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.

Материаловедение: конспект лекций Алексеев Виктор Сергеевич

4. Классификация сплавов. Железо и его сплавы

Сталь и чугун – основные материалы в машиностроении. Они составляют 95 % всех используемых в технике сплавов.

Сталь – это сплав железа с углеродом и другими элементами, содержащий до 2,14 % углерода. Углерод – важнейшая примесь стали. От его содержания зависят прочность, твердость и пластичность стали. Кроме железа и углерода, в состав стали входят кремний, марганец, сера и фосфор. Эти примеси попадают в сталь в процессе выплавки и являются ее неизбежными спутниками.

Чугун – сплав на железной основе. Отличие чугуна от стали заключается в более высоком содержании в нем углерода – более 2,14 %. Наибольшее распространение получили чугуны, содержащие 3–3,5 % углерода. В состав чугунов входят те же примеси, что и в стали, т. е. кремний, марганец, сера и фосфор. Чугуны, у которых весь углерод находится в химическом соединении с железом, называют белыми (по виду излома), а чугуны, весь углерод которых или большая его часть представляет графит, получили название серых. В белых чугунах всегда имеется еще одна структурная составляющая – ледебурит. Это эвтектика, т. е. равномерная механическая смесь зерен аустенита и цементита, получающаяся в процессе кристаллизации, в ней 4,3 % углерода. Ледебурит образуется при температуре +1147 °C.

Феррит – твердый раствор небольшого количества углерода (до 0,04 %) и других примесей в? – железе. Практически это чистое железо. Цементит – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа.

Перлит – равномерная механическая смесь в сплаве феррита и цементита. Такое название эта смесь получила потому, что шлиф при ее травлении имеет перламутровый оттенок. Так как перлит образуется в результате процессов вторичной кристаллизации, его называют эвтектоидом. Он образуется при температуре +727 °C. В нем содержится 0,8 % углерода.

Перлит имеет две разновидности. Если цементит в нем расположен в виде пластинок, его называют пластинчатым, если же цементит расположен в виде зерен, перлит называют зернистым. Под микроскопом пластинки цементита кажутся блестящими, потому что обладают большой твердостью, хорошо полируются и при травлении кислотами разъедаются меньше, чем пластинки мягкого феррита.

Если железоуглеродистые сплавы нагреть до определенных температур, произойдет аллотропическое превращение? -железа в? -железо и образуется структурная составляющая, которая называется аустенитом.

Аустенит представляет собой твердый раствор углерода (до 2,14 %) и других примесей в? -железе. Способность углерода

растворяться в железе неодинакова при различных температурах. При температуре +727 °C ? -железо может растворять не более 0,8 % углерода. При этой же температуре происходит распад аустенита с образованием перлита. Аустенит – мягкая структурная составляющая. Он отличается большой пластичностью, не обладает магнитными свойствами.

При изучении структурных составляющих железоуглеродистых сплавов установлено, что они при комнатной температуре всегда состоят из двух структурных элементов: мягкого пластичного феррита и твердого цементита, упрочняющего сплав.

автора Коршевер Наталья Гавриловна

Железо Оно было известно уже в древности. А в Средневековье различали не только сталь, железо и чугун, но и различные их марки. Например, клинки оружия могли изготавливаться из обычной стали или из дамасской – знаменитого булата. Кузнецы того времени, конечно же, не знали,

Из книги Загадка булатного узора автора Гуревич Юрий Григорьевич

Медь и сплавы Довольно часто домашние слесари отдают предпочтение меди (удельный вес 9,0 г/см2), поскольку ее мягкость и пластичность позволяют добиваться точности и высокого качества при изготовлении всевозможных деталей и изделий.Чистая (красная) медь – прекрасный

Из книги Материаловедение: конспект лекций автора Алексеев Виктор Сергеевич

«Белое железо» индийского царя Пора Во второй половине I тысячелетия до нашей эры железо знали уже многие страны и народы. Из него изготовляли плуг и топор, кинжал и меч. Оружейники старались сделать кинжалы, мечи прочными и упругими, твердыми и острыми. В древности это

Из книги Боевые корабли автора Перля Зигмунд Наумович

ЛЕКЦИЯ № 5. Сплавы 1. Строение металлов Металлы и их сплавы – основной материал в машиностроении. Они обладают многими ценными свойствами, обусловленными в основном их внутренним строением. Мягкий и пластичный металл или сплав можно сделать твердым, хрупким, и наоборот.

Из книги Материалы для ювелирных изделий автора Куманин Владимир Игоревич

1. Диаграмма железо-цементит Диаграмма железо-цементит охватывает состояние железоуглеродистых сплавов, которые содержат до 6,67 % углерода. Рис. 7. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов (сплошные линии – система Fe-Fe 3 C; штриховые – система Fe-C)Углеродистые

Из книги Фильтры для очистки воды автора Хохрякова Елена Анатольевна

2. Медные сплавы Медь относится к числу металлов, известных с глубокой древности. Раннему знакомству человека с медью способствовало то, что она встречается в природе в свободном состоянии в виде самородков, которые иногда достигают значительных размеров. В настоящее

Из книги Материаловедение. Шпаргалка автора Буслаева Елена Михайловна

3. Алюминиевые сплавы Название «алюминий» происходит от латинского слова alumen – так за 500 лет до н. э. называли алюминиевые квасцы, которые использовались для протравливания при крашении тканей и дубления кож.По распространенности в природе алюминий занимает третье

Из книги автора

4. Титановые сплавы Титан – металл серебристо-белого цвета. Это один из наиболее распространенных в природе элементов. Среди других элементов по распространенности в земной коре (0,61 %) он занимает десятое место. Титан легок (плотность его 4,5 г/см 3), тугоплавок

Из книги автора

5. Цинковые сплавы Сплав цинка с медью – латунь – был известен еще древним грекам и египтянам. Но выплавка цинка в промышленных масштабах началась лишь в XVII в.Цинк – металл светло-серо-голубоватого цвета, хрупкий при комнатной температуре и при 200 °C, при нагревании до

Из книги автора

Пар и железо В последние десятилетия XVIII века на заводах и фабриках Европы произошли большие изменения. Были изобретены паровая и другие машины для металлургических, машиностроительных и текстильных заводов и фабрик. Машинное производство вытесняло ручной труд. На

Из книги автора

7.4. Сплавы меди, имитирующие золотые и серебряные сплавы С целью удешевления художественных изделий при производстве недорогих украшений широко используются томпак, латунь, мельхиор, нейзильбер; при изготовлении художественных изделий – бронзы.Сплавы меди с цинком,

Из книги автора

10. Серебро и его сплавы Серебро – химический элемент, металл. Атомный номер 47, атомный вес 107,8. Плотность 10,5 г/см3. Кристаллическая решетка – гранецентрированная кубическая (ГЦК). Температура плавления 963 °C, кипения 2865 °C. Твердость по Бринеллю 16,7.Серебро – металл белого

Из книги автора

11. Золото и его сплавы Золото – химический элемент, металл. Атомный номер 79, атомный вес 196,97, плотность 19,32 г/см3. Кристаллическая решетка – кубическая гранецентрировапная (ГЦК). Температура плавления 1063 °C, кипения 2970 °C. Твердость по Бринеллю – 18,5.Золото – металл желтого

Из книги автора

Железо общее Железо – один из самых распространенных элементов в природе. Его содержание в земной коре составляет около 4,7 % по массе, поэтому железо, с точки зрения его распространенности в природе, принято называть макроэлементом.В природной воде железо содержится в

Из книги автора

27. Строение и свойства железа; метастабильная и стабильная фазовые диаграммы железо-углерод. Формирование структуры углеродистых сталей. Определение содержания углерода в стали по структуре Сплавы железа с углеродом являются самыми распространенными металлическими

Из книги автора

47. Титан и его сплавы Титан и сплавы на его основе обладают высокой коррозионной стойкостью и удельной прочностью. Недостатки титана: его активное взаимодействие с атмосферными газами, склонность к водородной хрупкости.Азот, углерод, кислород и водород, упрочняя титан,

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.

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.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

Документы