Металлы и сплавы

Категория:
Промышленные материалы


Металлы и сплавы

Металлы и изделия из них применяются для изготовления машин, станков и оборудования, для производства товаров народного потребления.

При изучении металлов и изделий из них необходимо знать их свойства, классификацию, факторы, влияющие на качество. Качество металлоизделий, срок их службы зависят от природы металла, его строения (структуры), от технологии изготовления, отделки, а также от условий эксплуатации, транспортирования и хранения. Одни и те же металлоизделия в одних условиях могут долго эксплуатироваться, а в других быстро выходят из строя.

Металлы. Металлы представляют собой кристаллические вещества неорганического происхождения, характеризующиеся высокой электро- и теплопроводностью, прочностью, вязкостью, пластичностью.

Примерно три четверти элементов таблицы Д. И. Менделеева приходится на долю металлов. Наиболее распространенные из них — железо, алюминий, медь, свинец, цинк, хром, титан, вольфрам, магний, молибден. К металлам относят также и их сплавы.

Металлы делятся на черные и цветные. К черным относятся железо и сплавы железа с углеродом (сталь и чугун), к цветным (нежелезным) — все остальные металлы.

По плотности нежелезные металлы подразделяют на тяжелые (>4,5 г/см3) и легкие (<4,5 г/см3). К первым относят свинец, медь, олово, цинк и др. Наиболее тяжелыми являются благородные металлы — золото и платина. К легким относят алюминий, титан, магний и др.

По температуре плавления металлы делят на легкоплавкие и тугоплавкие. К легкоплавким относят металлы с температурой плавления до 1539°С (свинец, олово, цинк, алюминий и др.), остальные— к тугоплавким (вольфрам, молибден, ниобий и др.).

По степени чистоты (наличию примесей) металлы подразделяют на шесть подгрупп. В первую подгруппу (пониженной чистоты) включены металлы с содержанием примесей от 1 до 5%. Во второй подгруппе (средней, технической чистоты) примесей допускается от 0,1 до 1%; в третьей (повышенной чистоты) —от 0,01 до 0,1%: в четвертой (высокой чистоты) —от 0,001 до 0,01%; в пятой (особой чистоты)—от 0,0001 до 0,001%; в шестой подгруппе (сверхчистых металлов) примесей должно содержаться не более 0,0000001%.

Металлы второй и третьей подгрупп применяют для производства металлоизделий, четвертой и пятой — для изготовления токо-ведущих жил, проводов, шнуров, клемм и самых разнообразных деталей в радио- и электротехнике, шестой — цля выработки полупроводниковых материалов и других специальных изделий.

По степени окисления металлы подразделяют на благородные и обыкновенные. К благородным металлам относятся золото, серебро, платина; к обыкновенным — все остальные. Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. Элементарные частицы, из которых состоят металлы, располагаются в определенном порядке, образуя при этом простые или сложные решетки (рис. 1). Каждая решетка имеет соответствующее число атомов и характеризуется определенным расстоянием между ними.

Каждый металл имеет определенную решетку. Но ряд металлов в зависимости от температуры, давления и других факторов может иметь несколько решеток. Существование одного металла в нескольких кристаллических формах называется аллотропией. Различные кристаллические формы одного металла называются аллотропическими модификациями. Переход одной модификации в другую может приводить в некоторых случаях к разрушению металла. Например, олово при охлаждении ниже, температуры — 18°С вследствие больших объемных изменений превращается в порошок.

Переход металла из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией, а из твердого в жидкое — плавлением. Кристаллизация металла начинается при наличии в расплаве атомов металла или других элементов, являющихся центрами кристаллизации. Чем больше в расплаве центров кристаллизации, тем меньших размеров образуются зерна. Металл с мелкозернистой структурой характеризуется более высокой прочностью, чем металл с крупнозернистой структурой. Поэтому в жидкий металл иногда вводят добавки, являющиеся дополнительными центрами кристаллизации. Такой процесс называется модифицированием. Он применяется для повышения механических свойств изделий.

Рис. 1. Основные виды кристаллических решеток: а — объемно-центрированная кубическая; б — гранецен’грированная кубическая; в — гексагональная

Свойства металлов разнообразны. Наиболее важными из них являются физические, химические и технологические свойства. К физическим свойствам относятся механические и электрические. Важнейшими показателями механических свойств металлов являются разрушающее напряжение (предел прочности), предел пропорциональности, предел текучести, ударная вязкость, твердость, пластичность и др.

Предел пропорциональности соответствует максимальному напряжению, при котором сохраняется прямая зависимость между нагрузкой и удлинением.

Твердость определяют методом вдавливания в образец стального закаленного шарика (метод Бринелля) или алмазного конуса (метод Роквелла). Твердость по Бринеллю (НВ) выражается в МПа. Твердость по Роквеллу (HR) выражается в условных единицах (по шкале А — HRA и шкале С — HRC). Этот метод применяют в тех случаях, когда твердость материалов 40 МПа и более.

Пластические свойства учитывают как при определении механических свойств, так и при обработке металлических заготовок при получении из них готовых изделий.

Электрические свойства металлов характеризуют их способность проводить электрический ток. Хорошо проводят электрический ток серебро, медь, алюминий. Металлы, имеющие высокое сопротивление прохождению электрического тока с выделением большого количества теплоты, широко применяют для изготовления электронагревательных элементов, нитей накаливания в осветительных приборах и т. п.

Металлы могут намагничиваться и притягиваться магнитом. Эти свойства металлов учитываются при изготовлении генераторов, электромоторов, трансформаторов, реле. Наиболее высокие магнитные свойства имеют железо, никель, кобальт и сплавы на их основе.

Важное значение имеют также и термические, свойства металлов — линейное и объемное расширение, теплопроводность и др. Линейное и объемное расширение широко используется при изготовлении биметаллических деталей для терморегуляторов и других приборов.

Химические свойства характеризуют способность металла сопротивляться разрушению от коррозии. Стойкость к коррозии зависит от природы металлов, степени легирования и состава внешней среды.

Технологические свойства металлов характеризуют их поведение при различных видах обработки — формовке, отделке и декорировании изделий из металлов. Различают литейные свойства металлов (жидкотекучесть, усадку, температуру плавления), ковкость, вытяжку, способность к обработке резанием и т. д.

Жидкотекучесть — свойство жидкого металла или сплава полностью заполнять форму.

Усадка — изменение объема металла при переходе его из жидкого состояния в твердое. Чем меньше усадка и ниже температура плавления металла, тем легче отливать из него высококачественные изделия.

Ковкость и вытяжка характеризуют возможность обработки металлов давлением.

Сплавы. Металлическими сплавами называют материалы, полученные соединением двух металлов или нескольких расплавленных металлов с неметаллами (с кремнием, углеродом и другими элементами) или выплавкой из руд. Сплавы благодаря своим свойствам применяются значительно шире, чем металлы.

Сплавы классифицируют по назначению, количеству элементов, входящих в их состав, наличию специальных примесей, структуре, способу получения из них изделий и другим признакам.

По назначению сплавы бывают общего применения и специальные (шарикоподшипниковые, для изготовления заклепок и др.).

По количеству элементов (компонентов) сплавы делят на двойные (бинарные) и сложные — тройные, четверные и т. д.

По наличию специальных примесей сплавы делят на легированные и нелегированные. К первым относят сплавы со специальными добавками, придающими им определенные свойства. По количеству легирующих добавок они бывают низколегированными (до 5%), среднелегированными (5—10%) и высоколегированными (более 10%). Нелегированные сплавы специальных добавок не имеют.

По структуре сплавы делят на эвтектические, твердые растворы и химические соединения. Эвтектические сплавы состоят из различных зерен с характерными для них решетками. Эти сплавы отличаются высокими литейными свойствами, что характерно для чугунов и алюминиевых сплавов.

Твердые растворы характеризуются тем, что их компоненты взаимно растворяются как в жидком, так и в твердом состояниях. В отличие от эвтектических сплавов они имеют однородное строение. Свойства твердых растворов зависят в основном от количества одного из элементов.

В химических соединениях атомы исходных компонентов образуют новую решетку. Свойства их резко отличаются от свойств исходных компонентов.

Сплавы по способу получения из них изделий делятся на деформируемые и литейные. Из первых изделия получают методами давления — прокаткой, ковкой, вытяжкой и т. п. К литейным относят сплавы, из которых изделия изготовляют литьем.

Кроме того, сплавы подразделяют на прецизионные и обыкновенные. К первым относят сплавы со строго определенным химическим составом и специфическими свойствами (магнито-мягкие, магнито-твердые, сплавы с особыми электрическими, тепловыми свойствами и др.).


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум