Что такое сплавы реферат

Обновлено: 02.07.2024

Сплавы – это смеси двух или более элементов, среди которых преобладают металлы. Металлы, входящие в сплав, называют основой. Часто в сплав добавляют элементы неметаллы, придающие сплавам особые свойства, их называют легирующими или модифицирующими добавками. Среди сплавов наибольшую значимость имеют сплавы на основе железа и алюминия.

Классификация сплавов

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.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Государственное бюджетное образовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №225 Адмиралтейского района Санкт-Петербурга

Школа БИОТОП Лаборатории непрерывного математического образования

Выполнил ученик

Серебренников Данила Андреевич

Учитель химии:

Санкт-Петербург

Цель: Узнать что такое сплавы их виды и свойства.

Сплавы – это материалы с металлической кристаллической решеткой, обладающие характерными свойствами и состоящие из двух и более компонентов.

Сплавы состоят из основы одного или нескольких металлов, малых добавок ,специально вводимых в сплав легирующих и модифицирующих элементов, а также из неудалённых примесей . Сплавы являются одним из основных конструкционных материалов. Среди них наибольшее значение имеют сплавы на основе железа и алюминия. В технике применяется более 5 тыс. сплавов.

№ 3. Свойства сплавов.

Свойства металлов и сплавов полностью определяются их структурой кристаллической структурой фаз и микроструктурой. Макроскопические свойства сплавов определяются микроструктурой и всегда отличаются от свойств их фаз, которые зависят только от кристаллической структуры. Макроскопическая однородность многофазных сплавов достигается за счёт равномерного распределения фаз в металлической матрице. Сплавы проявляют металлические свойства, например: электропроводность и теплопроводность, отражательную способность металлический блеск и пластичность. Важнейшей характеристикой сплавов является свариваемость.

В глубокой древности люди заметили, что в большинстве случаев сплавы обладают другими, нередко более полезными для человека свойствами, чем составляющие их чистые металлы. Помимо большей прочности многие сплавы обладают большей коррозионной стойкостью и твёрдостью, лучшими литейными свойствами, чем чистые металлы. Помимо более высоких механических качеств сплавам присущи свойства, которых нет у чистых металлов.

№ 4. Виды сплавов.

По способу изготовления сплавов различают литые и порошковые сплавы. Литые сплавы получают кристаллизацией расплава смешанных компонентов. Порошковые — прессованием смеси порошков с последующим спеканием при высокой температуре. Компонентами порошкового сплава могут быть не только порошки простых веществ, но и порошки химических соединений. Например, основными компонентами твёрдых сплавов являются карбиды вольфрама или титана. По способу получения заготовки изделия различают литейные деформируемые и порошковые сплавы.

В твердом агрегатном состоянии сплав может быть гомогенным и гетерогенным. Твёрдый раствор является основой сплава. Фазовый состав гетерогенного сплава зависит от его химического состава. В сплаве могут присутствовать: твердые растворы внедрения, твердые растворы замещения, химических соединений и кристаллиты простых веществ.

№ 5. Заключение.

Цель выполнена.

О том, что свойства металлов меняются при их сплавлении, стало известно ещё в древности. \(5\) тысяч лет тому назад наши предки научились делать бронзу — сплав олова с медью. Бронза по твёрдости превосходит оба металла, входящие в её состав.

Свойства чистых металлов, как правило, не соответствуют необходимым требованиям, поэтому практически во всех сферах человеческой деятельности используют не чистые металлы, а их сплавы.

Сплав — это материал, который образуется в результате затвердения расплава двух или нескольких отдельных веществ.

В состав сплавов кроме металлов могут входить также неметаллы, например, такие как углерод или кремний.

Добавляя в определённом количестве примеси других металлов и неметаллов, можно получить многие тысячи материалов с самыми разнообразными свойствами, в том числе и такими, каких нет ни у одного из составляющих сплав элементов.

механически прочнее и твёрже,
со значительно более высокой или низкой температурой плавления,
устойчивее к коррозии,
устойчивее к высоким температурам,
практически не менять своих размеров при нагревании или охлаждении и т. д.

Например, чистое железо — сравнительно мягкий металл. При добавлении в железо углерода твёрдость его существенно возрастает. По количеству углерода, а следовательно, и по твёрдости, различают сталь (содержание углерода менее \(2\) % по массе), чугун (\(С\) — более \(2\) % ). Но не только углерод изменяет свойства стали. Добавленный в сталь хром делает её нержавеющей, вольфрам делает сталь намного более твёрдой, добавка марганца делает сплав износостойким, а ванадия — прочным.

Сплавы, используемые для изготовления различных конструкций, должны быть прочными и легко обрабатываемыми.

Такие сплавы железа, как стали, отличаются высокой прочностью и твёрдостью. Их можно ковать, прессовать, сваривать.

Чугуны используют для изготовления массивных и очень прочных деталей. Например, раньше из чугуна отливали радиаторы центрального отопления, канализационные трубы, до сих пор изготавливают котлы, перила и опоры мостов. Изделия из чугуна изготавливаются с применением литья.

Сплавы алюминия, используемые в конструкциях, наряду с прочностью должны отличаться лёгкостью. Дюралюминий, силумин — сплавы алюминия, они незаменимы в самолёто-, вагоно- и кораблестроении.

Для улучшения ударопрочности, коррозионной стойкости, износоустойчивости сплавы легируют — вводят специальные добавки. Добавка марганца делает сталь ударопрочной. Чтобы получить нержавеющую сталь, в состав сплава вводят хром.

Инструментальные сплавы предназначены для изготовления режущих инструментов, штампов и деталей точных механизмов. Такие сплавы должны быть износостойкими и прочными, причём при разогревании их прочность не должна существенно уменьшаться. Таким требованиям отвечают, например, нержавеющие стали, которые прошли специальную обработку (закалку).

Для придания необходимых свойств инструментальные стали, как правило, легируют вольфрамом, ванадием или хромом.

Сплавы служат незаменимым материалом при изготовлении особо чувствительных и высокоточных приборов, различного рода датчиков и преобразователей энергии.

Например, на изготовление сердечников трансформаторов и деталей реле идёт сплав никеля. Отдельные детали электромоторов изготавливаются из сплавов кобальта.

Сплав никеля с хромом — нихром, отличающийся высоким сопротивлением — используется для изготовления нагревательных элементов печей и бытовых электроприборов.

Из сплавов меди в электротехнической промышленности и в приборостроении наиболее широкое применение находят латуни и бронзы.

Латуни незаменимы при изготовлении приборов, деталью которых являются запорные краны. Такие приборы используются в сетях подачи газа и воды.

Главным востребованным свойством легкоплавких сплавов является заданная низкая температура плавления. Это свойство, в частности, используется для пайки микросхем. Кроме того, эти сплавы должны иметь определённую плотность, прочность на разрыв, химическую инертность, теплопроводность.

Легкоплавкие сплавы производят из висмута, свинца, кадмия, олова и других металлов. Такие сплавы используют в термодатчиках, термометрах, пожарной сигнализации, например, сплав Вуда. А также в литейном деле для производства выплавляемых моделей, для фиксации костей и протезирования в медицине.

Сплав натрия с калием (температура плавления \(–\)\(12,5\) °С) используется как теплоноситель для охлаждения ядерных реакторов.


Рис. \(7\). Припой (сплав для паяния) имеет невысокую температуру плавления	Рис. \(8\). Легкоплавкие сплавы незаменимы в датчиках пожарной сигнализации

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

Оловянная бронза (сплав меди с оловом) — один из первых освоенных человеком сплавов металлов. Она обладает большей, по сравнению с чистой медью, твёрдостью, прочностью и более легкоплавка. Бронзы успешно применяют для получения сложных по конфигурации отливок, включая художественное литьё. Классической маркой бронзы является колокольная бронза.

Одно из новых направлений в искусстве — производство художественных литых изделий из чугуна. Литые изделия из чугуна существенно превосходят по качеству кованые изделия.

Чугун — металл гораздо более хрупкий и не такой ковкий, как сталь. Но даже из такого, казалось бы, грубого материала можно получать настоящие произведения литейного искусства способом литья, например, такие как литые лестницы или решётки на окна. Такие изделия подвержены лишь поверхностной коррозии и не требуют тщательного ухода.

Сплавами называются материалы, получаемые при взаимном проникновении металла в металл или металла в неметалл, если эти материалы обладают характерными для металла свойствами. В качестве примеров сплава можно указать сталь — сплав железа с углеродом, бронзу — сплав меди с оловом.

Так как чистые металлы в большинстве случаев мало пригодны для технических целей и так как внесение в металлы примесей (в виде других металлов или металлоидов) сильно изменяет их свойства, то преимущественно употребляют не чистые металлы, а их сплавы с другими веществами. Останавливаясь на приведенных примерах сплавов, можно отметить, что ни чистое железо, ни чистая медь в подавляющем большинстве случаев не в состоянии удовлетворить требованиям, предъявляемым к металлам современной техникой. Чистое железо, например, по причине своей мягкости непригодно для изготовления множества предметов, начиная от иглы и кончая рельсом, а чистую медь по той же причине, а также вследствие легкой окисляемости нельзя применять для изделий, изготовляемых из бронзы.

Современная техника предъявляет к материалам самые разнообразные требования. Для изготовления крупных строительных конструкций, деталей быстроходных и мощных машин требуются высокопрочные материалы; металлообрабатывающая промышленность требует материалов для режущего инструмента, способных работать при высоких скоростях обработки.

Развитие реактивной техники потребовало от металлургов создания материалов, способных сохранять прочность при высоких температурах. В электротехнической промышленности наряду со специальными проводниковыми материалами, обладающими высокой электропроводностью, используют сплавы высокого сопротивления для различных нагревательных элементов. Широко применяют различного рода магнитные сплавы — сплавы с высокой магнитной проницаемостью и, наоборот, сплавы с низкой проницаемостью, но с высокой коэрцитивной силой. Трудно перечислить все разнообразие сплавов, используемых в настоящее время. Следует лишь подчеркнуть, что выполнение всех этих разнообразных и зачастую противоположных требований может быть осуществлено только путем использования в сплавах различных комбинаций химических элементов и воздействием на структуру сплава соответствующей обработкой.

Изменяя род и количество примеси, можно изменять свойства сплава и, следовательно, область его применения в технике.

Возможности получения сплавов весьма велики; пользуясь для этой цели лишь двадцатью металлами и образуя лишь двойные сплавы, можно получить

20.19/1.2= 190 сплавов. Изменяя соотношение между входящими в сплав элементами на 5%, можно получить в пределах каждого двойного сплава около двадцати сплавов с различными физическими свойствами; общее количество двойных сплавов из двадцати металлов возрастет таким образом до 190.20 = 3800.

Если принять во внимание, что нередко свойства сплава заметно изменяются от изменения соотношений между входящими в его состав элементами в размере даже десятых долей процента, то возможности получения материалов, обладающих самыми разнообразными качествами, при пользовании сплавами оказываются очень большими.

Составные части сплава принято называть его компонентами. Компонент, преобладающий в сплаве количественно, называется основным; компоненты, вводимые намеренно,—легирующими; компоненты, присутствие которых случайно и необязательно, —примесями. Физически и химически однородные части сплава, отделенные друг от друга поверхностями раздела, называют фазами. Совокупность компонентов сплава называют системой; например, сплав, состоящий из двух компонентов — меди и никеля, представляет систему медь—никель; в твердом состоянии эти компоненты при любом соотношении между ними взаимно растворяются и образуют одну фазу — твердый раствор.

Получение сплавов

Для образования сплавов необходимо тесное соприкосновение между частицами его компонентов, достигаемое следующими приемами: 1) расплавлением каждого компонента в отдельности и их смешением; 2) расплавлением одного из компонентов и растворением в расплавленном компоненте нерасплавленного; 3) одновременным нагревом до расплавления смеси твердых компонентов; 4) воздействием на твердый компонент другим компонентом, находящимся в твердом, жидком или газообразном состоянии при тесном соприкосновении и соответствующей температуре; 5) прессованием порошкообразной смеси компонентов.

Первый прием практически неудобен вследствие необходимости иметь несколько плавильных приспособлений, а также по причине высокой температуры плавления некоторых составных частей сплавов, если их подвергают расплавлению в чистом виде.

Второй прием удобнее вследствие возможности растворять тугоплавкий твердый компонент в расплавленном легкоплавком: например, сначала расплавляют медь и к ней добавляют в твердом виде никель. Так как температура плавления меди 1083°, а никеля 1452°, то процесс образования сплава вести значительно легче.

Третий прием по существу подобен второму, так как плавящийся компонент растворяет в себе более тугоплавкий.

Четвертый прием можно применять в тех случаях, если компоненты сплава могут образовать твердые растворы (в качестве примера можно указать на науглероживание стали в процессе цементации).

Применение пятого приема возможно лишь в тех случаях, если подвергаемые прессованию составные части сплава доводятся до такого близкого соприкосновения, при котором становится возможным действие сил межатомного притяжения. Опыт показывает, что для образования сплава путем прессования, кроме надлежащего давления, необходим некоторый подогрев прессуемой смеси.

Структура сплавов

Сплавы, подобно металлам, имеют кристаллическое строение. В зависимости от природы компонентов, а иногда и от отношения весовых количеств компонентов сплавы могут представлять собой смесь кристаллов чистых компонентов, твердый раствор или химическое соединение.

Смесь кристаллов чистых компонентов. Каждый кристалл такой смеси состоит из атомов одного из веществ, входящих в состав сплава. Такое строение имеет, например, сплав свинца с сурьмой; при рассмотрении травленого шлифа этого сплава под микроскопом зерна сурьмы и зерна свинца ясно различимы.

Твердый раствор. В этом случае кристаллы сплава содержат одновременно несколько элементов, которые могут входить в состав кристаллов в произвольных весовых отношениях (в пределах растворимости); эти элементы не различимы под микроскопом при самых больших увеличениях (например, в сплаве меди с никелем).

Три типа указанных структур не всегда бывают выражены в сплавах в чистом виде. Сплав двух компонентов, способных к образованию химического соединения, при избытке одного компонента может представлять собой смесь кристаллов химического соединения с кристаллами не вошедшей в состав химического соединения части избыточного компонента. Кроме того, как будет видно из дальнейшего рассмотрения, структура сплавов может быть очень сложной в зависимости от характера термической обработки сплава. Нередки случаи, когда все указанные типы структур представлены в одном сплаве одновременно.

При переходе сплава из жидкого состояния в твердое может иметь место неравномерное распределение компонентов сплава в различных точках слитка. Неравномерное распределение в слитке компонентов сплава называют ликвацией или сегрегацией.

В тех случаях, когда сплав при затвердевании образует твердый раствор, может иметь место неоднородность химического состава и в различных точках отдельных кристаллов. Такой вид ликвации называется внутрикристаллической ликвацией в отличие от ликвации по отливке в целом; последний вид ликвации называется зональной ликвацией.

Растворы (твердые и жидкие) и химические соединения являются отдельными фазами сплава.

Читайте также: