Сплавы и их виды кратко

Обновлено: 30.06.2024

В процессе сплавления металлы изменяют свои физико-химические свойства. Этими знаниями люди обладают с давних времен. К примеру, 5 тысяч лет назад наши предки освоили технологию изготовления бронзы, которая заключается в сплаве олова и меди. В результате полученный бронзовый сплав приобретает большую твердость по сравнению с теми металлами, которые входят в его состав.

Чистые металлы не обладают нужными свойствами. В связи с этим практически во всех сферах хозяйственной деятельности применяют их сплавы. Такой материал является результатом затвердения двух или более расплавленных веществ.

Сплав — является макроскопически однородной смесью металлов, в состав которой входит два и более химических элементов с преобладанием металлических компонентов.

основа в виде одного или более металлов;
малые примеси из легирующих и модифицирующих компонентов.

В процессе получения из материала удаляют следующие примеси:

природные;
технологические;
случайные.

Сплавы часто применяют в качестве конструкционных материалов. Особым спросом пользуются соединения, в основу которых входят железо и алюминий. В технической отрасли используется свыше 5 тысяч сплавов.

Кроме металлов, сплав может включать в состав вещества, которые являются неметаллами. В качестве примера можно привести углерод и кремний. Путем смешивания металлов и неметаллов в определенных соотношениях получают множество материалов, обладающих неодинаковыми эксплуатационными качествами и полезными свойствами.

Отличия сплава от начальных компонентов могут заключаться в следующих характеристиках:

большая механическая прочность и твердость;
повышенная или пониженная температура плавления;
устойчивость к коррозийным процессам;
стабильность при высокотемпературном воздействии;
сохранение формы и размеров во время нагрева или охлаждения.

К примеру, железо в чистом виде является достаточно мягким металлом. Если в расплав железа добавить углерод, то его твердость значительно увеличивается. В зависимости от концентрации углерода различают следующие сплавы железа:

сталь (меньше 2,7% углерода от общей массы);
чугун (более 2,7% углерода в общей массе).

Свойства стали меняют не только путем добавления углерода. С помощью примесей хрома повышают устойчивость стали к коррозии. За счет вольфрама увеличивается твердость материала, благодаря марганцу, сталь становится устойчивой к износу, ванадий повышает прочность сплава.

Классификация сплавов, какие бывают разновидности

В зависимости от метода получения сплавы бывают:

Литые сплавы являются продуктом кристаллизации расплавленных компонентов в смеси. Порошковые сплавы получают в процессе прессования порошкового состава, который затем спекают в условиях высокой температуры. В данном случае составными компонентами могут являться простые вещества и сложные соединения, измельченные в порошок, к примеру, карбиды вольфрама или титана.

Исходя из технологии получения заготовки (изделия), сплавы классифицируют на следующие виды:

литейные (к примеру, чугуны, силумины);
деформируемые (например, стали);
порошковые сплавы.

Сплавы в твердом агрегатном состоянии бывают таких типов, как:

гомогенные (однородные, однофазные — состоят из кристаллитов одного типа);
гетерогенные (неоднородные, многофазные).

Роль основы сплава играет твердый раствор, то есть матричная фаза. Фазовый состав гетерогенного сплава определяется его химическим составом. Составными компонентами могут быть следующие материалы:

твердые растворы внедрения;
твердые растворы замещения;
химические соединения (включая карбиды, нитриды, интерметаллиды);
кристаллиты простых веществ.

Примеры решения задач по сплавам

Одним из способов решения задач по химии на сплавы является использование стандартного алгоритма:

Составление таблицы, в которой требуется указать общую и чистую массы каждого компонента. Как правило, данная информация представлена в условии задания. Неизвестные величины принято обозначать за х и у .
Запись системы уравнений. В процессе соединения сплавов их массы суммируют. Необходимо учитывать общую массу исходных сплавов и чистую массу каждого вещества, которые входят в их состав. Записанную систему требуется решить.
Когда система решена, и неизвестные найдены, следует обратиться к условиям задачи и записать корректно ответ.

Данный способ решения задачи можно рассмотреть на практических примерах.

Предположим, что имеется определенное количество бронзы, которая состоит из меди и олова в разных соотношениях. В одном бронзовом куске 1/12 часть олова. Его сплавили с другим куском, который содержит 1/10 часть олова. В результате получен сплав, содержащий 1/11 часть олова. Требуется определить вес второго куска, если известно, что вес первого составляет 84 к г .

В первую очередь необходимо составить таблицу, обозначив за х массу второго куска:

Далее следует перейти к составлению системы уравнений. Согласно условиям задачи, третий сплав состоит из 1/11 части олова. Таким образом, масса чистого вещества равна:

1 / 12 * 84 + 1 / 10 * х = 1 / 11 * ( 84 + х )

7 + х / 10 = 84 / 11 + х / 11

х / 10 – х / 11 = 7 / 11

По заданию требовалось вычислить вес второго куска. Он равен 70 кг. Можно записать ответ.

Допустим, что имеются два сплава меди со свинцом. Первый сплав состоит на 15% из меди, а второй — на 65% из меди. Нужно вычислить массу каждого сплава, которые необходимы для получения 200 г сплава, состоящего на 30% из меди.

Первым шагом является составление таблицы. Предположим, что первый сплав по массе равен х, а второй — у. Остальную информацию можно взять из условий задачи:

Согласно условиям задания, третий сплав обладает массой 200 г . Таким образом:

Концентрация меди в третьем сплаве равна 30%. Масса чистого вещества составит:

Далее следует составить уравнение с использованием массы чистого вещества из таблицы:

0 , 15 х + 0 , 65 у = 0 , 3 ( х + у )

Затем можно решить систему уравнений:

0 , 15 ( 200 – у ) + 0 , 65 у = 0 , 3 * 200

30 – 0 , 15 у + 0 , 65 у = 60

По заданию требовалось рассчитать массы первого и второго сплава. Запишем ответ.

Ответ: 140 г и 60 г .

Первый сплав содержит 70% меди. Второй сплав состоит из меди на 40%. Требуется определить соотношения сплавов, необходимых для получения нового сплава, который содержит 50% меди.

Обозначив за х массу первого сплава, массу второго сплава приняв за у , можно составить таблицу:

Так как содержание меди в третьем сплаве равно 50%, масса чистого вещества составит:

Данное уравнение можно приравнять с массой чистого вещества в составе третьего сплава. Информация представлена в таблице. Таким образом:

0 , 7 х + 0 , 4 у = 0 , 5 ( х + у )

0 , 7 х + 0 , 4 у = 0 , 5 х + 0 , 5 у

По заданию необходимо рассчитать отношение первого и второго сплавов в третьем сплаве.

Задачи на сплавы можно решать без составления таблицы. При этом также требуется обозначить неизвестные величины за х и у , чтобы составить и решить с их помощью системы уравнений. В качестве примера рассмотрим несколько типичных задач.

Есть два сплава, в состав которых входят серебро и медь. Первый сплав включает в состав 10% серебра. Второй сплав на 25% состоит из серебра. Требуется рассчитать, сколько килограмм второго сплава потребуется соединить с 10 к г первого сплава для получения сплава, содержащего 20% серебра.

Буквой х можно обозначить массу второго сплава, которую требуется найти. За у можно принять массу полученного сплава. Масса серебра в первом сплаве:

10 % · 10 к г = 0 , 1 · 10 к г = 1 к г

Масса серебра во втором сплаве:

25 % · x = 0 , 25 x

Масса серебра в полученном сплаве:

Таким образом, получена система уравнений для поиска х:

10 + x = y 1 + 0 , 25 x = 0 , 2 y ⇒ 10 + x = y 1 + 0 , 25 y = 0 , 2 ( 10 + x ) ⇒ ⇒ 10 + x = y 1 + 0 , 25 x = 2 + 0 , 2 x ⇒ 10 + x = y 0 , 25 x - 0 , 2 x = 2 - 1 ⇒ 10 + x = y 0 , 05 x = 1 ⇒ y = 30 x = 20

В результате при добавлении 10 кг 10% сплава, 20 кг 25% сплава получается 30 кг 20% сплава.

Дано два сплава. Первый сплав состоит на 10% из никеля. Содержание никеля во втором сплаве равно 30%. Данные сплавы используют для получения третьего сплава, масса которого составляет 200 кг. Содержание никеля в третьем сплаве равно 25%. Необходимо вычислить разницу между массами первого сплава и второго сплава.

Согласно условиям задания:

m 1 + 3 m 1 = 200

Масса первого сплава меньше, чем масса второго на 100 кг.

Содержание меди в первом сплаве равно 10%. Второй сплав на 40% состоит из меди. Второй сплав тяжелее, чем первый на 3 кг. Данные сплавы использовали для получения третьего сплава с содержанием меди 30%. Требуется определить массу третьего сплава.

Величину m 2 можно заменить на:

10 20 = m 1 m 1 + 3

1 2 = m 1 m 1 + 3

Третий сплав по массе равен:

m 3 = m 1 + m 2 = 9 .

Способы использования сплавов

Свойства, которые характерны для металлов и сплавов, определяются структурой материалов, то есть кристаллической структурой фаз и микроструктурой. Макроскопические свойства сплавов зависят от микроструктуры и в любом случае отличны от свойств их фаз, которые в свою очередь определяются лишь кристаллической структурой.

Макроскопическая однородность многофазных (гетерогенных) сплавов обеспечена равномерным распределением фаз в металлической матрице. Сплавы способны проявлять свойства металлов, к примеру:

электропроводность;
теплопроводность;
отражательную способность в виде металлического блеска;
пластичность.

Самой важной характеристикой сплавов является свариваемость.

Классификация сплавов в зависимости от назначения:

конструкционные;
инструментальные;
специальные.

В числе конструкционных следующие сплавы:

Конструкционные сплавы могут иметь особые свойства, в том числе искробезопасность, антифрикционные свойства. К таким материалам относят:

Подшипники заливают из баббита. В изготовлении измерительных и электронагревательных приборов применяют манганин и нихром. Режущие инструменты производят из победита. Широкое применение в промышленности нашли следующие виды сплавов:

жаропрочные;
легкоплавкие;
коррозионностойкие;
термоэлектрические;
магнитные;
аморфные.

К прочности и простоте обработки сплавов, которые используют при изготовлении конструкций, предъявляют высокие требования. В сферах строительства и машиностроения активно применяют сплавы железа и алюминия. Сталь отличается высокими прочностными характеристиками и хорошей твердостью. Материал легко подвергается таким обработкам, как:

Из чугунов изготавливают массивные и высокопрочные детали. К примеру, в прошлом чугун использовали для отливки радиаторов центрального отопления, канализационных трубопроводов. В настоящее время сплав применяют в производстве котлов, перил, мостовых опор. Чугунные изделия получают литьем.

Алюминиевые сплавы для производства конструкций обладают не только прочностью, но и легким весом. Дюралюминий и силумин применяют в сборке самолетов, вагонов, судоходного транспорта. Для изготовления определенных узлов авиатранспорта подходят легкие и устойчивые к высоким температурам сплавы магния.

В ракетостроении используют титановые сплавы, которые обладают необходимой легкостью и термостойкостью. С целью повышения ударопрочности, стойкости к износу и коррозии сплавы легируют, то есть добавляют к ним особые модификаторы. Например, марганец повышает механическую прочность стали. Сделать сталь нержавеющей можно путем введения в сплав хрома.

Инструментальные сплавы используют в производстве:

режущих инструментов;
штампов;
деталей точных механизмов.

Инструментальные сплавы отличаются высокой износоустойчивостью и механической прочностью. При высокотемпературном воздействии такие материалы сохраняют стабильность прочностных характеристик. В качестве примера можно привести нержавеющие стали, которые подвергают специальной обработке, то есть закаляют.

Процесс, когда к сплавам добавляют модификаторы, называют легированием. Инструментальные стали обычно легируют с помощью следующих добавок:

Сплавы являются незаменимым ресурсом в производстве приборов с высокой точностью и чувствительностью. Материалы используют для изготовления разных датчиков и преобразователей энергии. К примеру, сердечники трансформаторов и деталей реле производят из никелевых сплавов. Некоторые компоненты электродвигателей состоят из сплавов кобальта.

Сплав никеля с хромом называют нихромом. Материал обладает высоким сопротивлением, что является полезным свойством для нагревательных элементов печей и бытовых электроприборов. Медные сплавы, в том числе, латунь и бронза, нашли широкое применение в электротехнике и приборостроении.

Из латуни производят приборы с запорными кранами. Подобные устройства используют в сборке систем газоснабжения и водоснабжения. Бронзы необходимы для производства пружин и пружинящих контактов.

Легкоплавкие сплавы отличаются низкой температурой плавления. Данное свойство является полезным в процессе пайки микросхем. Легкоплавкие материалы соответствуют строгим требованиям к плотности, прочности на разрыв, химической инертности, теплопроводности. Такие сплавы получают из следующих металлов:

Легкоплавкие сплавы используют в производстве термодатчиков, термометров, пожарной сигнализации. В качестве примера можно привести сплав Вуда. Материалы нашли широкое применение в литейном деле для выплавки моделей, фиксации костей и протезирования в медицине. Сплав натрия с калием применяют в качестве теплоносителя для охлаждения ядерных реакторов.

Чистые драгоценные металлы редко подходят для изготовления ювелирных украшений. Это связано с их высокой стоимостью, специфическими свойствами. Придать изделиям из золота большую твердость и износоустойчивость позволяет сплав с другими металлами. Поэтому, например, помощью серебра снижают температуру плавления, а медь повышает твердость материала.

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

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

По методам получения

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

Характеристики сплавов

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

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.

Из-за низких механических свойств чистые металлы как конструкционные материалы в машиностроении находят ограниченное применение по сравнению со сплавами.

Сплав — это конструкционный материал, полученный путем сплавления нескольких химических элементов (металлов и неметаллов) и обладающий свойствами, присущими основному сплавляемому элементу.

Металлический сплав может быть получен не только сплавлением химических элементов, но и такими способами, как спекание, электролиз, диффузия, плазменное напыление, возгонка и др. Конструкционный материал, полученный не сплавлением, называется псевдосплавом. Если сплав имеет в своем составе 50 % металла и более, то он называется металлическим сплавом.

Металлический сплав имеет более высокие механические и технологические свойства по сравнению с неметаллическим сплавом. Химические элементы, образующие сплав, называются компонентами.

По своему составу сплавы могут быть двухкомпонентными (металл + металл, металл + неметалл), трех- и более компонентными. Внутреннее строение сплавов определяется формой связи между компонентами.

Двухкомпонентные сплавы при нагревании (охлаждении) в силу особенностей взаимодействия друг с другом ведут себя неадекватно и, в связи с этим, имеют различное физическое строение и свойства.

К промышленным сплавам, которые находят широкое применение, относятся:

чугун и сталь — сплавы железа с углеродом;
латунь — сплав меди с цинком;
бронза — сплав меди с оловом и др.

Сплавы имеют атомно-кристаллическое строение, обладают аллотропией (полиморфизмом) и, по сравнению с чистыми металлами, более высокими механическими и технологическими свойствами.

Форма металлической связи сплавляемых химических элементов влияет на образование структуры сплава, их атомно-кристаллическую решетку.

Фазы. Сплавам, так же как и чистым металлам, характерно атомно-кристаллическое строение. Сплав в твердом состоянии может иметь различную связь атомно-кристаллических решеток. Жидкое или твердое состояние химических компонентов, образующих сплав при определенной температуре и давлении, называется системой.

Однородная часть системы, отделенная от других частей условной границей (линией), называется фазой.

Жидкая фаза характеризуется тем, что атомные кристаллические решетки сплавляемых компонентов распадаются и компоненты растворяются друг в друге или не растворяются и присутствуют в сплаве самостоятельно. Эта закономерность присуща многим сплавам.

Твердая фаза — это однородная часть сплава с определенными атомно-кристаллическим строением и массовой долей сплавляемых компонентов. Атомные решетки сплавляемых компонентов взаимодействуют в строго определенном порядке. Атомные решетки химических элементов, образующих сплав в твердом состоянии, образуют мелкие кристаллы — структуры.

В зависимости от внутреннего строения сплавов и металлической или химической связи между сплавляемыми элементами сплавы подразделяются на две группы:

однородные сплавы;
неоднородные сплавы.

Однородные сплавы имеют общие атомные кристаллические решетки, в которые входят атомы сплавляемых компонентов.

Неоднородные сплавы имеют самостоятельные кристаллические решетки сплавляемых компонентов.

По характеру взаимодействия сплавляемых компонентов в твердой фазе различают механические смеси, твердые растворы и химические соединения.

Механическая смесь сплавляемых компонентов А и Б (рис. 1, а) образуется тогда, когда атомные кристаллические решетки сохраняются и не вступают в химическую реакцию с образованием какого-либо нового соединения. Связь между атомными решетками осуществляется за счет металлической связи. Механическая смесь сплава будет неоднородного типа, т. е. сплавляемые компоненты А и Б в сплаве будут самостоятельными и чередоваться между собой в зависимости от их соотношения.

Рис. 1. Схематическое изображение структуры сплава: а — механическая смесь; б — твердый раствор (I — раствор замещения; II — раствор внедрения); в — химическое соединение; А, Б — сплавляемые компоненты

Свойства механической смеси зависят от свойств сплавляемых компонентов А и Б. Как правило, эти микроструктуры имеют относительно высокую твердость, прочность, ударную вязкость, хорошо обрабатываются резанием.

Твердые растворы в зависимости от взаимодействия атомов подразделяются на твердые растворы внедрения и твердые растворы замещения (рис. 1, б ).

На рис. 1, б, I показана атомно-кристаллическая решетка твердого раствора замещения. Атомно-кристаллическая решетка основного компонента А в форме объемно-центрированного куба (девять атомов) сохранилась, но три атома этого компонента замещены атомами сплавляемого компонента Б.

На рис. 1, б, II показана атомно-кристаллическая решетка твердого раствора внедрения. При этом виде образования сплава атомно-кристаллическая решетка основного компонента А сохраняется. Атомно-кристаллическая решетка сплавляемого компонента Б разрушается, и его отдельные атомы внедряются в пространство атомно-кристаллической решетки основного компонента А. Таким образом, в атомно-кристаллической решетке твердого раствора внедрения девять атомов, как в основном компоненте А, плюс два-три атома компонента Б.

Твердые растворы по своим свойствам наиболее близки к свойствам основного компонента. Они имеют низкую твердость, высокую плотность, ударную вязкость, прочность, хорошо деформируются в холодном и горячем состоянии. Микроструктура большинства конструкционных и инструментальных сталей представляет собой твердые растворы внедрения и замещения.

Химические соединения сплава образуются тогда, когда атомно-кристаллические решетки сплавляемых компонентов А и Б распадаются. Отдельные атомы этих компонентов образуют новые атомные решетки, которые по своему типу, форме и числу атомов отличаются от атомно-кристаллических решеток сплавляемых компонентов.

Химические соединения в сплаве образуются при строго определенном массовом соотношении сплавляемых компонентов А и Б. Например, химическое соединение углерода с железом образуется при массовой доле углерода, равной 6,67 %.

Свойства химических соединений также резко отличаются от свойств сплавляемых компонентов. Химические соединения, как правило, очень твердые, хрупкие, тугоплавкие, имеют мелкозернистую или игольчатую микроструктуру. На рис. 1, в показана атомно-кристаллическая ячейка химического соединения углерода с железом. Это сложная ромбическая пространственная атомно-кристаллическая решетка, состоящая из атомов железа и атомов углерода (компонентов А и Б).

В практике чаще всего в сплаве наблюдается смесь нескольких соединений (микроструктур), например механическая смесь химического соединения и твердого раствора или механическая смесь двух твердых растворов.

Диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов. Любое изменение химического состава сплава влечет за собой изменение физических параметров: температуры, давления и структуры. Изменение этих параметров на границах фаз происходит скачкообразно или замедленно.

В практике металловедения для определения температур, давления, структуры и взаимодействия сплавляемых компонентов применяют графики — диаграммы состояния сплавов. Для этого нагревают (охлаждают) сплав в закрытом тигле с помощью термопары, по прибору наблюдают поведение этого сплава и по наблюдениям строят соответствующие графики.

На диаграммах состояния отображаются только условия, когда сплав имеет постоянные параметры, — равновесие, поэтому в научной литературе диаграммы состояния также называют диаграммами равновесия. В связи с тем что сплавляемые компоненты (металлы и неметаллы) обладают аллотропией, при нагревании (охлаждении) в сплавах происходят аллотропные изменения. Аллотропные изменения можно наблюдать при лабораторных исследованиях с помощью термического метода, а иногда визуально (цвет сплава становится ярче или, наоборот, тускнеет, или длительное время остается постоянным).

Любое изменение в металле при нагревании (охлаждении) характеризуется определенной температурой, которая называется критической температурой. Критические температуры на прямой отражаются соответствующими точками, которые называются критическими точками. Если рассматривать любой металл или сплав в одном измерении (температура нагрева), то графическая характеристика будет отображена в виде вертикальной прямой, на которой указывают критические температуры (точки). Если состояние металла или сплава рассматривать в двух измерениях (температура нагрева (охлаждения) и время нагрева (охлаждения), то график будет изображен в двух координатах (ось ординат и ось абсцисс).

Для примера рассмотрим состояние чистого железа при нагревании и охлаждении. На рис. 2 приведены критические температуры чистого железа при нагревании (охлаждении). Железо имеет следующие критические точки (температуры): 768; 910; 1 392 и 1 539 °С. При температуре 910 °С Fе-α (α-железо) переходит в Fе-β (β-железо). При температуре 1 392 °С Fе-β переходит в Fe-γ (γ-железо). При температуре 1 539 °С Fe-γ начинает медленно расплавляться с поглощением энергии (температуры).

При всех критических температурах на диаграммах показаны задержки перекристаллизации (горизонтальные участки). При охлаждении железа процесс перекристаллизации происходит в обратном порядке.

Для двухкомпонентных сплавов диаграмма состояния — это графическое изображение состояния сплавов в двух измерениях: температура нагрева (охлаждения) и химический состав сплава (концентрация).

Рис. 2. Кривые нагрева и охлаждения железа: t — температура; τ — время

Температуру нагрева (охлаждения) откладывают по оси ординат, по оси абсцисс откладывают массовую долю сплавляемых компонентов (концентрация).

Для примера рассмотрим диаграмму состояния двухкомпонентного сплава свинец — сурьма (рис. 3). На оси абсцисс слева берем 100 % свинца (Pb), справа — 100 % сурьмы (Sb). Свинец и сурьма в жидком состоянии неограниченно растворяются друг в друге, в твердом состоянии — образуют механическую смесь сплавляемых компонентов.

При нагревании (охлаждении) сплава от твердого состояния до температуры плавления (а при охлаждении от жидкого состояния до температуры затвердевания) в сплаве происходит образование механических смесей (эвтектика) и расплавление при различных температурах.

Возьмем чистый свинец. При нормальной температуре и до температуры 245 °С в свинце никаких изменений внутреннего строения не происходит, и свинец будет иметь структуру Рb-α (α-свинец). При температуре 245 °С Рb-α перестраивается в Рb-β (β-свинец). Эта структура остается до температуры 327 °С.

При температуре 327 °С свинец начинает расплавляться. При расплавлении за счет поглощения энергии (температуры) температура свинца остается постоянной — 327 °С. При охлаждении свинца процесс происходит в обратном порядке.

Рис. 3. Кривые охлаждения и структуры (а, б, в, д, е), диаграмма состояния (г) сплавов свинец—сурьма: 1 — температура ликвидуса; 2 — температура солидуса; АВС — линия ликвидуса; DBE — линия солидуса; Ж — жидкость; Эвт. — эвтектика

При нагревании сурьмы до температуры 245 °С никаких изменений в металле не происходит. Структура сурьмы будет Sb-α (α-сурьма). При температуре 245 °С Sb-α переходит в Sb-β. При температуре 631°С сурьма начинает расплавляться. В связи с тем что при расплавлении происходит большое поглощение теплоты, температура расплавления сурьмы на 8 … 10 °С будет ниже. При охлаждении процесс идет в обратном порядке. Далее рассмотрим поведение типовых сплавов свинца и сурьмы: 95 % Рb + 5 % Sb; 87 % Рb + 13 % Sb; 60 % Рb + 40 % Sb. Для составления диаграммы состояния двухкомпонентного сплава свинец — сурьма строим кривые нагрева (охлаждения).

При нагревании (охлаждении) 100 % Pb (рис. 3, а) при температуре 327 °С на графике будет горизонтальный участок. При нагревании (охлаждении) сплава 95 % Рb + 5 % Sb (рис. 3, б) при температуре 245 °С на графике будет горизонтальный участок. Далее при нагревании (охлаждении) при температуре 300 °С будет перегиб кривой, при этой температуре сплав начнет расплавляться (при нагревании) или кристаллизоваться (при охлаждении). При нагревании (охлаждении) сплава 87 % Рb + 13 % Sb (рис. 3, в) при температуре 245 °С также будет горизонтальный участок. При этой температуре сплав начинает плавиться и заканчивает расплавление при температуре 245 °С.

При нагревании (охлаждении) сплава 60 % Рb + 40 % Sb (рис. 3, д) до температуры 245 °С в структуре сплава никаких изменений не происходит. При температуре 245 °С свинец начинает расплавляться — на графике будет горизонтальный участок. При дальнейшем нагревании (охлаждении) при температуре 350 °С сплав расплавляется (при нагревании) или начинает кристаллизоваться (при охлаждении).

При нагревании (охлаждении) 100 % сурьмы (рис. 3, е) до температуры 631 °С сплав будет иметь твердую фазу, и при температуре 631 °С на графике будет горизонтальный участок, сурьма начинает расплавляться. За счет поглощения энергии расплавление сурьмы происходит при температуре несколько ниже 631 °С.

Для наглядного изображения характеристики сплава свинец — сурьма строим следующий график. На оси ординат откладываем температуры нагрева (охлаждения) от нормальной температуры. На этой оси будем откладывать критические точки для 100 % свинца. На оси абсцисс откладываем массовую долю в сплаве свинца и сурьмы. Справа проводим ось температур для 100 % содержания сурьмы. Далее на оси ординат проектируем критические точки, полученные в результате нагрева рассмотренных ранее сплавов.

Как видим из графиков, первое фазовое изменение сплавов происходит при температуре 245 °С. Проводим горизонтальную прямую DE, соответствующую этой температуре. На оси температур свинца проектируем точку, соответствующую температуре 327 °С — температуре плавления чистого свинца. Полученную точку обозначим буквой А.

На оси температур сурьмы проектируем точку, соответствующую 631 °С — температуре плавления сурьмы. Полученную точку обозначим буквой С. На оси абсцисс из точки, соответствующей 87 % Рb и 13 % Sb, восстанавливаем перпендикуляр (пунктиром) до горизонтальной прямой DE (температура расплавления данного сплава). Точку А (критическую температуру 327 °С) на оси ординат соединяем с критической точкой, лежащей на горизонтальной прямой, соответствующей температуре плавления данного сплава (87 % Рb + 13 % Sb). Полученную точку обозначим буквой В.

На оси абсцисс из точки, соответствующей 95 % Рb и 5 % Sb, восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с отрезком АВ. В данной точке имеем критическую температуру 300 °С — температуру плавления (затвердевания) сплава 95 % Pb + 5 % Sb.

На оси абсцисс из точки, соответствующей 60 % Рb и 40 % Sb, восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с отрезком ВС, получаем точку, которая соответствует критической температуре 350 °С — плавления (затвердевания) сплава 60 % Pb + 40 % Sb.

Таким образом, мы получили диаграмму состояния двухкомпонентного сплава свинец — сурьма. Все сплавы Рb— Sb независимо от массовой доли компонентов до температуры 245 °C имеют твердую фазу — механическая смесь. Сплав по линии DВЕ начинает медленно расплавляться при нагревании и затвердевает при охлаждении. Эту линию называют линией солидуса (от лат. solidus — твердый).

По линии АВС сплавы расплавляются при нагревании, при охлаждении начинают медленно кристаллизоваться. Эта линия называется линией ликвидуса (от лат. liquidus — жидкий). Между линиями DBE и линией АВС сплавы находятся в полужидком состоянии. Сплав с 87 % Рb и 13 % Sb имеет самую низкую температуру плавления (затвердевания). Этот сплав, так же как и чистые металлы, плавится при одной температуре. Такие сплавы получили название эвтектических сплавов.

Эвтектика — мелкодисперсная механическая смесь двух компонентов, образовавшаяся при температуре плавления (кристаллизации), значительно ниже температуры плавления сплавляемых компонентов в процессе затвердевания. Левее эвтектики сплавы называются доэвтектическими, правее — заэвтектическими.

Рассмотрим фазовые состояния сплава свинец — сурьма. Выше линии АВС сплав находится в жидком состоянии (жидкая фаза), между линией АВ и DB — в полужидком (Pb + жидкость). Ниже лини DB сплав состоит из механической смеси свинца и эвтектики. Между линиями ВС и ВЕ сплав будет иметь полужидкую фазу и кристаллы сурьмы. Ниже линии ВЕ сплав будет состоять из механической смеси (эвтектика и сурьма).

Диаграмма состояния сплава Pb — Sb относится к типу диаграмм, в которых сплавляемые компоненты неограниченно растворяются в жидком состоянии и не растворяются в твердом состоянии, образуя механические смеси (эвтектика).

Анализируя диаграмму состояния сплавов, можно изучить следующие характеристики: температуру плавления (кристаллизации), виды структур сплавов, способность образовывать ликвацию, режимы термообработки и обработки давлением. При изучении диаграмм состояния двухкомпонентных сплавов следует обращать внимание на превращение компонентов сплавов в кристаллическом (твердом) состоянии.

В связи с этим различают следующие особенности аллотропных изменений сплавов (типовые диаграммы состояния):

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

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

Классификация однородности сплавов

Классификация

Металлурги классифицируют сплавы металлов по нескольким критериям:

метод изготовления:
- литые;
- порошковые;
технология производства:
- литейные;
- деформируемые;
- порошковые;
однородность структуры:
- гомогенные;
- гетерогенные;

Виды сплавов по их основе

черные (железо);
цветные (цветные металлы);
редких металлов (радиоактивные элементы);

двойные;
тройные;
и так далее;

тугоплавкие;
легкоплавкие;
высокопрочные;
жаропрочные;
твердые;
антифрикционные;
коррозионностойкие и др.;

конструкционные;
инструментальные;
специальные.

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

Металл, имеющий наибольшую массовую долю, называют основой.

Свойства сплавов

Свойства, которыми обладают металлические сплавы, подразделяются на:

Прочность-характеристика силы противостояния механическим нагрузкам и разрушению.
Твердость-способность к сопротивлению внедрению в материал твердых тел.
Упругость-возможность восстановить исходную форму тела после деформации, вызванной внешней нагрузкой.
Пластичность — свойство, обратное упругости. Определяет способность материала к изменению формы тела без его разрушения под приложенной нагрузкой и сохранения этой новой формы.
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.

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

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

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

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

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

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

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

Цинковые сплавы

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

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

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

Область применения титановых сплавов

Металлические сплавы на основе титана используются в следующих областях:

1. - аэрокосмическая;
  - химическая;
  - атомная;
  - криогенная;
  - судостроительная;
  - протезирование.
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. 1. - Литейные (с кремнием). Применяются для получения обычных отливок.
    - Для литья под давлением (с марганцем).
    - Увеличенной прочности, обладающие способностью к самозакаливанию (с медью).
  Основные преимущества соединений алюминия:
  1. 1. - Доступность.
      - Малый удельный вес.
      - Долговечность.
      - Устойчивость к холоду.
      - Хорошая обрабатываемость.
      - Электропроводность.
    Основным недостатком сплавных материалов является низкая термостойкость. При достижении 175°С происходит резкое ухудшение механических свойств.
    
    Еще одна сфера применения — производство вооружений. Вещества на основе алюминия не искрят при сильном трении и соударениях. Их применяют для выпуска облегченной брони для колесной и летающей военной техники.
    
    Весьма широко применяются алюминиевые сплавные материалы в электротехнике и электронике. Высокая проводимость и очень низкие показатели намагничиваемости делают их идеальными для производства корпусов различных радиотехнических устройств и средств связи, компьютеров и смартфонов.
    
    Слитки из алюминиевых сплавов
    
    Присутствие даже небольшой доли железа существенно повышает прочность материала, но также снижает его коррозионную устойчивость и пластичность. Компромисс по содержанию железа находят в зависимости от требований к материалу. Отрицательное влияние железа скомпенсируют добавлением в состав лигатуры таких металлов, как кобальт, марганец или хром.
    
    Конкурентом алюминиевым сплавам выступают материалы на основе магния, но ввиду более высокой цены их применяют лишь в наиболее ответственных изделиях.
    
    Медные сплавы
    
    Обычно под медными сплавами понимают различные марки латуни. При содержании цинка в 5-45% латунь считается красной (томпак), а при содержании в 20-35%- желтой.
    
    Благодаря отличной обрабатываемости резанием, литьем и штамповкой латунь — идеальный материал для изготовления мелких деталей, требующих высокой точности. Шестеренки многих знаменитых швейцарских хронометров сделаны из латуни.
    
    Латунь — смесь меди и цинка Медь и ее сплавы
    
    Малоизвестный сплав меди и кремния называют кремнистой бронзой. Он отличается высокой прочностью. По некоторым источникам, из кремнистой бронзы ковали свои мечи легендарные спартанцы. Если вместо кремния добавить фосфор, то получится отличный материал для производства мембран и листовых пружин.
    
    Это устойчивые к износу и обладающие высокой твердостью материалы на основе железа, к тому же сохраняющие свои свойства при высоких температурах до 1100 о С.
    
    В качестве основной присадки применяются карбиды хрома, титана, вольфрама, вспомогательными являются никель, кобальт, рубидий, рутений или молибден.
    
    Читайте также: