Как получают сплавы кратко
Обновлено: 05.07.2024
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.
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.
Металлические сплавы
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 :
Если взять жидкость и какое-нибудь нерастворимое желе, мы получим совсем иной результат. Компоненты могут расслоиться. Условно это выглядит так.
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?
Это неупорядоченный набор частиц - атомы в хаотичном состоянии, находящиеся на определенном расстоянии друг от друга.
Если в таком состоянии встретятся разные жидкости, то их атомы перемещаются в одну единую смесь (опять смотрим на рисунок 1 чуть выше).
Пока оно остается жидким, всё просто и понятно.
Теперь начнем охлаждать эту адовую смесь.
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, т вердыми 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.
Современный человек в своей повседневной жизни окружен различными металлами. В большинстве предметов, которыми мы пользуемся, присутствуют эти химические вещества. Это все произошло потому, что люди нашли разнообразные способы получения металлов.
Что такое металлы
Этими ценными для людей веществами занимается неорганическая химия. Получение металлов позволяет человеку создавать все более совершенную технику, совершенствующую нашу жизнь. Что же они собой представляют? Прежде чем рассмотреть общие способы получения металлов, необходимо разобраться, какими они бывают. Металлы представляют собой группу химических элементов в виде простых веществ, обладающую характерными свойствами:
• тепло- и электропроводностью;
Человек легко может отличить их от других веществ. Характерной чертой всех металлов является наличие особого блеска. Он получается благодаря отражению падающих лучей света на не пропускающую их поверхность. Блеск – это общее свойство всех металлов, но ярче всего оно проявляется у серебра.
На сегодняшний день учеными открыто 96 таких химических элементов, хотя еще не все из них признаны официальной наукой. Их разбивают на группы в зависимости от присущих им характерных свойств. Так выделяют следующие металлы:
Получение металлов
Для того чтобы изготовить сплав, необходимо в первую очередь получить металл из природной руды. Самородные элементы – это те вещества, которые находятся в природе в свободном состоянии. К ним относится платина, золото, олово, ртуть. Их отделяют от примесей механически или с помощью химических реагентов.
Остальные металлы добывают путем обработки их соединений. Они содержатся в различных ископаемых. Руда – это минералы и горные породы, в состав которых входят соединения металлов в виде оксидов, карбонатов или сульфидов. Для их получения используют химическую обработку.
Методы получения металлов:
• восстановление оксидов углем;
• получение олова из оловянного камня;
• обжигание сернистых соединений в специальных печах.
Для облегчения добывания металлов из рудных пород к ним добавляют различные вещества, называемые флюсами. Они помогают удалять нежелательные примеси, такие как глина, известняк, песок. В результате этого процесса получаются легкоплавкие соединения, называемые шлаками.
При наличии значительного количества примесей руду перед выплавкой металла обогащают путем удаления большой части ненужных компонентов. Наиболее широко применяемые способы данной обработки – флотация, магнитный и гравитационный способ.
Щелочные металлы
Массовое получение щелочных металлов – более сложный процесс. Это обусловлено тем, что они встречаются в природе только в виде химических соединений. Поскольку они являются восстановителями, их получение сопровождается высокими энергетическими затратами. Существует несколько способов добывания щелочных металлов:
• Литий можно получить из его оксида в вакууме или путем электролиза расплава его хлорида, образующегося при переработке сподумена.
• Натрий добывают путем прокаливания соды с углем в плотно закрытых тиглях или электролизом расплава хлорида с добавлением кальция. Первый способ наиболее трудоемкий.
• Калий получают электролизом расплава его солей либо, пропуская пары натрия через его хлорид. Также он образуется при взаимодействии расплавленного гидроксида калия и жидкого натрия при температуре 440°С.
• Цезий и рубидий добывают при помощи восстановления их хлоридов кальцием при 700–800 °С или цирконием при 650 °С. Получение щелочных металлов таким способом является крайне энергоемким и дорогостоящим.
Различия между металлами и сплавами
Принципиально четкой границы между металлами и их сплавами практически не существует, поскольку даже самые чистые, простые вещества имеют какую-то долю примесей. Так в чем же различие между ними? Практически все металлы, используемые в промышленности и в других отраслях народного хозяйства, используются в виде сплавов, полученных целенаправленно путем добавления к основному химическому элементу других компонентов.
Сплавы
Техника нуждается в разнообразных металлических материалах. При этом чистые химические элементы практически не применяются, поскольку они не обладают необходимыми для людей свойствами. Для своих нужд мы изобрели разные способы получения сплавов. Под этим термином подразумевается макроскопически однородный материал, который состоит из 2 или нескольких химических элементов. При этом в сплаве преобладают металлические компоненты. Это вещество имеет свою структуру. В сплавах различают следующие составляющие:
• основа, состоящая из одного или нескольких металлов;
• малые добавки модифицирующих и легирующих элементов;
• неудаленные примеси (технологические, природные, случайные).
Именно сплавы металлов являются основным конструкционным материалом. В технике их насчитывают более 5000.
Виды сплавов
Несмотря на такое многообразие сплавов, наибольшее значение для людей играют те, основу которых составляет железо и алюминий. Именно они чаще всего встречаются в повседневной жизни. Виды сплавов бывают различными. Причем их разделяют по нескольким критериям. Так применяются различные способы изготовления сплавов. По данному критерию их делят на:
• Литые, которые получены путем кристаллизации расплава смешанных компонентов.
• Порошковые, созданные при помощи прессования смеси порошков и последующего спекания при высокой температуре. Причем зачастую компонентами таких сплавов являются не только простые химические элементы, но и их различные соединения, такие как карбиды титана или вольфрама в твердых сплавах. Их добавление в тех или иных количествах изменяет свойства металлических материалов.
Способы получения сплавов в виде готового изделия или заготовки разделяют на:
• литейные (силумин, чугун);
• порошковые (титан, вольфрам).
Типы сплавов
Способы получения металлов бывают разными, при этом и изготовленные благодаря им материалы обладают различными свойствами. В твердом агрегатном состоянии сплавы бывают:
• Гомогенными (однородными), состоящими из кристаллов одного типа. Их часто называют однофазными.
• Гетерогенными (неоднородными), именуемые многофазными. При их получении в качестве основы сплава берется твердый раствор (матричная фаза). Состав гетерогенных веществ такого типа зависит от состава его химических элементов. В таких сплавах могут быть следующие компоненты: твердые растворы внедрения и замещения, химические соединения (карбиды, интерметаллиды, нитриды), кристаллиты простых веществ.
Свойства сплавов
Вне зависимости от того, какие способы получения металлов и сплавов используются, их свойства полностью определяются кристаллической структурой фаз и микроструктурой этих материалов. У каждого из них они разные. Макроскопические свойства сплавов зависят от их микроструктуры. Они в любых случаях отличаются от характеристик их фаз, зависящих исключительно от кристаллической структуры материала. Макроскопическая однородность гетерогенных (многофазных) сплавов получается в результате равномерного распределения фаз в матрице металла.
Важнейшим свойством сплавов считается свариваемость. В остальном они идентичны металлам. Так, сплавы обладают тепло- и электропроводностью, пластичностью и отражательной способностью (блеском).
Разновидности сплавов
Различные способы получения сплавов позволили человеку изобрести большое количество металлических материалов, обладающих различными свойствами и характеристиками. По своему назначению они делятся на такие группы:
• Конструкционные (сталь, дюралюминий, чугун). К данной группе относятся и сплавы со специальными свойствами. Так они отличаются искробезопасностью или антифрикционными свойствами. К ним относятся латуни и бронзы.
• Для заливки подшипников (баббит).
• Для электронагревательной и измерительной аппаратуры (нихром, манганин).
• Для производства режущих инструментов (победит).
В производстве люди используют и другие виды металлических материалов, таких как легкоплавкие, жаропрочные, коррозионностойкие и аморфные сплавы. Также широкое применение находят магниты и термоэлектрики (телуриды и селениды висмута, свинца, сурьмы и другие).
Железные сплавы
Практически все выплавляемое на Земле железо направляется на производство простых и легированных сталей. Также оно используется в производстве чугуна. Сплавы железа получили свою популярность благодаря тому, что обладают полезными для человека свойствами. Они были получены в результате добавления к простому химическому элементу различных компонентов. Так, несмотря на то, что различные сплавы железа изготавливаются на основе одного вещества, стали и чугуны обладают различными свойствами. Благодаря этому они находят разные сферы применения. Большинство сталей тверже чугуна. Различные методы получения этих металлов позволяют получать разные сорта (марки) этих сплавов железа.
Улучшение свойств сплавов
Благодаря сплавлению некоторых металлов и других химических элементов можно получить материалы с улучшенными характеристиками. Так, например, предел текучести чистого алюминия составляет 35 МПа. При получении сплава этого металла с медью (1,6%), цинком (5,6%), магнием (2,5%) этот показатель превышает 500 МПа.
Благодаря соединению в разных соотношениях различных химических веществ можно получить металлические материалы с улучшенными магнитными, термическими или электрическими свойствами. Главную роль в этом процессе играет структура сплава, представляющая собой распределение его кристаллов и тип связей между атомами.
Стали и чугуны
Эти сплавы получаются путем соединения железа и углерода (2%). При производстве легированных материалов к ним добавляются никель, хром, ванадий. Все обычные стали подразделяют на виды:
• малоуглеродистая (0,25 % углерода) используется для изготовления различных конструкций;
• высокоуглеродистая (более 0,55%) предназначена для производства режущих инструментов.
Различные марки легированных сталей применяются в машиностроении и другой продукции.
Сплав железа с углеродом, процентное содержание которого составляет 2-4%, называется чугуном. В состав этого материала входит и кремний. Из чугуна отливают различные изделия, обладающие хорошими механическими свойствами.
Цветные металлы
Помимо железа, для изготовления различных металлических материалов используются и другие химические элементы. В результате их соединения получают цветные сплавы. В жизни людей наибольшее применение нашли материалы на основе:
• Меди, называемые латунями. Они содержат 5-45% цинка. Если его содержание составляет 5-20%, то латунь называется красной, а если 20-36%– желтой. Существуют сплавы меди с кремнием, оловом, бериллием, алюминием. Они называются бронзами. Имеется несколько видов таких сплавов.
• Свинца, представляющие собой обычный припой (третник). В этом сплаве на 1 часть данного химического вещества припадает 2 части олова. При производстве подшипников применяется баббит, который являет собой сплав свинца, олова, мышьяка и сурьмы.
• Алюминия, титана, магния и бериллия, представляющие собой легкие цветные сплавы, обладающие высокой прочностью и отличными механическими свойствами.
Способы получения
Основные способы получения металлов и сплавов:
• Литейный, при котором происходит затвердевание однородной смеси разных расплавленных компонентов. Для получения сплавов используют пирометаллургический и электрометаллургический методы получения металлов. При первом варианте для разогрева сырья используют тепловую энергию, полученную в процессе сгорания топлива. Пирометаллургическим методом получают стали в мартеновских печах и чугуны в домнах. При электрометаллургическом способе сырье нагревают в индукционных или дуговых электрических печах. При этом сырье расславляется очень быстро.
• Порошковый, при котором для изготовления сплава используются порошки его компонентов. Благодаря прессованию им придают определенную форму, а затем спекают в специальных печах.
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.
Описание презентации по отдельным слайдам:
МЕТАЛЛЫ (от греч. metallon-первоначально, шахта, копи), это вещества, обладающие высокой электропроводностью и теплопроводностью, ковкостью, пластичностью и металлическим блеском. Эти характерные свойства металла обусловлены наличием свободно перемещающихся электронов в его кристаллической решетке. Из известных в настоящее время 107 химических элементов 85 относятся к металлам.
Огромное большинство металлов находится в природе в виде соединений с другими элементами. Только немногие металлы встречаются в свободном состоянии, и тогда они называются самородными. Золото и платина встречаются почти исключительно в самородном виде, серебро и медь - отчасти в самородном виде; иногда попадаются также самородные ртуть, олово и некоторые другие металлы. Добывание золота и платины производится или посредством механического отделения их от той породы, в которой они заключены, например промывкой воды, или путем извлечения их из породы различными реагентами с последующим выделением металла из раствора. Все остальные металлы добываются химической переработкой их природных соединений
Минералы и горные породы, содержащие соединения металлов и пригодные для получения этих металлов заводским путем, носят название руд. Главными рудами являются оксиды, сульфиды и карбонаты металлов. Важнейший способ получения металлов из руд основан на восстановлении оксидов углём. Если, например, смешать красную медную руду (куприт) Cu2O с углем и подвергнуть сильному накаливанию, то уголь, восстанавливая медь, превратится в оксид углерода(II), а медь выделится в расплавленном состоянии:Cu2O + C = 2Cu + CO
Читайте также: