Несколько научных дисциплин (материало- и металловедение, физика, химия) занимаются изучением свойств и характеристик металлов. Существует их общепринятая классификация. Однако каждая из дисциплин при их изучении опирается на особые специализированные параметры, находящиеся в сфере ее интересов. С другой стороны, все науки, изучающие металлы и сплавы, придерживаются одной точки зрения, что существует две основные группы: черные и цветные.

Признаки металлов

Различают следующие основные механические свойства:

• Твердость - определяет возможность одного материала противодействовать проникновению другого, более твердого.
• Усталость - количество, а также время циклических воздействий, которое может выдержать материал без изменения целостности.
• Прочность. Заключается в следующем: если приложить динамическую, статическую или знакопеременную нагрузку, то это не приведет к изменению формы, строения и размеров, нарушению внутренней и наружной целостности металла.
• Пластичность - это способность удерживать целостность и полученную форму при деформации.
• Упругость - это деформация без нарушения целостности под воздействием определенных сил, а также после избавления от нагрузки возможность к возращению первоначальной формы.
• Стойкость к трещинам - под влиянием внешних сил в материале они не образуются, а также сохраняется наружная целостность.
• Износостойкость - способность сохранять наружную и внутреннюю целостность при продолжительном трении.
• Вязкость - сохранение целостности при увеличивающихся физических воздействиях.
• Жаростойкость - противостояние изменению размера, формы и разрушению при воздействии высоких температур.

Классификация металлов

К металлам относятся материалы, обладающие совокупностью механических, технологических, эксплуатационных, физических и химических характерных свойств:

• механические подтверждают способность к сопротивлению деформации и разрушению;
• технологические свидетельствуют о способности к разному виду обработки;
• эксплуатационные отражают характер изменения при эксплуатации;
• химические показывают взаимодействие с различными веществами;
• физические указывают на то, как ведет себя материал в разных полях - тепловом, электромагнитном, гравитационном.

По системе классификации металлов все существующие материалы подразделяются на две объемные группы: черные и цветные. Технологические и механические свойства также тесно связаны. К примеру, прочность металла может являться результатом правильной технологической обработки. Для этих целей используют так называемую закалку и «старение».

Химические, физические и механические свойства тесно взаимосвязаны между собой, так как состав материала устанавливает все остальные его параметры. Например, тугоплавкие металлы являются самыми прочными. Свойства, которые проявляются в состоянии покоя, называются физическими, а под воздействием извне - механическими. Также существуют таблицы классификации металлов по плотности - основному компоненту, технологии изготовления, температуре плавления и другие.

Черные металлы

Материалы, относящиеся к этой группе, обладают одинаковыми свойствами: внушительной плотностью, большой температурой плавления и темно-серой окраской. К первой большой группе черных металлов принадлежат следующие:

Цветные металлы

Вторая по величине группа имеет небольшую плотность, хорошую пластичность, невысокую температуру плавления, преобладающие цвета (белый, желтый, красный) и состоит из следующих металлов:

• Легкие - магний, стронций, цезий, кальций. В природе встречаются только в прочных соединениях. Применяются для получения легких сплавов разного назначения.
• Благородные. Примеры металлов: платина, золото, серебро. Они обладают повышенной устойчивостью к коррозии.
• Легкоплавкие - кадмий, ртуть, олово, цинк. Имеют невысокую температуру плавления, участвуют в производстве разных сплавов.

Низкая прочность цветных металлов не позволяет их использовать в чистом виде, поэтому в промышленности их применяют в виде сплавов.

Медь и сплавы с медью

В чистом виде имеет розовато-красный цвет, маленькое удельное сопротивление, небольшую плотность, хорошую теплопроводность, отличную пластичность, обладает стойкостью к коррозии. Находит широкое применение как проводник электрического тока. Для технических нужд используют два вида сплавов из меди: латуни (медь с цинком) и бронзы (медь с алюминием, оловом, никелем и другими металлами). Латунь используется для изготовления листов, лент, труб, проволоки, арматуры, втулок, подшипников. Из бронзы изготавливают плоские и круглые пружины, мембраны, разную арматуру, червячные пары.

Алюминий и сплавы

Этот очень легкий металл, имеющий серебристо-белый цвет, обладает высокой коррозийной стойкостью. У него хорошая электропроводность и пластичность. Благодаря своим характеристикам нашел применение в пищевой, легкой и электропромышленности, а также в самолетостроении. Сплавы из алюминия очень часто используются в машиностроении для изготовления особо ответственных деталей.

Магний, титан и их сплавы

Магний неустойчив к коррозии, зато не существует легче металла, используемого для технических нужд. В основном его добавляют в сплавы с другими материалами: цинком, марганцем, алюминием, которые прекрасно режутся и являются достаточно прочными. Из сплавов с легким металлом магнием изготавливают корпусы фотоаппаратов, различных приборов и двигателей. Титан нашел свое применение в ракетной отрасли, а также машиностроении для химической промышленности. Титаносодержащие сплавы имеют небольшую плотность, прекрасные механические свойства и стойкость к коррозии. Они хорошо поддаются обработке давлением.

Антифрикционные сплавы

Такие сплавы определены для увеличения срока службы поверхностей, испытывающих трение. Они сочетают в себе следующие характеристики металла - хорошую теплопроводность, маленькую температуру плавления, микропористость, слабый коэффициент трения. К антифрикционным относят сплавы, основой которых является свинец, алюминий, медь или олово. К самым применяемым относятся:

• баббит. Его изготовляют на основе свинца и олова. Используют в производстве вкладышей для подшипников, которые работают на больших скоростях и при ударных нагрузках;
• алюминиевые сплавы;
• бронза;
• металлокерамические материалы;
• чугун.

Мягкие металлы

По системе классификации металлов это золото, медь, серебро, алюминий, но среди самых мягких выделяют цезий, натрий, калий, рубидий и другие. Золото сильно распылено в природе. Оно есть в морской воде, организме человека, а также его можно встретить практически в любом осколке гранита. В чистом виде золото имеет желтый с оттенком красного цвет, так как металл мягкий - его можно поцарапать даже ногтем. Под влиянием окружающей среды золото достаточно быстро разрушается. Этот металл является незаменимым для электрических контактов. Несмотря на то что серебра в двадцать раз больше, чем золота, он также является редким.

Используется для производства посуды, ювелирных украшений. Легкий металл натрий также получил широкое распространение, востребован практически в каждой отрасли промышленности, в том числе химической - для производства удобрений и антисептиков.

Металлом является ртуть, хоть и находится в жидком состоянии, поэтому считается одним из самых мягких в мире. Этот материал используется в оборонной и химической промышленности, сельском хозяйстве, электротехнике.

Твердые металлы

В природе практически нет самых твердых металлов, поэтому добыть их очень сложно. В большинстве случаев их находят в упавших метеоритах. Хром принадлежит к тугоплавким металлам и является самым твердым из чистейших на нашей планете, к тому же он легко поддается механической обработке.

Вольфрам - это химический элемент. Считается самым твердым при сравнении с другими металлами. Имеет чрезвычайно высокую температуру плавления. Несмотря на твердость, из него можно выковывать любые нужные детали. Благодаря теплоустойчивости и гибкости это наиболее подходящий материал для выплавки небольших элементов, используемых в осветительных приборах. Тугоплавкий металл вольфрам - основное вещество тяжелых сплавов.

Металлы в энергетике

Металлы, в состав которых входят свободные электроны и положительные ионы, считаются хорошими проводниками. Это довольно востребованный материал, характеризующийся пластичностью, высокой электропроводностью и способностью легко отдавать электроны.

Из них делают силовые, радиочастотные и специальные провода, детали для электрических установок, машин, для бытовых электроприборов. Лидерами применения металлов для изготовления кабельной продукции считаются:

• свинец - за большую устойчивость к коррозии;
• медь - за высокую электропроводность, легкость в обработке, стойкость к коррозии и достаточную механическую прочность;
• алюминий - за небольшой вес, устойчивость к вибрациям, прочность и температуру плавления.

Категории черных вторичных металлов

К отходам черных металлов предъявляют определенные требования. Для отправки сплавов в сталеплавильные печи потребуются определенные операции по их обработке. Перед подачей заявки на перевозку отходов необходимо ознакомиться с ГОСТом черных металлов для определения его стоимости. Черный вторичный лом классифицируют на стальной и чугунный. Если в составе присутствуют легирующие добавки, то его относят к категории «Б». В категорию «А» включены углеродистые: сталь, чугун, присад.

Металлурги и литейщики из-за ограниченности первичной сырьевой базы проявляют активный интерес к вторичному сырью. Использование лома черных металлов вместо металлической руды - это ресурсное, а также энергосберегающее решение. Вторичный черный металл используют как охладитель конвертерной плавки.

Диапазон применения металлов невероятно широк. Черные и цветные неограниченно используются в строительной и машинной индустрии. Не обойтись без цветных металлов и в энергетической промышленности. Редкие и драгоценные идут на изготовление украшений. В искусстве и медицине находят применение как цветные, так и черные металлы. Невозможно представить жизнь человека без них, начиная от хозяйственных принадлежностей и до уникальных приборов и аппаратов.

В современной промышленности используется огромное количество материалов. Пластик и композиты, графит и прочие вещества... Но металл всегда остается актуальным. Из него делают гигантские строительные конструкции, он используется для создания разнообразных машин и прочей техники.

А потому классификация металла играет в промышленности и науке немаловажную роль, поскольку, зная ее, можно подобрать наиболее подходящий тип материала для той или мной цели. Именно этой теме и посвящена данная статья.

Общее определение

Металлами называются простые вещества, которые в обычных условиях характеризуются наличием нескольких отличительных признаков: высокой теплопроводностью и проводимостью электрического тока, а также ковкостью. Пластичны. В твердом состоянии характеризуются кристаллическим строением на атомарном уровне, а потому имеют высокие прочностные показатели. Но есть еще и сплавы, являющиеся их производными. Что это такое?

Так называются материалы, полученные из двух и более веществ путем их нагревания свыше температуры плавления. Учтите, что бывают сплавы металлические и неметаллические. В первом случае в составе должно присутствовать не менее 50 % металла.

Впрочем, не будем отвлекаться от тематики статьи. Итак, какая же бывает классификация металла? В общем-то, делить его довольно просто:

1. Черные металлы.
2. Цветные металлы.

К первой категории относится железо и все сплавы на его основе. Все прочие металлы являются цветными, впрочем, как и их соединения. Необходимо рассмотреть каждую категорию более подробно: несмотря на крайне скучную общую классификацию, на самом деле все куда сложнее. А если вспомнить, что существуют еще драгметаллы... И они тоже бывают разными. Впрочем, классификация драгоценных металлов еще проще. Всего их насчитывается восемь штук: золото и серебро, платина, палладий, рутений, осмий, а также родий и иридий. Наиболее ценными являются платиноиды.

Собственно, классификация и того скучнее. Так называются (в ювелирном деле) все те же серебро, золото и платина. Впрочем, довольно о «высоких материях». Пора поговорить о более распространенных и ходовых материалах.

Начнем мы с обзора разных сортов стали, которая как раз таки является производным самого ходового черного металла - железа.

Что такое сталь?

Железа и некоторых присадок, в котором содержится не более 2,14 % атомарного углерода. Классификация этих материалов крайне обширна, причем она учитывает: химический состав и способы производства, наличие или же отсутствие вредных примесей, а также структуру. Впрочем, наиболее важным признаком является химический состав, так как он влияет на марку и название стали.

Углеродистые разновидности

В этих материалах вообще нет легирующих добавок, но при этом технология их изготовления допускает некоторое количество прочих примесей (как правило, марганца). Так как содержание этих веществ колеблется в пределах 0,8-1 %, какого-то влияния на прочностные, механические и химические свойства стали они не оказывают. Используется эта категория в строительстве и производстве различного инструмента. Разумеется, классификация металла на этом далеко не закончена.

Конструкционные углеродистые стали

Чаще всего используются для возведения различных конструкций промышленного, военного или бытового назначения, но нередко их применяют для выпуска инструментов и механизмов. В этом случае содержание углерода ни в коем случае не должно превышать 0,5-0,6 %. Они должны иметь предельно высокую прочность, которая определяется целой когортой сертифицированных международными агентствами испытаний (σВ, σ0,2, δ, ψ, KCU, HB, HRC). Бывают двух видов:

• Обыкновенные.
• Качественные.

Как несложно догадаться, первые идут на строительство различных инженерных конструкций. Качественная же используется исключительно для выпуска надежных инструментов, применяемых в машиностроении и прочих и производства.

Что касается этих материалов, то на их поверхности допускается коррозия металла. Классификация же сталей прочих типов предусматривает наличие куда более жестких к ним требований.

Инструментальные углеродистые стали

Их сфера — точное машиностроение, изготовление инструментов для научной сферы и медицины, а также прочих промышленных отраслей, в которых требуется повышенная прочность и точность. В них содержание углерода может колебаться от 0,7 до 1,5 %. Такой материал обязан обладать очень высокой прочностью, быть устойчивым к факторам износа и предельно высоким температурам.

Легированные стали

Так называют материалы, в которых, помимо естественных примесей, содержится значительное количество искусственно добавляемых легирующих присадок. К ним относится хром, никель, молибден. Помимо этого, в легированных сталях также может быть марганец и кремний, содержание которых чаще всего не превышает 0,8-1,2 %.

В этом случае классификация металла подразумевает их деление на два типа:

• Стали с низким содержанием присадок. В сумме их бывает не более 2,5 %.
• Легированные. В них добавок может быть от 2,5 до 10 %.
• Материалы с высоким содержанием добавок (более 10 %).

Эти типы также подразделяются на подвиды, как и в предыдущем случае.

Легированная конструкционная сталь

Как и все прочие разновидности, активно используются в машиностроении, возведении зданий и прочих сооружений, а также в промышленности. Если сравнивать их с углеродистыми разновидностями, то такие материалы выигрывают по соотношению прочностных характеристик, пластичности и вязкости. Кроме того, они обладают высокой устойчивостью к воздействию экстремально низких температур. Из них делают мосты, самолеты, ракеты, инструменты для высокоточной промышленности.

Легированные инструментальные стали

В принципе, по характеристикам очень схожи с рассмотренным выше типом. Могут быть использованы в следующих целях:

• Производство режущих, а также высокоточных измерительных приборов и инструментов. В частности, производят из этого материала токарные резцы по металлу, классификация которых напрямую зависит от стали: ее марка обязательно отпечатывается на изделии.
• Из них же делают штампы для холодного и горячего проката.

специального назначения

Как можно понять из названия, эти материалы обладают какими-то специфическими характеристиками. К примеру, встречаются жаропрочные и жаростойкие виды, а также всем известная нержавеющая сталь. Соответственно, сфера их применения включает в себя производство машин и инструментов, которые будут работать в особо сложных условиях: турбины для двигателей, печи для выплавки металла и др.

Строительные стали

Стали со средним содержанием углерода. Применяются для выпуска широчайшей номенклатуры различных строительных материалов. В частности, именно из них делают профили (фасонный и листовой), трубы, уголки и т. д. Очевидно, что при выборе определенной категории металла особое внимание обращают на прочностные характеристики стали.

Кроме того, еще задолго до строительства все характеристики многократно просчитываются на примере математических моделей, так что в большинстве случаев тот или иной вид проката может быть изготовлен по индивидуальным требованиям заказчика.

Арматурные стали

Как вы наверняка догадались, сфера их применения — армирование блоков и готовых конструкций из железобетона. Выпускают их в виде стержней или проволоки с большим диаметром. Материалом служит или углеродистая, или сталь с низким содержанием легирующих присадок. Бывает двух видов:

• Горячекатаная.
• Термически и механически упрочненная.

Котельные стали

Используются для выпуска котлов и цилиндров, а также прочих сосудов и арматуры, которым предстоит работать в условиях повышенного давления при различных температурных режимах. Толщина деталей в этом случае может варьироваться от 4 до 160 мм.

Автоматные стали

Так называются материалы, которые хорошо поддаются обработке путем их разрезания. Обладают также высокой обрабатываемостью. Все это делает такую сталь идеальным материалом для автоматизированных линий производств, которых с каждым годом становится все больше и больше.

Подшипниковые стали

Эти виды по своему типу относятся к конструкционным разновидностям, но их состав роднит их с инструментальным. Отличаются высокими прочностными характеристиками и огромной устойчивостью к износу (истиранию).

Нами были рассмотрены основные свойства и классификация металлов этого класса. На очереди - еще более распространенный и известный чугун.

Чугуны: классификация и свойства

Так называется материал, представляющий собой сплав железа и углерода (а также некоторых прочих присадок), причем содержание С колеблется от 2,14 до 6,67 %. Чугун, как и сталь, различают по химическому составу, способам производства и по количественному объему содержащегося в нем углерода, а также по сферам применения в повседневной жизни и промышленности. Если в чугуне нет присадок, его называют нелегированным. В противном случае — легированным.

Классификация по назначению

1. Бывают предельными, которые практически всегда используются для последующей переработки в сталь.
2. Литейные разновидности, используемые для отливки изделий самой разной конфигурации и сложности.
3. Специальные, по аналогии со сталями.

Классификация по типам химических добавок

• Белый чугун. Характеризуется тем, что углерод в его структуре связан практически полностью, находясь там в составе различных карбидов. Его очень легко отличить: на изломе он белый и блестящий, характеризуется высочайшей твердостью, но при этом крайне хрупок, с огромным трудом поддается механической обработке.
• Половинчатый отбеленный. В верхних слоях отливки от неотличим от белого чугуна, в то время как сердцевина ее — серая, содержащая в своей структуре большое количество свободного графита. В общем-то, сочетает в себе признаки обоих типов. Довольно прочен, но в то же время куда легче поддается обработке, да и с хрупкостью дела обстоят значительно лучше.
• Серый. Содержит в своем составе много графита. Прочный, достаточно износостойкий, хорошо поддается обработке.

Мы не случайно делаем упор на графит. Дело в том, что от его содержания и пространственной структуры зависит классификация металлов и сплавов в конкретном случае. В зависимости от этих характеристик они делятся на перлитные, феррито-перлитные и ферритные.

Сам графит в каждом из этих может присутствовать в четырех различных формах:

• Если он представлен пластинками и «лепестками», то относится к пластинчатой разновидности.
• Если в материале есть включения, которые по своему внешнему виду напоминают червяков, то речь идет о вермикулярном графите.
• Соответственно, различные плоские, неравномерные включения говорят о том, что перед вами — хлопьевидная разновидность.
• Сферические, полусферические элементы характеризуют шаровидную форму.

Но и в этом случае классификация металлов и сплавов еще неполная! Дело в том, что эти примеси, каким бы странным это ни показалось, напрямую влияют на прочность материала. Итак, в зависимости от формы и пространственного положения включений, чугуны подразделяются на следующие категории:

• Если в материале имеются вкрапления пластинчатого графита, то это обычный серый чугун (СЧ).
• По аналогии с названием «присадки», наличие вермикулярных частиц характеризует вермикулярный материал (ЧВГ).
• Хлопьевидные включения содержит ковкий чугун (КЧ).
• Шаровидный «наполнитель» характеризует высокопрочный чугун (ВЧ).

Вашему вниманию была представлена краткая классификация и свойства металлов, которые относятся к «черной» категории. Как видите, несмотря на повсеместно распространенное заблуждение, они весьма разнообразны, сильно различаются по своей структуре и физическим свойствам. Казалось бы, чугун — обыденный и распространенный материал, но... Даже он имеет несколько совершенно разных видов, и некоторые из них так же не похожи друг на друга, как сам чугун и листовая сталь!

Отходы — в доходы!

А имеется ли какая-то классификация Ведь ежегодно в отвал уходят миллионы тонн самых разнообразных материалов. Неужели они скопом отправляются на переплавку, не пройдя никакой отбраковки и сортировки? Разумеется, нет. Всего различают девять категорий:

• 3А. Стандартные отходы черного металла, в том числе и габаритные, особо крупные куски. Вес каждого фрагмента — не менее килограмма. Как правило, толщина кусков не превышает шести миллиметров.
• 5А. В этом случае лом негабаритный. Толщина кусков — более шести миллиметров.
• 12А. Данная категория подразумевает смесь двух вышеописанных разновидностей.
• 17А. Лом чугунный, габаритный. Вес каждого куска - не менее полукилограмма, но не более 20 кг.
• 19А. Аналогичен предыдущему классу, но отходы негабаритные. Кроме того, допускается некоторое содержание фосфора в материале.
• 20А. Чугунный лом, наиболее негабаритная категория. Допускаются куски по пять тонн весом. Как правило, сюда входит демонтированное, списанное промышленное и военное оборудование. Как видите, классификация и свойства металлов в этой категории довольно-таки однотипны.
• 22А. И снова негабаритный чугунный лом. Отличие заключается в том, что в этом случае к категории отходов относится отслужившее и списанное сантехническое оборудование.
• Микс. Смешанный лом. Важно! Не допускается содержимое следующего типа: и проволока металлическая, а также оцинкованные детали.
• Оцинковка. Как понятно из названия, сюда входит весь лом, в составе которого имеются оцинкованные фрагменты.

Такова была классификация черных металлов. А сейчас мы обсудим их цветных «коллег», которые играют громадную роль во всей современной промышленности и производстве.

Цветные металлы

Так называют все прочие элементы, которые имеют металлическое атомарное строение, но при том не относятся к железу и его производным. В англоязычной литературе можно встретить термин "нежелезный металл", который является синонимичным понятием. Какая имеется классификация цветных металлов?

Бывают следующие группы, разделение которых идет сразу по нескольким признакам: легкие и тяжелые, благородные, рассеянные и тугоплавкие, радиоактивные и редкоземельные разновидности. Многие из цветных металлов вообще относятся к категории редких, так как их общее количество на нашей планете сравнительно невелико.

Применяются они для производства деталей и приборов, которые должны работать в условиях агрессивной среды, трения, или при необходимости (датчики, к примеру) обладать высокой степенью теплопроводности или проводимости электрического тока. Кроме того, они востребованы в военной, космической и авиационной отраслях, где требуется максимальная прочность при сравнительно небольшой массе.

Заметим, что особняком стоит классификация тяжелых металлов. Впрочем, как таковой ее нет, но в состав этой группы входит медь, никель, кобальт, а также цинк, кадмий, ртуть и свинец. Из них в промышленных масштабах используется только Cu и Zn, о которых мы упомянем в дальнейшем.

Алюминий и сплавы на его основе

Алюминий, «крылатый металл». Различают три его вида (в зависимости от степени химической чистоты):

• Высшая проба (особая чистота) (99,999 %).
• Высокая чистота.
• Техническая проба.

Последний вид присутствует на рынке в виде листов, разнообразного профиля и проволоки с разным сечением. Обозначается в торговле как АД0 и АД1. Учтите, что даже в алюминии высокой пробы нередко присутствуют вкрапления Fe, Si, Gu, Mn, Zn.

Сплавы

Что представляет собой классификация цветных металлов в этом случае? В принципе, ничего сложного. Существуют:

• Дюралюмины.
• Авиали.

Дюралюминами называются сплавы, в которые добавляют медь и магний. Кроме того, бывают материалы, где в качестве присадок используется медь и магний. Авиалями также называются сплавы, но они содержат намного больше добавок. Основными являются магний и кремний, а также железо, медь и даже титан.

В принципе, данный вопрос куда подробнее рассматривает материаловедение. Классификация металлов же на алюминии и его видах не заканчивается.

Медь

На сегодняшний день различают (содержание чистого вещества 97,97 %) и особо чистую, вакуумную (99,99 %). В отличие от других цветных металлов, на механические и химические качества меди чрезвычайно сильно влияют даже мельчайшие примеси каких-то присадок.

Сплавы

Делятся на две большие группы. Материалы эти, к слову, известны человечеству уже не одну тысячу лет:

• Латунь. Так называется соединение меди и цинка.
• Бронза. Медный сплав, в состав которого входит уже не цинк, а олово. Впрочем, бывают и такие бронзы, в которых насчитывается до десяти присадок.

Титан

Металл этот редкий и весьма дорогой. Отличается низким весом, невероятной прочностью, малой вязкостью. Заметим, что подразделяется на несколько видов: ВТ1-00 (в этом материале количество примесей ≤ 0,10 %), ВТ1-0 (объем присадок ≤ 0,30 %). Если общая сумма посторонних примесей ≤ 0,093 %, то такой материал в производстве называют иодидным титаном.

Титановые сплавы

Сплавы этого материала делятся на два вида: деформируемые и линейные. Кроме того, различают особые их подвиды: жаростойкие, повышенной пластичности. Бывают еще упрочняемые и не упрочняемые разновидности (зависит от термической обработки).

Собственно, нами была полностью рассмотрена классификация цветных металлов и сплавов. Надеемся, что статья была вам полезна.

Введение

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Сплавы. Классификация сплавов. Сталь.

2. Понятия «стержня». Стальные стержни и их характеристика

3. Жесткость и прочность стержня.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Стальные стержни, используемые в машиностроении.

2. Факторы, влияющие на жесткость и прочность стержня.

Заключение

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. В настоящее время регистрируется большое количество происшествий в машиностроительной отрасли, поэтому возникает особая необходимость создания прочных материалов, использованных в составе металлических конструкций и оборудований.

Цель. Предложить способы улучшения прочности стержня из стали для отрасли машиностроения.

1. Рассмотреть понятия сплавы и их классификации и подробно остановиться на характеристике стали;

2. Изучить стержни и их структуру, вникнуть в особенности строения стальных стержней;

3. Выявить свойства прочности и жесткости стального стержня;

4. Привести примеры стальных стержней используемых в машиностроении;

5. Происследовать факторы, влияющие на прочность и жесткость стержня;

6. Предложить способы, улучшающие жесткость и прочность стержня.

Разработанность темы: Изучением данной проблемы занимались Г. Бессемером. Однако ими не было установлено, какие химические элементы, и в каком количестве подобрать, чтобы разработать идеальный рецепт для легирующей стали стержня.

Методы исследования: для исследования поставленной цели необходимо провести систематизацию и анализ собранного теоретического материала, применить для исследовательских работ оборудование: разрывную машину, микроскопические приборы, измерительные средства (штангенциркуль), лазерные установки, математические расчеты.

Практические ценности: результаты наших исследований могут быть применены для производственной деятельности ОАО НЕФАЗ, ОАО ТАРГИН МЕХАНОСЕРВИС. Структура работы: курсовая работа содержит две главы__, таблиц_, рисунков_ , общее количество стр._

Теоретическая часть

Сплавы. Классификация сплавов. Сталь

Сплав - макроскопически однородный металлический материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов .

Сплавы состоят из основы (одного или нескольких металлов), малых добавок, специально вводимых в сплав легирующих и модифицирующих элементов, а также из неудалённых примесей (природных, технологических и случайных).

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.

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 (например, чугуны, силумины), деформируемые (например, стали) и порошковые сплавы.

В твердом агрегатном состоянии сплав может быть гомогенным (однородным, однофазным - состоит из кристаллитов одного типа) и гетерогенным (неоднородным, многофазным).Твёрдый раствор является основой сплава (матричная фаза). Фазовый состав гетерогенного сплава зависит от его химического состава. В сплаве могут присутствовать: твердые растворы внедрения, твердые растворы замещения, химических соединений (в том числе карбиды, нитриды, интерметаллиды) и кристаллиты простых веществ.

Вывод: таким образом, изучив материал, мы пришли к выводу, что сплавы состоят из основы (одного или нескольких металлов), малых добавок, специально вводимых в сплав легирующих и модифицирующих элементов, а также из неудалённых примесей (природных, технологических и случайных). По способу изготовления сплавов различают литые и порошковые сплавы. Литые сплавы получают кристаллизацией расплава смешанных компонентов.

В следующем разделе мы подробно остановимся на характеристике стержня изготовленных из стали.

2. Понятия «стержня». Стальные стержни и их характеристика

Стержень- предмет удлиненной цилиндрической формы, обычно из железа; используется как опорная, осевая или основная часть чего либо.

Арматура - вид сортового металлопроката, представляющий собой стальные стержни, которые широко используются для армирования железобетонных конструкций. В качестве строительной арматуры могут использоваться также сетка, канаты, швеллеры или металлокаркасы. Благодаря применению стальной арматуры, изделия ЖБИ отличаются повышенной прочностью и долговечностью. Прочность, устойчивость к коррозии, технологии изготовления - все это является критериями, по которым стальная строительная арматура подразделяется на виды. Сведения о физических и химических характеристиках продукции производители наносят в виде маркировки непосредственно на саму стальную арматуры. Для определения основных характеристик продукции возможно также нанесение краски на торцы или хвостовую часть стержней.

ТКМ – дисциплина, изучающая способы получения различных металлов и неметаллических материалов, а также технологические методы формообразования заготовок и деталей литьем, сваркой обработкой давлением и резанием.

Металлы и их сплавы

Все известные в настоящее время химические элементы (более 100 наименований) по совокупности свойств подразделяют на металлы и неметаллы. Примерно 80 % общего числа элементов относится к металлам. Некоторые из них (мышьяк, сурьму и др.) иногда называют полуметаллами, так как по одним свойствам их можно отнести к металлам, а по другим – к неметаллам.

Металлы (от греческого металлон – копи, рудники) – вещества неорганического происхождения, многие из которых обладают характерным блеском, высокой плотностью, прочностью и твердостью, пластичностью, хорошей электро- и теплопроводностью.

Классификация металлов

Все существующие металлы условно принято подразделять на черные и цветные.

Черные металлы – промышленное название железа и его сплавов (чугун, сталь, ферросплавы и др.). Черные металлы составляют более 90 % всего объёма, используемых в экономике металлов, из них основную часть составляют различные стали.

Цветные металлы – все остальные, например:K(калий),Na(натрий),Ca(кальций),Al(алюминий),Mg(магний);Ni(никель),Cu(медь),Pb(свинец),Zn(цинк),Sn(олово),W(вольфрам),Ti(титан),Mо (молибден),V(ванадий),Nb(ниобий),Zr(цирконий),Au(золото),Ag(серебро),Pt(платина) и т.д.

Цветные металлы в свою очередь подразделяются на следующие группы:

- легкие цветные , например:K(калий),Na(натрий),Ca(кальций),Al(алюминий),Mg(магний);

- тяжелые цветные с плотностью более 5 г/см3, например:Ni(никель)i,Cu(медь),Pb(свинец),Zn(цинк),Sn(олово);

- благородные , например:Au(золото),Ag(серебро),Pt(платина);

- редкие.

Редкие металлы в свою очередь подразделяют на:

Тугоплавкие (с температурой плавления выше 1875 °С), например: W(вольфрам),Ti(титан),Mо (молибден),V(ванадий),Nb(ниобий),Zr(цирконий), Та (тантал);

Легкие, например: Sr(стронций),Sc(скандий),Rb(рубидий),Cs(цезий);

Радиоактивные, например: U(уран);Ra(радий),Ae(актинидий),Pd(палладий);

Редкоземельные, например: Ge(германий),Ga(галлий),Hf(гафний),In(индий),La(лантан),Tl(таллий), Се (церий),Re(рений).

Классификация сплавов

Технически чистые металлы обладают низкой прочностью и поэтому применение их ограничено. В промышленности, как правило, применяются сплавы металлов.

Сплавом (металлов) называют твёрдые и жидкие системы, образованные главным образом сплавлением двух или более металлов, а также металлов с различными неметаллами. Сплавы являются одним из основных конструкционных материалов. Среди них наибольшее значение имеют сплавы на основежелезаиалюминия. В технике применяется более 5 тыс. сплавов.

По характеру металла (основы) различают:

Черныеили железоуглеродистыесплавы - стали, чугуны (основа - Fe);

Цветные сплавы (основа - цветные металлы), в т.ч. :

сплавы на основе цветных металлов, таких как K(калий),Na(натрий),Ca(кальций),Al(алюминий),Mg(магний) называются легкими цветными сплавами;

на основе цветных металлов, таких как Ni(никель)i,Cu(медь),Pb(свинец),Zn(цинк),Sn(олово) называются тяжёлыми цветными сплавами;

на основе тугоплавких металлов, таких как W(вольфрам),Ti(титан),Mо (молибден),V(ванадий),Nb(ниобий),Zr(цирконий), и т.д. называются тугоплавкими сплавами;

- сплавы радиоактивных металлов (основа – радиоактивные металлы);

- сплавы редкоземельных металлов (основа – радиоактивные металлы).

В зависимости от количества основных компонентов, входящих в состав сплава, различают сплавы двойные (бинарные) и сложные (тройные, четверные и т. д.)

Примеси сплавов.

Помимо основных компонентов в состав сплавов входят примеси:

Случайные (попадают в сплав во время его приготовления);

Специальные (вводятся в сплав в виде добавок для придания ему необходимых эксплуатационных свойств)

Введение в сплав специальных добавок называется легированием, а сама добавка – лигатурой. Составляющими лигатуры могут быть как отдельные элементы (легирующие элементы), так и сплавы этих элементов (например: ферросплавы FeTi:FeV;FeCrи т.д.).

Помимо этого различают примеси вредные (S,P,O 2 ,H 2 ,N 2), ухудшающие свойства материалов, и полезные, улучшающие их свойства - (легирующие элементы).

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.

Декларация по УСН