Металлическим сплавом называется вещество, полученное сплавлением двух или более исходных веществ, преимущественно металлических. Помимо сплавления сплавы получают спеканием, электролизом и другими способами.

Вещества, из которых образован сплав, называются компонентами сплава. В качестве компонентов сплавов могут быть как чистые элементы, так и устойчивые химические соединения. При кристаллизации сплавов могут образоваться следующие основные твердые фазы: твердые растворы; химические соединения; механические смеси из сплавляемых компонентов.

Твердые растворы

Твердые растворы являются наиболее распространенной фазой в металлических сплавах. Являются кристаллическими веществами.

Химический или спектральный анализ показывает в твердых растворах наличие двух элементов или более, тогда как по данным металлографического анализа такой сплав, как и чистый металл, имеет однородные зерна (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Микроструктура твердого раствора

Рентгеновский анализ обнаруживает в твердом растворе, как и у чистого металла, только один тип решетки.

Следовательно, твердый раствор является однофазным, состоит из одного вида кристаллов, имеет одну кристаллическую решетку; существует в интервале концентраций компонентов.

Строение твердых растворов на основе одного из компонентов сплава таково, что в решетку основного металла-растворителя входят атомы растворенного вещества. При образовании твердого раствора сохраняется решетка одного из элементов, и этот элемент называется растворителем . Атомы растворенного вещества искажают и изменяют средние размеры элементарной ячейки растворителя. При образовании растворов внедрения и замещения атомы растворенного компонента распределяются в решетке растворителя беспорядочно.

Изменение параметров решетки при образовании твердых растворов – важный момент, определяющий свойства вещества. В общем независимо от вида металла относительное упрочнение при образовании твердого раствора пропорционально относительному изменению параметров решетки, причем уменьшение параметра решетки ведет к большему упрочнению, чем ее расширение.

Твердые растворы замещения могут быть ограниченные и неограниченные . Для образования неограниченных твердых растворов в соответствии с исследованиями Юм-Розери необходимы:

1) изоморфность (однотипность) кристаллических решеток сплавляемых компонентов;

2) близость атомных радиусов компонентов, которые не должны отличаться больше чем на 8…13 %;

3) близость физико-химических свойств компонентов.

Однако соблюдение этих условий не всегда является достаточным, чтобы сплавляемые компоненты образовали неограниченные твердые растворы. В реальных сплавах чаще наблюдаются твердые растворы с ограниченной растворимостью.

Химические соединения

Характерными особенностями химических соединений являются:

1) постоянство состава , которое может быть выражено формулой химического соединения;

2) наличие нового типа кристаллической решетки , отличного от типа решеток сплавляемых компонентов;

3) ярко выраженные индивидуальные свойства ;

4) постоянство температуры кристаллизации , как у чистых компонентов.

Химические соединения металлов делятся на две группы . Одна группа – это соединения с нормальной валентностью, т.е. соединения металлов с типичными неметаллами (О, S, Cl и т.д.). Такими соединениями являются оксиды, сульфиды, хлориды. В сплавах эти соединения присутствуют в виде так называемых неметаллических включений.

Другая группа – металлические соединения . Из этой группы наиболее важными являются фазы внедрения и электронные соединения. Металлические соединения отличаются разнообразием типов межатомных связей (металлической, ковалентной, ионной) с преобладанием металлической связи. Благодаря этому металлические соединения характеризуются металлическим блеском, электропроводностью и в отдельных случаях сверхпроводимостью.

Металлическими соединениями являются также соединения переходных металлов с углеродом (карбиды), азотом (нитриды), водородом (гидриды), бором (бориды). Эти соединения могут иметь как очень сложную, так и простую решетку типа ГЦК, ГПУ, реже ОЦК. Химические соединения обозначаются формулой соединения, например: A m B n .

Механические смеси

При сплавлении компонентов с большим различием атомных радиусов и значительным различием электрохимических свойств их взаимная растворимость очень мала, и образуется механическая смесь из кристаллов исходных компонентов (например, сплавы: Рb – Sb, Zn – Sn, Pb – Bi и др.). Между тем, следует помнить, что абсолютное отсутствие взаимной растворимости в реальных сплавах не встречается. Компоненты в сплаве обозначают символами их элементов.

Если компоненты механической смеси А и В достаточно крупного размера, то они отчетливо выявляются на микроструктуре (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Микроструктура механической смеси (схема)

Рентгенограмма сплава покажет наличие двух решеток компонентов А и В . Если бы исследовать в таком сплаве отдельно свойства кристаллов А и кристаллов В , то они были бы тождественны свойствам чистых металлов А и В . Механические свойства полученного вещества зависят от количественного соотношения компонентов, а также от размера и формы зерен.

Классификация свойств металлов и сплавов

Свойства металлов и сплавов делятся на 4 основные группы:

1. физические,
2. химические,
3. механические,
4. технологические.

Физические свойства металлов и сплавов.

К физическим свойствам металлов и сплавов относятся цвет, плотность (удельный вес), плавкость, тепловое расширение, теплопроводность, теплоемкость, электропроводность и способность их намагничиваться. Эти свойства называют физическими потому, что обнаруживаются в явлениях, которые не сопровождаются изменением химического состава вещества, т. е. металлы и сплавы остаются неизмененными по составу при нагревании, прохождении через них тока, тепла, а также при их намагничивании и плавлении. Многие из указанных физических свойств имеют установленные единицы измерения, по которым судят о свойствах металла.

Цвет.

Металлы и сплавы не прозрачны. Даже тонкие слои металлов и сплавов не способны пропускать лучи, но они имеют в отраженном свете внешний блеск, причем каждый из металлов и сплавов имеет свой особый оттенок блеска или, как говорят, цвет. Например, медь имеет розово-красный цвет, цинк - серый, олово - блестяще-белый и т. д.

Удельный вес -это вес 1 см 3 металла, сплава или любого другого вещества в граммах. Например, удельный вес чистого железа равен 7,88 г/см 3 .

Плавление - способность металлов и сплавов переходить из твердого состояния в жидкое, характеризуется температурой плавления. Металлы, имеющие высокую температуру плавления, называют тугоплавкими (вольфрам, платина, хром и т.д.). Металлы, имеющие низкую температуру плавления, называют легкоплавкими (олово, свинец и т.д.).

Тепловое расширение - свойство металлов и сплавов увеличиваться в объеме при нагревании, характеризуется коэффициентами линейного и объемного расширения. Коэффициент линейного расширения - отношение приращения длины образца металла при нагревании на 1° к первоначальной длине образца. Коэффициент объемного расширения - отношение приращения объема металла при нагревании на 1° к первоначальному объему. Объемный коэффициент принимают равным утроенному коэффициенту линейного расширения. Различные металлы имеют различные коэффициенты линейного расширения. Например, коэффициент линейного расширения стали равен 0,000012 , меди - 0,000017 , алюминия- 0,000023 . Зная коэффициент линейного расширения металла, можно определить его величину удлинения:

1. определим, насколько удлинится стальной трубопровод длиной 5000 м при его нагреве до 20°С :

5000·0,000012·20 = 1,2 м

1. определим, насколько удлинится медный трубопровод длиной 5000 м при его нагреве до 20°С :

5000·0,000017·20= 1,7 м

1. определим, насколько удлинится алюминиевый трубопровод длиной 5000 м при его нагреве до 20°С :

5000·0,000023·20=2,3 м

(Во всех трех случаях расчета не принимался во внимание коэффициент трения от собственного веса.) На основании приведенных выше расчетов цветные металлы при нагревании расширяются в большей степени, чем сталь, что необходимо учитывать в процессе сварки.

Теплопроводность -способность металлов и сплавов проводить тепло. Чем больше теплопроводность, тем быстрее тепло распространяется по металлу или сплаву при нагревании. При охлаждении металлы и сплавы, обладающие большой теплопроводностью, быстрее отдают тепло. Теплопроводность красной меди в 6 раз выше теплопроводности железа. При сварке металлов и сплавов, имеющих большую теплопроводность, требуется предварительный, а иногда и сопутствующий подогрев.

Теплоемкость - количество тепла, потребное для нагревания единицы веса на 1° . Удельная теплоемкость - количество тепла в ккал (килокалориях), необходимое для нагрева 1 кг вещества на 1° . Низкую удельную теплоемкость имеют платина и свинец. Удельная теплоемкость стали и чугуна примерно в 4 раза выше удельной теплоемкости свинца.

Электропроводность - способность металлов и сплавов проводить электрический ток. Хорошей электропроводностью обладают медь, алюминий и их сплавы.

Магнитные свойства - способность металлов намагничиваться, которые проявляются в том, что намагниченный металл притягивает к себе металлы, обладающие магнитными свойствами.

Химические свойства металлов и сплавов.

Под химическими свойствами металлов и сплавов понимают их способность вступать в соединения с различными веществами и в первую очередь с кислородом. К химическим свойствам металлов и сплавов относят:

1. стойкость против коррозии на воздухе,
2. кислотостойкость,
3. щелочестойкость,
4. жаростойкость.

Стойкостью металлов и сплавов на воздухе называют способность последних противостоять разрушающему действию кислорода, находящемуся в воздухе.

Кислотостойкостью называют способность металлов и сплавов противостоять разрушающему действию кислот. Например, соляная кислота разрушает алюминий и цинк, а свинец не разрушает; серная кислота разрушает цинк и железо, но почти не действует на свинец, алюминий и медь.

Щелочестойкостью металлов и сплавов называют способность противостоять разрушающему действию щелочей. Щелочи особенно сильно разрушают алюминий, олово и свинец.

Жаростойкостью называют способность металлов и сплавов противостоять разрушению кислородом при нагреве. Для повышения жаростойкости вводят специальные примеси в металл, как, например, хром, ванадий, вольфрам и т. д.

Старение металлов - изменение свойств металлов во времени вследствие внутренних процессов, обычно протекающее замедленно при комнатной температуре и более интенсивно при повышенной температуре. Старение стали обусловлено выделением по границам зерен карбидов и нитридов, что приводит к повышению прочности и снижению пластичности стали. К элементам, уменьшающим склонность к старению стали, относятся алюминий и кремний, а способствующим старению - азот и углерод.

Механические свойства металлов и сплавов.

Рис. 1

К основным механическим свойствам металлов и сплавов относятся

1. прочность,
2. твердость,
3. упругость,
4. пластичность,
5. ударная вязкость,
6. ползучесть,
7. усталость.

Прочностью называют сопротивление металла или сплава деформации и разрушению под действием механических нагрузок. Нагрузки могут быть сжимающими, растягивающими, скручивающими, срезающими и изгибающими (рис. 1 ).

Твердостью называют способность металла или сплава оказывать сопротивление прониканию в него другого более твердого тела.

Рис. 2

В технике наибольшее применение получили следующие способы испытания твердости металлов и сплавов:

1. 2,5 ; 5 и 10 мм - испытание твердости по Бринелю (рис. 2,а );
2. вдавливание в материал стального шарика диаметром 1,588 мм или алмазного конуса - испытание твердости по Роквеллу (рис. 2,б )
3. вдавливание в материал правильной четырехгранной алмазной пирамиды - испытание по Виккерсу (рис. 2,в ).

Рис. 3

Упругостью называют способность металла или сплава изменять свою первоначальную форму под действием внешней нагрузки и восстанавливать ее после прекращения действия нагрузки (рис. 3 ).

Пластичностью называют способность металла или сплава, не разрушаясь, изменять форму под действием нагрузки и сохранять эту форму после ее снятия. Пластичность характеризуется относительным удлинением и относительным сужением.

где Δl = l 1 -l 0 - абсолютное удлинение образца при разрыве;

δ - относительное удлинение;

l 1 -длина образца в момент разрыва;

l 0 -первоначальная длина образца;

где Ψ -относительное сужение при разрыве;

F 0 - первоначальная площадь поперечного сечения образца;

F - площадь образца после разрыва

Рис 4

Ударной вязкостью называют способность металла или сплава сопротивляться действию ударных нагрузок. Испытания производятся на маятниковом костре (рис. 4 ). Перед испытанием маятник 1 отводят на угол подъема α , в этом положении закрепляют защелкой. Стрелку 2 , укрепленную на оси качания маятника, отводят до упора 3 , расположенного у нулевого деления шкалы 4 . Маятник, освобожденный от защелки, падает, разрушает образец 5 и, (продолжая двигаться то инерции, поднимается на другую сторону станины, на некоторый угол β . При обратном движении маятника стрелка 2 отклоняется от нулевого деления и при вертикальном положении маятника указывает величину β - наибольшего угла подъема маятника после разрушения образца. Разность углов α-β характеризует работу излома образца.

Для определения ударной вязкости вначале вычисляют работу А , которая затрачена грузом маятника на разрушение образца

А = Р (Н - h) кгс м

где Н - высота подъема маятника до удара в м

h -высота подъема маятника после удара в м

Р - ударная сила.

Затем определяют ударную вязкость

Где а н -ударная вязкость в кГс·м/см 2

F - площадь поперечного сечения образца в см 2 .

Ползучестью называют свойство металла или сплава медленно и непрерывно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки (особенно при повышенных температурах).

Усталостью называют постепенное разрушение металла или сплава при большом числе повторно-переменных нагрузок, а свойство выдерживать эти нагрузки называют выносливостью.

Испытания образцов металлов и сплавов на растяжение осуществляют при пониженных, нормальных и повышенных температурах. Испытания при пониженных температурах производят в соответствии с ГОСТ 11150-65 0 -100°С и при температуре кипения технического жидкого азота. Испытания при нормальных температурах осуществляют по Г ОСТ 1497-61 при температуре 20±10°С .

Испытания при повышенных температурах производят по ГОСТ 9651-61 при температуре до 1200°С .

При испытании образцов на растяжение определяют предел прочности - σ в , предел текучести (физический)-σ т , предел текучести условный (технический) -σ о,2 , истинное сопротивление разрыву-S к и относительное удлинение - δ .

Рис. 5

Для усвоения указанных выше величин рассмотрим диаграмму, представленную на рис. 5 . По вертикальной оси 0-Р отсчитываем приложенную нагрузку Р в килограммах (чем выше точка по оси, тем больше нагрузка), а по горизонтальной оси абсолютное удлинение- Δl .

Рассмотрим участки диаграммы:

1. начальный прямолинейный участок 0-Р пц , на котором сохраняется пропорциональность между удлинением материала и нагрузкой (Р пц -нагрузка при пределе пропорциональности)
2. точка резкого перегиба кривой Р’ т называется нагрузкой при верхнем пределе текучести
3. участок Р’ т - Р т , параллельный горизонтальной оси 0-Δl (площадка текучести), в пределах которого удлинение образца происходит при постоянной нагрузке Р т , носящей название нагрузки при пределе текучести
4. точка Р в , отмечающая наибольшую растягивающую силу - нагрузку при пределе прочности
5. точка Р к -сила в момент разрушения образца.

Предел прочности при растяжении (временное сопротивление) σ в - напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествовавшей разрушению образца:

где F 0 - площадь поперечного сечения образца перед испытанием в мм 2

P в - наибольшая растягивающая сила в кгс .

Предел текучести (физический) σ т -наименьшее напряжение, при котором происходит деформация испытуемого образца без увеличения нагрузки (нагрузка не увеличивается, а образец удлиняется),

Предел текучести условный (технический) σ о,2 - напряжение, при котором остаточная деформация образца достигает 0,2% :

Предел пропорциональности σ пц - условное напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями достигает определенной степени, устанавливаемой техническими условиями:

Истинное сопротивление разрыву S к -напряжение в шейке растягиваемого образца, определяемое как отношение растягивающей силы, действующей на образец непосредственно перед его разрывом, к площади поперечного сечения образна в шейке (F ):

Технологические свойства металлов и сплавов.

К технологическим свойствам металлов и сплавов относятся:

• обрабатываемость резанием,
• ковкость,
• жидкотекучесть,
• усадка,
• свариваемость,
• прокаливаемость и т.д .

Обрабатываемостью резанием называют способность металлов и сплавов поддаваться механической обработке режущим инструментом.

Ковкостью называют способность металлов и сплавов принимать необходимую форму под действием внешних сил как в холодном, так и в горячем состоянии.

Жидкотекучестью называют способность металлов и сплавов заполнять литейные формы. Высокой жидкотекучестью обладает фосфористый чугун.

Усадкой называют способность металлов и сплавов при остывании уменьшать свой объем при затвердевании из жидкого состояния, охлаждении, спекании спрессованных порошков или сушке.

Как вы уже знаете, у бронзы, например, прочность выше, чем у составляющих ее меди и олова. Сталь и чугун прочнее технически чистого железа. Поэтому в чистом виде металлы используют редко. Значительно чаще применяются их сплавы. Известно немногим более 80 металлов, но из них получены десятки тысяч различных сплавов.

Помимо большей прочности многие сплавы обладают большей коррозионной стойкостью и твердостью, лучшими литейными свойствами, чем чистые металлы. Так, чистая медь очень плохо поддается литью, из нее трудно получить отливки, и в то же время оловянная бронза - сплав Си + Бп имеет прекрасные литейные свойства: из нее отливают художественные изделия, требующие тонкой проработки деталей. Чугун - сплав железа с углеродом - также великолепный литейный материал. Чистый алюминий - очень мягкий металл, сравнительно непрочный на разрыв. Но сплав, состоящий из А1, М£, Мп, Си, №, называемый дюралюминием, в четыре раза прочнее алюминия на разрыв.

Помимо более высоких механических качеств сплавам присущи свойства, которых нет у чистых металлов. Примерами могут служить получаемая на основе железа нержавеющая сталь - материал с высокой коррозионной стойкостью даже в агрессивных средах и с высокой жаропрочностью, магнитные материалы, сплавы с высоким электрическим сопротивлением, с малым коэффициентом термического расширения.

Сплавы - это материалы с характерными свойствами, состоящие из двух или более компонентов, из которых по крайней мере один - металл.

Компонентами сплавов могут быть и неметаллы, и соединения.

По состоянию компонентов сплавы могут быть однородными, когда при сплавлении образуется как бы раствор одного металла в другом, например сплавы меди и олова, золота и серебра, и неоднородными, представляющими собой механическую смесь металлов.

Сплавы классифицируются по-разному, в зависимости от того, какой признак взят за основу. Чаще всего сплавы подразделяют по составу : медные, алюминиевые, никелевые, титановые и т. д.

Есть группы сплавов, носящие общие названия: бронзы, латуни и др. Иногда в названии сплава отмечают особо ценные компоненты: бериллиевые бронзы, вольфрамовая сталь и др.

В металлургии железо и все его сплавы выделяют в одну группу под названием черные металлы; остальные металлы и их сплавы имеют техническое название цветные металлы .

Подавляющее большинство железных (или черных) сплавов содержит углерод. Их разделяют на чутуны и стали.

Чугун - сплав на основе железа, содержащий от 2 до 4,5% углерода, а также марганец, кремний, фосфор и серу. Чугун значительно тверже железа, обычно он очень хрупкий, не куется, а при ударе разбивается. Этот сплав применяется для изготовления различных массивных деталей методом литья, так называемый литейный чугун и для переработки в сталь - передельный чугун.

В зависимости от состояния углерода в сплаве различают серый и белый чугун (табл. 4).

Вид	Состав	Свойства	Применение
Серый чугун	Содержит 1,7-4,3% С, 1,25-4,0% и до 1,5% Мn. Из-за большого содержания кремния снижается растворимость углерода, поэтому углерод находится в свободном состоянии в виде графита	Сравнительно мягкий и поддающийся механической обработке материал. Свободный углерод придает чугуну мягкость	Производство литых деталей (шестерни, колеса, трубы И т. д.)
Белый чугун	Содержит 1,7-4,3% С, более 4% Мn, но очень мало кремния. Углерод в основном содержится в виде цементита - карбида железа Fе3 С	Твердый и хрупкий материал. Эти свойства придает цементит, который обладает большой твердостью	Переработка в сталь

Сталь - сплав на основе железа, содержащий менее 2% углерода. По химическому составу стали разделяют на два основных вида: углеродистая и легированная.

Углеродистая сталь представляет собой сплав железа главным образом с углеродом, но, в отличие от чугуна, содержание в ней углерода, а также Мn, Si, Р и S гораздо меньше. В зависимости от количества углерода стали подразделяют на мягкие (содержание углерода не превышает 0,3%), средней твердости (углерода несколько больше, чем в мягких) и твердые (углерода может быть до 2%). Из мягкой и средней твердости стали делают детали машин, трубы, болты, гвозди, скрепки и т. д., а из твердой - различные инструменты.

Легированная сталь - это тоже сплав железа с углеродом , только в него введены еще специальные, легирующие добавки: хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий и др.

Легирующие добавки придают сплаву особые качества. Так, хромоникелевые стали очень пластичные, прочные, жаростойкие, кислотоупорные, устойчивые против коррозии (ржавления). Они применяются в строительстве (например, облицовка колонн станции «Маяковская» московского метро выполнена из хромоникелевой стали), а также для изготовления нержавеющих предметов домашнего обихода (ножей, вилок, ложек), всевозможных медицинских и других инструментов. Хромо-молибденовые и хромованадиевые стали очень твердые, прочные и жаростойкие. Они используются для изготовления трубопроводов, компрессоров, двигателей и многих других деталей машин современной техники. Хромовольфрамовые стали сохраняют большую твердость при очень высоких температурах. Они служат конструкционным материалом для быстрорежущих инструментов.

Некоторые легированные стали представлены в таблице 5.

Свойства некоторых легированных сталей и их применение

Марганец	Твердость, механическая прочность, устойчивость к ударам и трению	Детали дробильных установок, железнодорожные рельсы, зубья ковшей экскаваторов
Титан	Жаростойкость, механическая прочность при высоких температурах, коррозионная стойкость	В самолето-, ракето- и судостроении. Химическая аппаратура
Вольфрам	Твердость и жаропрочность, износоустойчивость	Быстрорежущие инструменты, пилы, фрезы, штампы, нити электрических ламп
Молибден	Эластичность, жаростойкость, коррозионная стойкость	Лопасти турбин реактивных самолетов и автомобилей, броневые плиты, лабораторная посуда, детали электронных ламп
Кремний	Устойчивость к воздействию кислот	Трансформаторы, кислотоупорные аппараты и приборы
Ванадий	Высокая прочность, упругость и устойчивость к ударам

1. Сплавы и их классификация.

2. Черные металлы: чугуны и стали.

3. Цветные металлы: бронза, латунь, мельхиор, дюралюминий.

Какой период в истории человечества называют «бронзовым веком»? Почему?

Какое количество вещества меди и никеля нужно взять для производства 25 кг мельхиора?

Что объединяет два выражения: «легирующие элементы стали» и «привилегированное положение в обществе»?

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

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

Металлурги классифицируют сплавы металлов по нескольким критериям:

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:

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.

Титановые сплавы

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.

Металлические сплавы на основе титана используются в следующих областях:

1. 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.

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

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.

Твердые сплавы

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.

Основными сферами применения являются:

1. 1. • Режущий инструмент (фрезы, сверла, метчики, плашки, резцы и т.п.).
      • Измерительный инструмент и оборудование (линейки, угольники, штангенциркули рабочие поверхности особой ровности и стабильности).
      • Штампы, матрицы и пуансоны.
      • Валки прокатных станов и бумагоделательных машин.
      • Горное оборудование (дробилки, шарошки, ковши экскаваторов).
      • Детали и узлы атомных и химических реакторов.
      • Высоконагруженные детали транспортных средств, промышленного оборудования и уникальных строительных конструкций, таки, например, как башня Бурж — Дубай.

Существуют и другие области применения твердосплавных веществ.

К цветным металлам относятся все металлы, кроме железа и сплавов на его основе - сталей и чугунов, которые называются черными. Сплавы на основе цветных металлов используют в основном как конструкционные материалы со специальными свойствами: коррозионно-стойкие, подшипниковые (обладающие низким коэффициентом трения), тепло- и жаропрочные и др.

В маркировке цветных металлов и сплавов на их основе нет единой системы. Во всех случаях принята буквенно-цифровая система. Буквы указывают на принадлежность сплавов к определенной группе, а цифры в разных группах материалов имеют разное значение. В одном случае они указывают на степень чистоты металла (для чистых металлов), в другом - на количество легирующих элементов, а в третьем обозначают номер сплава, которому по гос. стандарту должны соответствовать определенный состав или свойства.
Медь и ее сплавы
Техническая медь маркируется буквой М, после которой идут цифры, связанные с количеством примесей (показывают степень чистоты материала). Медь марки М3 содержит примесей больше, чем М000. Буквы в конце марки означают: к - катодная, б - безкислородная, р - раскисленная. Высокая электропроводность меди обуславливает ее преимущественное применение в электротехнике как проводникового материала. Медь хорошо деформируется, хорошо сваривается и паяется. Ее недостатком является плохая обрабатываемость резанием.
К основным сплавам на основе меди относятся латуни и бронзы. В сплавах на основе меди принята буквенно-цифровая система, характеризующая химический состав сплава. Легирующие элементы обозначаются русской буквой, соответствующей начальной букве названия элемента. Причем часто эти буквы не совпадают с обозначением тех же легирующих элементов при маркировке стали. Алюминий - А; Кремний - К; Марганец - Мц; Медь - М; Никель - Н; Титан -Т; Фосфор - Ф; Хром -Х; Бериллий - Б; Железо - Ж; Магний - Мг; Олово - О; Свинец - С; Цинк - Ц.
Порядок маркировки литейных и деформируемых латуней разный.
Латунь - сплав меди с цинком (Zn от 5 до 45%). Латунь с содержанием от 5 до 20% цинка называется красной (томпаком), с содержанием 20-36% Zn - желтой. На практике редко используют латуни, в которых концентрация цинка превышает 45%. Обычно латуни делят на:
- двухкомпонентные латуни или простые, состоящие только из меди, цинка и, в незначительных количествах, примесей;
-многокомпонентные латуни или специальные - кроме меди и цинка присутствуют дополнительные легирующие элементы.
Деформируемые латуни маркируются по ГОСТ 15527-70.
Марка простой латуни состоит из буквы «Л», указывающей тип сплава - латунь, и двузначной цифры, характеризующей среднее содержание меди. Например, марка Л80 - латунь, содержащая 80 % Cu и 20 % Zn. Все двухкомпонентные латуни хорошо обрабатываются давлением. Их поставляют в виде труб и трубок разной формы сечения, листов, полос, ленты, проволоки и прутков различного профиля. Латунные изделия с большим внутренним напряжением (например, нагартованные) подвержены растрескиванию. При длительном хранении на воздухе на них образуются продольные и поперечные трещины. Чтобы избежать этого, перед длительным хранением необходимо снять внутреннее напряжение, проведя низкотемпературный отжиг при 200-300 C.
В многокомпонентных латунях после буквы Л пишут ряд букв, указывающих, какие легирующие элементы, кроме цинка, входят в эту латунь. Затем через дефисы следуют цифры, первая из которых характеризует среднее содержание меди в процентах, а последующие - каждого из легирующих элементов в той же последовательности, как и в буквенной части марки. Порядок букв и цифр устанавливается по содержанию соответствующего элемента: сначала идет тот элемент, которого больше, а далее по нисходящей. Содержание цинка определяется по разности от 100%.
Латуни в основном применяются как деформируемый коррозионно-стойкий материал. Из них изготавливают листы, трубы, прутки, полосы и некоторые детали: гайки, винты, втулки и др.
Литейные латуни маркируются в соответствии с ГОСТ 1711-30. В начале марки тоже пишут букву Л (латунь), после которой пишут букву Ц, что означает цинк, и число, указывающее на его содержание в процентах. В легированных латунях дополнительно пишут буквы, соответствующие введенным легирующим элементам, и следующие за ними числа указывают на содержание этих элементов в процентах. Остаток, недостающий до 100 %, соответствует содержанию меди. Литейные латуни используют для изготовления арматуры и деталей для судостроения, втулок, вкладышей и подшипников.
Бронзы (сплавы меди с различными элементами, где цинк не является основным). Они подобно латуням подразделяются на литейные и деформируемые. Маркировка всех бронз начинается с букв Бр, что сокращенно означает бронза.
В литейных бронзах после Бр пишут буквы с последующими цифрами, которые символически обозначают элементы, введенные в сплав (в соответствии с таблицей 1), а последующие цифры обозначают содержание этих элементов в процентах. Остальное (до 100 %) - подразумевается медь. Иногда в некоторых марках литейных бронз в конце пишут букву «Л», что означает литейная.
Большинство бронз обладает хорошими литейными свойствами. Их применяют для различного фасонного литья. Чаще всего их используют как коррозионно-стойкий и антифрикционный материал: арматура, ободы, втулки, зубчатые колеса, седла клапанов, червячные колеса и т.д. Все сплавы на основе меди имеют высокую хладостойкость.
Алюминий и сплавы на его основе
Алюминий выпускают в виде чушек, слитков, катанки и т.п. (первичный алюминий) по ГОСТ 11069-74 и в виде деформируемого полуфабриката (листы, профили, прутки и т.п.) по ГОСТ 4784-74. По степени загрязненности тот и другой алюминий подразделяется на алюминий особой чистоты, высокой чистоты и технической чистоты. Первичный алюминий по ГОСТ 11069-74 маркируют буквой А и числом, по которому можно определить содержание примесей в алюминии. Алюминий хорошо деформируется, но плохо обрабатывается резанием. Прокаткой из него можно получить фольгу.

Сплавы на основе алюминия подразделяются на литейные и деформируемые.
Литейные сплавы на основе алюминиямаркируются по ГОСТ 1583-93. Марка отражает основной состав сплава. Большинство марок литейных сплавов начинаются с буквы А, что означает алюминиевый сплав. Затем пишут буквы и цифры, отражающие состав сплава. В ряде случаев алюминиевые сплавы маркируют буквами АЛ (что означает литейный сплав алюминия) и цифрой, означающей номер сплава. Буква В, стоящая в начале марки показывает, что сплав высокопрочный.
Применение алюминия и сплавов на его основе очень разнообразно. Технический алюминий применяют в основном в электротехнике в качестве проводника электрического тока, как заменитель меди. Литейные сплавы на основе алюминия широко применяются в холодильной и пищевой промышленности при изготовлении деталей сложной формы (различными методами литья), от которых требуется повышенная коррозионная стойкость в сочетании с небольшой плотностью, например, поршни некоторых компрессоров, рычаги и другие детали.
Деформируемые сплавы на основе алюминия также находят широкое применение в пищевой и холодильной технике для изготовления различных деталей методом обработки давлением, к которым предъявляются также повышенные требования к коррозионной стойкости и плотности: различные емкости, заклепки и т.п. Важным достоинством всех сплавов на основе алюминия является их высокая хладостойкость.
Титан и сплавы на его основе
Титан и сплавы на его основе маркируются в соответствии с ГОСТ 19807-74 по буквенно-цифровой системе. Однако какой-либо закономерности в маркировке не имеется. Единственной особенностью является наличие во всех марках буквы Т, которая свидетельствует о принадлежности к титану. Числа в марке означают условный номер сплава.
Технический титан маркируется: ВТ1-00; ВТ1-0. Все остальные марки относятся к сплавам на основе титана (ВТ16, АТ4, ОТ4, ПТ21 и др). Главным достоинством титана и его сплавов является хорошее сочетание свойств: относительно низкой плотности, высокой механической прочности и очень высокой коррозионной стойкости (во многих агрессивных средах). Основной недостаток - высокая стоимость и дефицитность. Эти недостатки сдерживают применение их в пищевой и холодильной технике.

Сплавы титана применяются в ракетной, авиационной технике, химическом машиностроении, в судостроении и транспортном машиностроении. Они могут использоваться при повышенных температурах до 500-550 градусов. Изделия из сплавов титана изготавливают обработкой давлением, но могут быть изготовлены и литьем. Состав литейных сплавов обычно соответствует составу деформируемых сплавов. В конце марки литейного сплава стоит буква Л.
Магний и сплавы на его основе
Технический магний из-за его неудовлетворительных свойств не находит применения в качестве конструкционного материала. Сплавы на основе магния в соответствии с гос. стандартом делятся на литейные и деформируемые.
Литейные сплавы магнияв соответствии с ГОСТ 2856-79 маркируют буквами МЛ и числом, которое обозначает условный номер сплава. Иногда после числа пишут строчные буквы: пч - повышенной чистоты; он - общего назначения. Деформируемые сплавы магния маркируют в соответствии с ГОСТ 14957-76 буквами МА и числом, обозначающим условный номер сплава. Иногда после числа могут быть строчные буквы пч, что означает повышенной чистоты.

Сплавы на основе магния обладают подобно сплавам на основе алюминия хорошим сочетанием свойств: низкой плотностью, повышенной коррозионной стойкостью, относительно высокой прочностью (особенно удельной) при хороших технологических свойствах. Поэтому из сплавов магния изготавливают как простые, так и сложные по форме детали, от которых требуется повышенная коррозионная стойкость: горловины, бензиновые баки, арматура, корпусы насосов, барабаны тормозных колес, фермы, штурвалы и многие другие изделия.
Олово, свинец и сплавы на их основе
Свинец в чистом виде практически не используется в пищевой и холодильной технике. Олово применяется в пищевой промышленности в качестве покрытий пищевой тары (например лужение консервной жести). Маркируется олово в соответствии с ГОСТ 860-75. Имеются марки О1пч; О1; О2; О3; О4. Буква О обозначает олово, а цифры - условный номер. С увеличением номера увеличивается количество примесей. Буквы пч в конце марки означают - повышенной чистоты. В пищевой промышленности для лужения консервной жести применяют олово чаще всего марок О1 и О2.
Сплавы на основе олова и свинца в зависимости от назначения подразделяются на две большие группы: баббиты и припои.
Баббиты - сложные сплавы на основе олова и свинца, которые дополнительно содержат сурьму, медь и другие добавки. Они маркируются по ГОСТ 1320-74 буквой Б, что означает баббит, и числом, которое показывает содержание олова в процентах. Иногда кроме буквы Б может быть другая буква, которая указывает на особые добавки. Например, буква Н обозначает добавку никеля (никелевый баббит), буква С - свинцовый баббит и др. Следует иметь в виду, что по марке баббита нельзя установить его полный химический состав. В некоторых случаях даже не указывается содержание олова, например в марке БН, хотя здесь его содержится около 10 %. Имеются и безоловянистые баббиты (например свинцово-кальциевые), которые маркируются по ГОСТ 1209-78 и в данной работе не изучаются.

Баббиты являются наилучшим антифрикционным материалом и применяются в основном в подшипниках скольжения.
Припои в соответствии с ГОСТ 19248-73 подразделяются на группы по многим признакам: по способу расплавления, по температуре расплавления, по основному компоненту и др. По температуре расплавления они подразделяются на 5 групп:

1. Особолегкоплавкие (температура плавления tпл ≤ 145 °С);

2. Легкоплавкие (температура плавления tпл > 145 °С ≤ 450 °С);

3. Среднеплавкие (температура плавления tпл > 450 °С ≤ 1100 °С);

4. Высокоплавкие (температура плавления tпл > 1100 °С ≤ 1850 °С);

5. Тугоплавкие (температура плавления tпл > 1850 °С).

Первые две группы применяются для низкотемпературной (мягкой) пайки, остальные - высокотемпературной (твердой) пайки. По основному компоненту припои подразделяют на: галлиевые, висмутовые, оловянно-свинцовые, оловянные, кадмиевые, свинцовые, цинковые, алюминиевые, германиевые, магниевые, серебряные, медно-цинковые, медные, кобальтовые, никелевые, марганцевые, золотые, палладиевые, платиновые, титановые, железные, циркониевые, ниобиевые, молибденоыве, ванадиевые.

Касса