Как называются сплавы на основе железа?

Сплавы ― это макроскопически однородные материалы, имеющие металлические свойства и состоящие из смеси двух или большего числа химических элементов, из которых.
Содержание

Как называются сплавы на основе железа?

Сплавы, их классификация и применение.

Сплавы ― это макроскопически однородные материалы, имеющие металлические свойства и состоящие из смеси двух или большего числа химических элементов, из которых хотя бы один является металлом. Многие металлические сплавы имеют один или несколько металлов в качестве основы с малыми добавками других специально вводимых в сплав легирующих и модифицирующих элементов. Также в составе сплава могут содержаться неудалённые примеси (природные, технологические и случайные).

По способу изготовления различают два типа сплавов:

  • Литые сплавы изготавливаются самым распространенным способом – кристаллизацией однородной смеси их расплавленных компонентов.
  • Порошковые сплавы образуются путем прессования смеси порошков компонентов 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 два типа сплавов:

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

В промышленности используют большое количество сплавов – конструкционных, инструментальных, специальных (см. Табл. 1, 2). Их различают по назначению:

  • стали;
  • чугуны;
  • дюралюминий.

Конструкционные сплавы со специальными свойствами (например, искробезопасность, антифрикционные свойства):

  • бронзы;
  • латуни.

Сплавы для заливки подшипников:

Сплавы для измерительной и электронагревательной аппаратуры:

  • манганин;
  • нихром.

Для изготовления режущих инструментов:

В промышленности также используются жаропрочные, легкоплавкие и коррозионностойкие сплавы, термоэлектрические и магнитные материалы, а также аморфные сплавы.

Число металлических сплавов, применяемых в наши дни, очень велико и непрерывно растет. Их принято разделять на две большие категории: сплавы на основе железа и сплавы цветных металлов. Ниже перечислим наиболее важные сплавы промышленного значения и укажем основные области их применения.

Сплавы железа с углеродом, содержащие его до 2%, называются сталями. При введении легирующих элементов, таких, как хром, ванадий, никель, сталь становится легированной. Из всех видов металлов и сплавов, стали занимают первое место по объему их производства. Сфера их применения чрезвычайно широка, сложно было бы перечислить все возможные варианты. В общем можно сказать, что малоуглеродистые стали (менее 0,25% углерода) используется в качестве конструкционного материала, а стали с более высоким содержанием углерода (более 0,55%) идут на изготовление таких низкоскоростных режущих инструментов, как бритвенные лезвия и сверла. Легированные стали применяются в машиностроении всех видов и в производстве быстрорежущих инструментов.

Чугуном называют сплав железа с 2–4% углерода. Кроме того, важным компонентом чугуна является кремний. Из чугуна отливают самые разнообразные изделия, имеющие утилитарные функции, например крышки для люков, трубопроводную арматуру, блоки цилиндров двигателей. В правильно выполненных отливках достигаются хорошие механические свойства материала.

Такие сплавы в основном представлены различными видами латуни, т.е. медными сплавами, содержащими от 5 до 45% цинка. Латунь с содержанием от 5 до 20% цинка называется красной (томпаком), а с содержанием 20–36% Zn – желтой (альфа-латунью). Латуни применяются в производстве различных мелких деталей, где требуются хорошая обрабатываемость и формуемость. Популярны также сплавы меди с оловом, кремнием, алюминием или бериллием – это бронзы. Например, сплав меди с кремнием ― кремнистая бронза. Фосфористая бронза (медь с 5% олова и следовыми количествами фосфора) обладает высокой прочностью и применяется для изготовления пружин и мембран.

Такие сплавы широко применяются для пайки. Обычный припой (третник) состоит из одной части свинца и двух частей олова. Он широко применяется для соединения (пайки) трубопроводов и электропроводов. Кроме того, из сурьмяно-свинцовых сплавов делают оболочки телефонных кабелей и пластины аккумуляторов. Сплавы свинца с определенным количеством кадмия, олова и висмута могут иметь точку плавления, лежащую значительно ниже точки кипения воды (

70° C); по этой причине из них делают плавкие пробки клапанов спринклерных систем противопожарного водоснабжения. Сплав пьютер, из которого до сих пор производят декоративную посуду и украшения, содержит 85–90% олова (остальное – свинец). Свинец содержится в подшипниковых сплавах, называемых баббитами, в них также присутствуют такие химические элементы, как олово, сурьма и мышьяк.

В современной промышленности необходимы легкие сплавы с высокой прочностью, обладающие хорошими высокотемпературными механическими свойствами. Основными металлами легких сплавов служат алюминий, магний, титан и бериллий. Однако сплавы на основе алюминия и магния не могут применяться в условиях высокой температуры и в агрессивных средах.

К этим сплавам относятся литейные сплавы (алюминий Al – кремний Si), сплавы для литья под давлением (алюминий Al – магний Mg) и самозакаливающиеся сплавы повышенной прочности (алюминий Al – медь Cu). Алюминиевые сплавы экономичны, легкодоступны, они достаточно прочны при низких температурах и легко обрабатываются (легко куются, штампуются, пригодны для глубокой вытяжки, волочения, экструдирования, литья, хорошо свариваются и обрабатываются на металлорежущих станках). Необходимо заметить, что механические свойства всех алюминиевых сплавов заметно ухудшаются при температурах выше приблизительно 175° С. Но благодаря образованию защитной оксидной пленки на поверхности алюминиевые сплавы проявляют хорошую коррозионную стойкость в большинстве обычных агрессивных сред. Эти сплавы хорошо проводят электричество и тепло, обладают высокой отражательной способностью, немагнитны, безвредны в контакте с пищевыми продуктами (поскольку продукты коррозии бесцветны, не имеют вкуса и нетоксичны), взрывобезопасны (поскольку не дают искр) и хорошо поглощают ударные нагрузки. Благодаря такому сочетанию свойств алюминиевые сплавы служат хорошими материалами для легких поршней, применяются в вагоно-, автомобиле- и самолетостроении, в пищевой промышленности, в качестве архитектурно-отделочных материалов, в производстве осветительных отражателей, технологических и бытовых кабелепроводов, при прокладке высоковольтных линий электропередачи.

Примесь железа, от которой трудно избавиться, повышает прочность алюминия при высоких температурах, но снижает коррозионную стойкость и пластичность при комнатной температуре. Кобальт, хром и марганец ослабляют охрупчивающее действие железа и повышают коррозионную стойкость. При добавлении лития к алюминию повышаются модуль упругости и прочность, что делает такой сплав весьма привлекательным для авиакосмической промышленности. К сожалению, при своем превосходном отношении предела прочности к массе (удельной прочности) сплавы алюминия с литием обладают низкой пластичностью.

Магниевые сплавы легки, характеризуются высокой удельной прочностью, а также хорошими литейными свойствами и превосходно обрабатываются резанием. Поэтому они применяются для изготовления деталей ракет и авиационных двигателей, корпусов для автомобильной оснастки, колес, бензобаков, портативных столов и т.п. Некоторые магниевые сплавы, обладающие высоким коэффициентом вязкостного демпфирования, идут на изготовление движущихся частей машин и элементов конструкции, работающих в условиях нежелательных вибраций.

Магниевые сплавы имеют свои недостатки, они довольно мягки, плохо сопротивляются износу и не очень пластичны. Зато они легко формуются при повышенных температурах, пригодны для электродуговой, газовой и контактной сварки, а также могут соединяться пайкой (твердым), болтами, заклепками и клеями. Такие сплавы не отличаются особой коррозионной стойкостью по отношению к большинству кислот, пресной и соленой воде, но стабильны на воздухе. От коррозии их обычно защищают поверхностным покрытием – хромовым травлением, дихроматной обработкой, анодированием. Магниевым сплавам можно также придать блестящую поверхность либо плакировать медью, никелем и хромом, нанеся предварительно покрытие погружением в расплавленный цинк. Анодирование магниевых сплавов повышает их поверхностную твердость и стойкость к истиранию. Магний – металл химически активный, а потому необходимо принимать меры, предотвращающие возгорание стружки и свариваемых деталей из магниевых сплавов.

Титановые сплавы превосходят как алюминиевые, так и магниевые в отношении предела прочности и модуля упругости. Их плотность больше, чем всех других легких сплавов, но по удельной прочности они уступают только бериллиевым. При достаточно низком содержании углерода, кислорода и азота они довольно пластичны. Электрическая проводимость и коэффициент теплопроводности титановых сплавов малы, они стойки к износу и истиранию, а их усталостная прочность гораздо выше, чем у магниевых сплавов. Предел ползучести некоторых титановых сплавов при умеренных напряжениях (порядка 90 МПа) остается удовлетворительным примерно до 600° C, что значительно выше температуры, допустимой как для алюминиевых, так и для магниевых сплавов. Титановые сплавы достаточно стойки к действию гидроксидов, растворов солей, азотной и некоторых других активных кислот, но не очень стойки к действию галогеноводородных, серной и ортофосфорной кислот.

Титановые сплавы ковки до температур около 1150° C. Они допускают электродуговую сварку в атмосфере инертного газа (аргона или гелия), точечную и роликовую (шовную) сварку. Обработке резанием они не очень поддаются (схватывание режущего инструмента). Плавка титановых сплавов должна производиться в вакууме или контролируемой атмосфере во избежание загрязнения примесями кислорода или азота, вызывающими их охрупчивание. Титановые сплавы применяются в авиационной и космической промышленности для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах (150–430° C), а также в некоторых химических аппаратах специального назначения. Из титано-ванадиевых сплавов изготавливается легкая броня для кабин боевых самолетов. Титан-алюминиево-ванадиевый сплав – основной титановый сплав для реактивных двигателей и корпусов летательных аппаратов.

Пластичный бериллиевый сплав можно получить, например, вкрапляя хрупкие зерна бериллия в мягкую пластичную матрицу, такую, как серебро. Сплав этого состава удалось холодной прокаткой довести до толщины, составляющей 17% первоначальной. Бериллий превосходит все известные металлы по удельной прочности. В сочетании с низкой плотностью это делает бериллий пригодным для устройств систем наведения ракет. Модуль упругости бериллия больше, чем у стали, и бериллиевые бронзы применяются для изготовления пружин и электрических контактов. Чистый бериллий используется как замедлитель и отражатель нейтронов в ядерных реакторах. Благодаря образованию защитных оксидных слоев он устойчив на воздухе при высоких температурах. Главная трудность, связанная с бериллием, – его токсичность. Он может вызывать серьезные заболевания органов дыхания и дерматит.

Читайте также  Роликовый шов что это такое?

4. Классификация сплавов. Железо и его сплавы

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.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Читайте также

«Белое железо» индийского царя Пора

«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

Железо

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,

Медь и сплавы

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

Пар и железо

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

ЛЕКЦИЯ № 5. Сплавы

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.

1. Диаграмма железо—цементит

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

2. Медные сплавы

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

3. Алюминиевые сплавы

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

4. Титановые сплавы

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

5. Цинковые сплавы

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

Железо общее

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

7.4. Сплавы меди, имитирующие золотые и серебряные сплавы

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,

10. Серебро и его сплавы

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

11. Золото и его сплавы

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

27. Строение и свойства железа; метастабильная и стабильная фазовые диаграммы железо-углерод. Формирование структуры углеродистых сталей. Определение содержания углерода в стали по структуре

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

47. Титан и его сплавы

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,

Сплавы

Сплавы — это материалы, имеющие металлические свойства и состоящие из двух или большего числа химических элементов, из которых хотя бы один является металлом. Самый распространенный способ получения сплавов — затвердевание однородной смеси их расплавленных компонентов. Почти все металлы, имеющие промышленное значение, используются в виде сплавов. Так, например, все выплавляемое железо почти целиком идет на изготовление обычных и легированных сталей, а также чугунов.

Сплавы на основе железа

Сталь. Сплавы железа с углеродом, содержащие его до 2%, называются сталями. В состав легированных сталей входят и другие элементы — хром, ванадий, никель. Сталей производится гораздо больше, чем каких-либо других металлов и сплавов, и все виды их возможных применений трудно было бы перечислить. Малоуглеродистая сталь (менее 0,25% углерода) в больших количествах потребляется в качестве конструкционного материала. Сталям свойственны также хорошие технологические свойства. К тому же они сравнительно недороги.

Благодаря этим достоинствам стали — основной конструкционный материал промышленности. Разработано около 2000 марок сталей и сплавов на основе железа.

Чугун. Чугуном называется сплав железа с содержанием углерода 2—4%. Важным компонентом чугуна является также кремний. Из чугуна можно отливать самые разнообразные и очень полезные изделия, например крышки для люков, трубопроводную арматуру, блоки цилиндров двигателей. В правильно выполненных отливках достигаются хорошие механические свойства материала.

Возрастающие требования техники к металлическим материалам, прежде всего в отношении их механических свойств, коррозионной стойкости в различных агрессивных средах привели к созданию новых сплавов железа, содержащих Cr, Ni, Si, Mo, W и др.

Кроме того, для введения в сталь легирующих элементов применяются особые сплавы железа, получившие название ферросплавов.

В технике сплавы железа принято называть черными металлами, а их производство — черной металлургией.

Элементы, специально вводимые в сталь для изменения ее свойств, называются легирующими элементами, а сталь, содержащая такие элементы, называется легированной. К важнейшим легирующим элементам относятся Cr, Ni, Mn, W, Мо. Широко применяются жаростойкие сплавы на основе никеля (нихром, содержащий никель, хром и другие).

Читайте также  Различные виды сборных железобетонных изделий

В настоящее время создано большое число нержавеющих сталей путем присадок к железу никеля, хрома, кобальта и др. Такие стали не покрываются ржавчиной, но их поверхностная коррозия имеет место, хотя и с малой скоростью. Оказалось, что при использовании легирующих добавок коррозионная стойкость меняется скачкообразно.

Установлено правило, названное правилом Таммана, согласно которому резкое повышение устойчивости к коррозии железа наблюдается при введении легирующей добавки в количестве 1/8 атомной доли, т.е. один атом легирующей добавки приходится на восемь атомов железа. Считается, что при таком соотношении атомов происходит их упорядоченное расположение в кристаллической решетке твердого раствора, что и затрудняет коррозию.

Легированной считают сталь, в которой содержание определенных химических элементов не менее: 0,0001% бора; 0,1% титана, циркония, ниобия, ванадия и молибдена и 1,0% других легирующих элементов.

В низколегированных сталях суммарное содержание легирующих элементов — до 5%, в среднелегированных — 5—10% и высоколегированных — более 10%.

Чем выше легированность стали, тем больше ее стоимость. Наиболее дорогими являются стали с такими легирующими элементами, как Ni, Mo, W, Со.

Низколегированные стали наиболее широко применяются в строительстве. В машиностроении используют средне- и высоколегированные стали. В этих сталях обычно содержится 0,8—1,8% Мп; 0,4—1,2% Si; 0,8—1,0% Cr; 1,0—4,5% Ni; 0,15—0,4% Mo; 0,5—1,2% W; 0,06—0,3% V; 0,03—0,09% Ti; 0,002—0,005% B.

Рассмотрим особенности и область применения различных легированных сталей.

  • 1. Жароустойчивые стали — легируют хромом, кремнием, алюминием и никелем, которые при высоких температурах образуют плотные оксидные пленки. Сталь, содержащую 1% кремния и 15% хрома, можно эксплуатировать при температуре 800°С. Такие стали применяют при производстве газовых турбин, клапанов моторов, реактивных двигателей.
  • 2. Нержавеющие стали — должны содержать до 12% хрома и не более 0,23% углерода, что позволяет им быть устойчивыми против коррозии в щелочных, кислотных условиях и при высокой минерализации. Используют при изготовлении конструкций, эксплуатируемых в морской воде, например, арматура для опор Крымского моста.
  • 3. Износоустойчивые стали — содержат до 1,3% углерода и 14% марганца, обладают большой способностью к упрочнению. Из такой стали изготавливают технику для строительства, ковши экскаваторов, стрелки на железнодорожных путях.
  • 4. Конструкционные стали — это прежде всего хромированные и никелированные. Содержание хрома до 1,5% позволяет повысить прочность и твердость стали, а значит, расширить ее эксплуатационные характеристики при возведении высотных и большепролетных зданий. Введение до 5% никеля позволяет повысить коррозионную устойчивость в агрессивных средах, в том числе и газовых, что позволяет эксплуатировать изделия из них в нефтегазовой промышленности.
  • 5. Инструментальные стали — при строительстве требуется большое число инструментов, которые по прочности должны быть выше, чем строительные материалы. Наиболее высокая износоустойчивость достигается при введении в качестве легирующей добавки вольфрама до 1,5%, но поскольку он дорог, то его заменяют композициями Сг 1,2—1,6%, Мп 0,4—1,1%, Si 0,4%.

Структура и основные свойства сплавов на основе железа

Сталь (польск. stal, от нем. Stahl) — деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (

2%) и другими элементами. Сталь — важнейший продукт черной металлургии, являющийся материальной основой практически всех отраслей промышленности. Масштабы производства стали в значительной степени характеризуют технико-экономический уровень развития государства.

К стали как важнейшему материалу современной техники предъявляются разнообразные требования, что обусловливает большое число марок стали, отличающихся по химическому составу, структуре, свойствам. Основной компонент стали — железо. Свойственный железу полиморфизм, т.е. способность кристаллической решетки менять свое строение при нагреве и охлаждении, присущ и стали. Для чистого железа известны две кристаллические решетки — кубическая объемноцентрированная (a-железо, при более высоких температурах б-железо) и кубическая гранецентрированная (у-железо). Температуры перехода одной модификации железа в другую (910 °С и 1400 °С) называются критическими точками. Углерод и другие компоненты и примеси стали меняют положение критических точек на температурной шкале. Взаимодействие углерода с модификациями железа приводит к образованию так называемых твердых растворов. Растворимость углерода в a-железе весьма мала; этот раствор называется ферритом. В у-железе, существующем при высоких температурах, растворяется практически весь углерод, содержащийся в стали (предел растворимости углерода в у-железе 2,01%); образующийся раствор называется аустенитом. Содержание углерода в стали всегда превышает его растворимость в a-железе; избыточный углерод образует с железом химическое соединение — карбид железа Fe3C, или цементит. Таким образом, при комнатной температуре структура стали состоит из частиц феррита и цементита, присутствующих либо в виде отдельных включений (так называемых структурно-свободных феррита и цементита), либо в виде тонкой механической смеси, называемой перлитом. Общие сведения о температурных и концентрационных границах существования фаз (феррита, цементита, перлита и аустенита) дает диаграмма состояния сплавов Fe—С (рис. 1.17).

Рис. 1.17. Диаграмма состояния сплавов Fe—С

Железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14% С и затвердевающие с образованием эвтектики, называются чугунами. Благодаря сочетанию высоких литейных свойств, достаточной прочности, износостойкости, а также относительной дешевизне чугуны получили широкое распространение в машиностроении. Их используют для производства качественных отливок сложной формы при отсутствии

жестких требований к габаритным размерам и массе деталей. Чугун отличается от стали по составу — более высокое содержание углерода и примесей, по технологическим свойствам — более высокие литейные свойства, малая способность к пластической деформации, почти не используется в сварных конструкциях. Чугун является промежуточным продуктом при производстве стали.

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит.

Железо — переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления — 1539 °С ± 5 °С.

В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911 °С и 1392 °С. При температуре ниже 911 °С существует Fea с объемно- центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911—1392 °С устойчивым является Fey с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392 °С железо имеет объемноцентрирован- ную кубическую решетку и называется Fe5 или высокотемпературное Fea. Высокотемпературная модификация не представляет собой новой аллотропической формы. Критическую температуру 911 °С превращения обозначают точкойЛЗ, атемпературу 1392 °С превращения — точкой А4.

При температуре ниже 768 °С железо ферромагнитно, а выше — парамагнитно. Точка Кюри железа 768 °С обозначается А2.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности — ав = 250 МПа, а предел текучести — ах = 120 МПа) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение — 8 = 50%, а относительное сужение — i = 80%). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.

Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами — растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом — растворы внедрения.

Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления — 3500 °С, плотность — 2,5 г/см 3 ) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления — 5000 °С).

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения — цементита (Fe3C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

Цементит (Fe3C) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67% углерода.

Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.

Температура плавления цементита точно не установлена (1250, 1550 °С). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217 °С.

Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки.

Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азота, кислорода; атомы железа — металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.

Цементит — соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурооб- разовании чугунов.

В системе железо—углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.

  • 1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.
  • 2. Феррит (Ф) Fea(C) — твердый раствор внедрения углерода в железо. Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную — 0,006% при комнатной температуре (точка Q), максимальную — 0,02% при температуре 727 °С (точка Р). Углерод располагается в дефектах решетки.

При температуре выше 1392 °С существует высокотемпературный феррит (5) Fe8(C), с предельной растворимостью углерода 0,1% при температуре 1499 °С (точка У).

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость — 130 НВ, предел прочности — ав = 300 МПа) и пластичен (относительное удлинение — 5 =30%), магнитен до 768 °С.

3. Аустенит (A) Fey(C) — твердый раствор внедрения углерода ву-железо.

Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную—0,8% при температуре 727 °С (точка 5), максимальную — 2,14% при температуре 1147 °С (точка Е).

Аустенит имеет твердость 200—250 НВ, пластичен (относительное удлинение — 8 =40-^50%), парамагнитен.

При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.

4. Характеристика цементита дана выше.

Вид диаграммы состояния сплавов железа с тем или иным компонентом определяется, с одной стороны, типом взаимоотношения железа с рассматриваемым компонентом, а с другой — характером влияния этого компонента на положение точек аллотропических превращений в железе.

Читайте также  Техника безопасности при плазменной сварке

В железоуглеродистых сплавах присутствуют следующие фазы: цементит первичный (Uj), цементит вторичный (Цп), цементит третичный (Цш). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении — вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Для феррита характерны относительно низкие прочность и твердость, но высокие пластичность и ударная вязкость. Цементит хрупок, но весьма тверд и прочен. Перлит обладает ценным сочетанием прочности, твердости, пластичности и вязкости. Соотношение между этими фазами в структуре стали определяется главным образом содержанием в ней углерода; различные свойства этих фаз и обусловливают многообразие свойств стали. Так, сталь, содержащая -0,1 % С (в ее структуре преобладает феррит), характеризуется большой пластичностью; сталь этого типа используется для изготовления тонких листов, из которых штампуют части автомобильных кузовов и другие детали сложной формы. Сталь, в которой содержится -0,6% С, имеет обычно перлитную структуру; обладая повышенной твердостью и прочностью при достаточной пластичности и вязкости, такая сталь служит, например, материалом для железнодорожных рельсов, колес, осей. Если сталь содержит около 1 % С, в ее структуре наряду с перлитом присутствуют частицы структурно свободного цементита; эта сталь в закаленном виде имеет высокую твердость и применяется для изготовления инструмента. Диапазон свойств стали расширяется с помощью легирования, а также термической обработки, химико-термической обработки, термомеханической обработки металла. Так, при закалке стали образуется метастабильная фаза мартенсит — пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе, характеризующийся высокой твердостью, но и большой хрупкостью; сочетая закалку с отпуском, можно придать стали требуемое сочетание твердости и пластичности 1 .

Сплавы металлов

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:

  1. метод изготовления:
    • литые;
    • порошковые;
  2. технология производства:
    • литейные;
    • деформируемые;
    • порошковые;
  3. однородность структуры:
    • гомогенные;
    • гетерогенные;

Виды сплавов по их основе

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:

  1. Структурно — нечувствительные. Они обуславливаются свойствами компонентов, и их процентным содержанием. К ним относятся :
    • плотность;
    • температура плавления;
    • тепловые и упругие характеристики;
    • коэффициент термического расширения;
  2. структурно — чувствительные. Определяются свойствами элемента — основы.
  3. https://youtu.be/qgzo40bfL1o
  4. Все сплавные материалы в той или иной мере проявляют характерные металлические свойства:
    • блеск;
    • пластичность;
    • теплопроводность;
    • электропроводность.
  5. Кроме того, свойства подразделяют на:
    • Химические, определяемые взаимоотношениями материала с химически активными веществами.
    • Механические, определяемые взаимодействием с другими физическими телами.

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.

Область применения титановых сплавов

Металлические сплавы на основе титана используются в следующих областях:

      • 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:

      • 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:

      • 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.

Слитки из алюминиевых сплавов

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.

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:

      • 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.

Области применения твердых сплавов

Существуют и другие области применения твердосплавных веществ.

Оцените статью
Добавить комментарий