом є кремній. З чавуну виготовляється маса деталей і готових виробів. Приміром, блоки двигунів для автомобілів. У разі якісно зробленої виливки без порожнин і каверн, виріб володіє вражаючою механічною міцністю. У цьому зв'язку варто згадати хоча б гармати 14-15 століття, які нерідко витримували трьох-чотириразове збільшення порохового заряду.
Звичайно ж, застосування металів і сплавів ніколи не обмежувалося виключно військової галуззю, але часто виходило так, що саме ця галузь промисловості постійно знаходила нові методи обробки металу, рухаючи вперед всю цивілізацію.
Мідні сплави
Найчастіше під цим терміном розуміються різні сорти латуні. Це такі сплави міді, в яких міститься від 5 до 45% цинку. Якщо його вміст коливається в межах 5-20%, то це червона латунь (томпак). Якщо ж у матеріалі міститься вже 20-36% Zn, то це - жовта латунь.
Ці матеріали ідеальні в разі необхідності виробництва і формування дрібних деталей. Маловідоме, але сплав міді з кремнієм носить назву кремнистої бронзи і володіє великою механічною міцністю. Практично тим же характеризується фосфористая різновид (до міді додається 5% олова і деяка кількість фосфору). Як і в попередньому випадку, відрізняється високою міцністю і пружинистими якостями, а тому ідеальна для виготовлення мембран і різного роду пружин.
Сплави свинцю
Взагалі кольорові метали і сплави - нероздільно пов'язані поняття, бо з найдавніших часів люди уміли виплавляти багатоскладові матеріали, які з успіхом використовували у військовому і мирному справі. Особливо це відноситься до свинцю, зі сплавів якого ще римляни робили водопроводи і каналізації. Звичайно, вони не знали про токсичні властивості цього металу, але їм імпонувала простота його обробки.
Найбільш відомий нині звичайний припій, який виготовляється з однієї частини свинцю і двох частин олова. Як видно з назви, він використовується для пайки деталей. Застосовується в радіотехніці та інших технічних галузях. З сурми і свинцю роблять сплави, які використовуються для виготовлення оболонок різного роду кабелів.
Давно відомо, що сполуки цього металу з кадмієм, вісмутом або оловом можуть плавитися приблизно при температурі 70 градусів за шкалою Цельсія. Саме тому сьогодні з них роблять різні запобіжники в системах автоматичного пожежогасіння.
Як не дивно, але свинець здавна був відомий кухарям і рестораторам, так як з нього нерідко робили столовий посуд і прилади. Сплав, який використовувався для цього, називається пьютер. До його складу входить приблизно 85-90% олова. Решта 10-15% як раз-таки займає свинець (стандартний сплав двох металів).
Техніки також напевно знайомі з бабітом. Це також сполуки на основі свинцю, до складу яких також входить олово, а також миш'як і сурму. Ці сплави вельми отруйні, але через деяких особливих якостей їх активно використовують в підшипникової галузі промисловості.
Про легких сплавах
Як ми вже говорили, властивості металів і сплавів відрізняються тим, що у другому в багатьох випадках характеристики вище. Особливо це помітно у відношенні сучасної промисловості. В останні роки їй потрібна величезна кількість легких сплавів, які володіють підвищеною механічною міцністю, а також стійкістю до впливів несприятливих факторів зовнішнього середовища і високій температурі.
Найчастіше для їх виробництва використовується алюміній, берилій, а також магній. Особливо затребувані з'єднання на основі алюмінію і магнію, так як сфера їх можливого застосування надзвичайно широка.
Сплави на основі алюмінію
Як ми вже говорили, без них сучасну промисловість уявити собі рішуче неможливо. Судіть самі: сплави алюмінію активно застосовуються в авіаційній, космічній, військовій, науково-інженерної та інших галузях. Без алюмінію неможливо уявити собі виробників сучасної побутової та мобільної техніки, так як корпуси з цього металу все частіше використовуються сучасними флагманами цих галузей.
Якими вони бувають?
Діляться сплави алюмінію відразу на три великі групи:
- Ливарні (Al - Si). Особливо широко вони поширені в автомобілебудуванні і військової промисловості.
- Сплави, призначені для лиття під тиском (Al - Mg).
- З'єднання підвищеної міцності, самогартівних (Al - Cu).
Переваги і недоліки цього матеріалу
Багато сплави з цього матеріалу економічні, порівняно недорогі і досить довговічні, так як не піддаються корозії. Відрізняються високою міцністю в умовах екстремально низьких температур (аерокосмічні галузі) і вельми простим процесом обробки. Для їх формування не потрібно особливо складного і дорогого обладнання, так як вони порівняно пластичні і в'язкі (дивіться таблицю з характеристиками).
На жаль, але є у них і свої недоліки. Так, при температурах вище 175 ° С механічні властивості алюмінію і сплавів на його основі починають стрімко погіршуватися. Зате завдяки наявності амальгами на їх поверхні (захисної плівки з гідроксиду алюмінію) вони володіють видатною стійкістю до дії агресивних хімічних середовищ, в тому числі кислот і лугів.
Вони мають відмінну електропровідність і теплопровідність, немагнітних. Вважається, що вони абсолютно нешкідливі для здоров'я людини, а тому їх можна використовувати для виробництва харчової посуду для їдалень. Втім, останні дослідники медиків все ж говорять про те, що сполуки алюмінію в деяких випадках можуть провокувати розвиток хвороби Альцгеймера.
Військові полюбили ці матеріали за те, що вони не дають іскор навіть при різких механічних впливах і ударах. Крім того, вони відмінно поглинають ударні навантаження. Простіше кажучи, деякі ці сплави металів (склад яких найчастіше засекречений) активно використовуються для виробництва легкої броні для оснащення їй різноманітних БТР, БМП, БРДМ та іншої техніки.
Завдяки всім цим властивостям сплави на основі повсюдно використовують для виробництва поршнів для двигунів внутрішнього згоряння, а також у виробництві будівельних конструкцій (стійкість до корозії). Широко використовується алюміній і матеріали на його основі у виробництві відбивачів для світлотехнічних уявлень, електропроводки, а також для виготовлення корпусів різноманітної техніки (Не намагничивается).
Важливо зауважити, що навіть у теоретично чистому алюмінії деколи міститься значна домішка заліза. Воно може сприяти більш високої механічної міцності матеріалу, але його присутність робить сплав на основі алюмінію сильно схильним корозійних процесів. Крім того, сплав значною мірою втрачає свою пластичність, що також не дуже добре в більшості випадків.
Послабити негативну дію домішок заліза допомагає кобальт, хром або марганець. Якщо ж до складу сплаву входить літій, то виходить вельми міцний і пружний матеріал. Не дивно, що таке з'єднання користується великою популярністю в авіакосмічній промисловості. На жаль, але сплави літію з алюмінієм мають неприємну властивість, яка знову-таки виражається в поганій пластичності.
Підіб'ємо деякі підсумки. Виходить, що основні сплави металів у космонавтиці, авіації та інших високотехнологічних галузях, мають у своєму складі алюміній. Загалом-то, саме так і йдуть справи на сьогоднішній день, але нерідко в сучасній промисловості використовується магній та його сплави.
Сплави магнію
Вони мають вкрай невисоку масу, а також характеризуються вельми вражаючою міцністю. Крім того, саме ці матеріали чудово підходять для ливарної промисловості, а заготовки чудово піддаються токарної і фрезерувальної обробці. А тому їх активно використовують у виробництві ракет та авіаційних турбін, корпусів приладів, дисків автомобільних коліс, а також деяких сортів броньовий сталі.
Деякі різновиди цих сплавів відрізняються чудовими показниками вязкостного демпфірування, а тому вони йдуть на виробництво деталей і конструкцій, яким доводиться працювати в умовах екстремально високого рівня вібрацій.
Переваги і недоліки магнієвих сплавів
Вони досить м'які, порівняно непогано чинять опір зносу, але відрізняються не дуже вражаючою пластичністю. Зате вони відрізняються прекрасною пристосованістю до формування в умовах високих температур, відмінно пристосовані для з'єднання з використанням усіх існуючих різновидів зварювань, а також можуть бути з'єднані за допомогою болтових з'єднань, клепки і навіть склеювання.
На жаль, але всі ці сплави не відрізняються особливою стійкістю до дії кислот і лугів. Вкрай негативно на них впливає довге перебування в морській воді. Втім, магнієві сплави на подив стабільні в умовах повітряного середовища, так що багатьма їхніми недоліками можна знехтувати. Якщо ж потрібно надійно захистити такі деталі від дії корозії, то застосовують нанесення хромового покриття, анодування або подібні ж методи.
Їх можна плакованих за допомогою нікелю, міді або хрому, попередньо занурюючи в розплав хімічно чистого цинку. При такій обробці різко зростають показники їх міцності і стійкості до стирання. Потрібно нагадати, що магній є досить-таки активним з хімічної точки зору металом, а тому при роботі з ним необхідно дотримуватися хоча б базові заходи безпеки.
Таким чином, виробництво металів і сплавів є ключовою особливістю сучасної промисловістю. З кожним роком люди винаходять все більше способів отримання нових матеріалів, так що незабаром ми напевно одержимо абсолютно неймовірні сполуки, які будуть поєднувати в собі корисні властивості відразу декількох груп матеріалів і хімічних елементів.
