Металлические сплав. Их классификация

 

Введение

Металлы и их сплавы повсеместно  используются для изготовления конструкций  машин, оборудования, инструмента и  т. д. Несмотря на широкий круг искусственно созданных материалов (керамики, клеев), металлы служат основным конструкционным материалом и в обозримом будущем по-прежнему будут доминировать.

Металлами называются вещества, атомы которых располагаются в определённом геометрическом порядке, образуя при этом кристаллы. Им присущ специфический металлический блеск. Кроме того, металлы обладают хорошей пластичностью, высокой теплопроводностью и электропроводностью. Это дает возможность обрабатывать их под давлением (прокатка, ковка, штамповка, волочение). Металлы обладают хорошими литейными свойствами, а также свариваемостью, способны работать при низких и высоких температурах. Металлические изделия и конструкции легко соединяются с помощью болтов, заклепок и сварки. Наряду с этим металлы обладают и существенными недостатками: имеют большую плотность, при действии различных газов и влаги коррозируют, а при высоких температурах значительно деформируются.

Существует такое определение  как «чистый металл» оно весьма условно. Так как любой чистый металл содержит примеси, а потому его  следует рассматривать как сплав. Под термином «чистый металл»  всегда понимается металл, содержащий примеси 0,01–0,001 %. Современная металлургия  позволяет получать металлы высокой  чистоты (99,999 %). Однако примеси даже в малых количествах могут  оказывать существенное влияние  на свойства металла.

Чистые металлы обладают высокой пластичностью и низкой прочностью, что не обеспечивает требуемых  физико-химических и технологических  свойств. Поэтому их применение в  строительстве и технике в  качестве конструкционных материалов сильно ограничено. Наиболее широко используют сплавы, обладающие более высокой прочностью, твердостью и износостойкостью и т. д.

Сплавы – это системы, состоящие из нескольких металлов или металлов и неметаллов. Так, например, прочность технического железа составляет примерно 250 МПа, при введении в железо углерода в количестве 0,9 мас.

Металлические материалы  обычно делятся на две большие  группы: железо и сплавы железа (сталь  и чугун) называют черными металлами, а остальные металлы и их сплавы — цветными. Кроме того, все цветные  металлы, применяемые в технике, в свою очередь, делятся на следующие  группы:

• легкие металлы Mg, Be, Al, Ti с плотностью до 5 г/см³;
• тяжелые металлы Pb, Mo, Ag, Au, Pt, W, Та, Ir, Os с плотностью, превышающей 10 г/см³;
• легкоплавкие металлы Sn, Pb, Zn с температурой плавления 232; 327; 410 °С соответственно;
• тугоплавкие металлы W, Mo, Та, Nb с температурой плавления выше, чем у железа (> 1536 °С);
• благородные металлы Au, Ag, Pt с высокой устойчивостью против коррозии;
• урановые металлы или актиноиды, используемые в атомной технике;
• редкоземельные металлы (РЗМ) — лантаноиды, применяемые для модифицирования стали;
• щелочные и щелочноземельные металлы Na, К, Li, Ca в свободном состоянии применяются в качестве жидкометаллических теплоносителей в атомных реакторах; натрий также используется в качестве катализатора в производстве искусственного каучука, а литий — для легирования легких и прочных алюминиевых сплавов, применяемых в самолетостроении.

Свойства металлов разнообразны. Ртуть замерзает при температуре  минус 38,8 °С, вольфрам выдерживает рабочую температуру до 2000 °С (Т_пл = = 3420 °С), литий, натрий, калий легче воды, а иридий и осмий — в 42 раза тяжелее лития. Электропроводность серебра в 130 раз выше, чем у марганца. Вместе с тем металлы имеют характерные общие свойства. К ним относятся:

• высокая пластичность;
• высокие тепло- и электропроводность;
• положительный температурный коэффициент электрического сопротивления, означающий рост сопротивления с повышением температуры и сверхпроводимость многих металлов (около 30) при температурах, близких к абсолютному нулю;
• хорошая отражательная способность (металлы непрозрачны и имеют характерный металлический блеск);
• термоэлектронная эмиссия, т. е. способность к испусканию электронов при нагреве;
• кристаллическое строение в твердом состоянии.

 

 

 

 

 

1 Классификация металлических сплавов

Все металлы и образованные из них сплавы делят на две группы: черные и цветные.

К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе – стали и чугуны, остальные металлы являются цветными. В строительстве в основном применяют черные металлы – чугуны и стали для каркасов зданий, мостов, труб, кровли, арматуры в бетоне и для других металлических конструкций и изделий.

К цветным  металлам относятся все металлы и сплавы на основе алюминия, меди, цинка, титана. Цветные металлы являются более дорогостоящими и дефицитными.

Чугун получают в ходе доменного  процесса, основанного на восстановлении железа из его природных оксидов  коксом при высокой температуре. Процесс восстановления железа оксидом  углерода в верхней части доменной печи можно представить по обобщенной схеме: Fe₂O₃ > Fe₃O₄ > >FeO > Fe. Опускаясь в нижнюю часть печи, расплавленное железо соприкасается с коксом и превращается в чугун.

Чугуны в зависимости  от состава и структуры подразделяются на серые (углерод в виде цементита  и свободного графита) и белые (углерод в виде цементита). В зависимости от формы графита и условий его образования различают: серый, высокопрочный и ковкий чугуны.

Стали можно подразделить на две основные группы – углеродистые и легированные (рис. 1).

Углеродистые стали –  основной конструкционный материал, который используется в различных  областях промышленности. Они дешевле  легированных и проще в производстве. В углеродистой стали свойства зависят от количества углерода, поэтому эти стали классифицируются на низкоуглеродистые, средне- и высокоуглеродистые.

Легированные стали содержат специально вводимые элементы для получения  заданных свойств. По степени легированости стали подразделяются на низколегированные, средне- и высоколегированные.

Классификация сталей по качеству основывается на содержании вредных примесей серы и фосфора. Различают углеродистую сталь обыкновенного качества, сталь качественную конструкционную и сталь высококачественную.

По назначению стали подразделяются на три группы: конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами. Конструкционные углеродистые стали содержат углерод в количестве 0,02 – 0,7 мас.%, к ним относятся и строительные стали, содержащие до 0,3 мас.% углерода. Низкое содержание углерода обусловлено тем, что строительные конструкции соединяются сваркой, а углерод ухудшает свариваемость. Стали, содержащие углерод в пределах 0,7 – 1,5 мас.%, используют для изготовления режущего и ударного инструмента. К группе сталей и сплавов с особыми свойствами относятся коррозионностойкие, нержавеющие и кислотоупорные, жаропрочные и жаростойкие стали и т. д. 

Рис.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Черные металлы  и сплавы

Черными сплавами или черными  металлами условно называют железо и его сплавы – чугуны, стали  иногда и ферросплавы. Остальные  металлы и сплавы, в отличие  от черных металлов и сплавов, называют цветными

Рис.2

Черные сплавы, они же железоуглеродистые сплавы – стали  и чугуны – являются важнейшими металлическими сплавами современной  техники. Производство чугуна и стали  по объему во много раз превосходит  производство всех других металлов вместе взятых. Рассмотрим для примера сталь: согласно данным журнала «Национальная  металлургия» потребление стали  в среднем составляет около полутонны стали в год на одного человека.

Основное представление  о строении железоуглеродистых сплавов  дает широко известная диаграмма  состояний железо-углерод. (Рис.2)

Принято называть чугунами железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2%С (2,14%), а сталями, соответственно – менее 2%С.

Ферросплавы – это вспомогательные  материалы, применяемые для обработки  сталей и чугунов.

 

2.1 Сталь

Сталь (от нем. Stahl) — сплав (твёрдый раствор) железа с углеродом (и другими элементами), характеризующийся эвтектоидным превращением. Содержание углерода в стали не более 2,14 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

Учитывая, что в сталь  могут быть добавлены легирующие элементы, сталью называется содержащий не менее 45 % железа сплав железа с углеродом и легирующими элементами (легированная, высоколегированная сталь).

Сталь — важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта, строительства и прочих отраслей промышленности.

Стали с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различного назначения, в приборостроении — для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок.

Пружины, рессоры машин  и упругие элементы приборов характеризуются  многообразием форм, размеров, различными условиями работы. Особенность их работы состоит в том, что при  больших статических, циклических  или ударных нагрузках в них  не допускается остаточная деформация. В связи с этим все пружинные  сплавы кроме механических свойств, характерных для всех конструкционных  материалов (прочности, пластичности, вязкости, выносливости), должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. В условиях кратковременного статического нагружения сопротивление малым пластическим деформациям характеризуется пределом упругости, при длительном статическом или циклическом нагружении — релаксационной стойкостью.

Стали делятся на конструкционные и инструментальные. Разновидностью инструментальной является быстрорежущая сталь.

По химическому составу  стали делятся на углеродистые и легированные; в том числе по содержанию углерода — на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,3—0,55 % С) и высокоуглеродистые (0,6—2 % С); легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные — до 4 % легирующих элементов, среднелегированные — до 11 % легирующих элементов и высоколегированные — свыше 11 % легирующих элементов.

Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений. Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

По структуре сталь  разделяется на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную и перлитную. Если в структуре преобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазную и многофазную.

Характеристики  стали

• Плотность: 7700—7900 кг/м³,
• Удельный вес: 75500—77500 Н/м³ (7700—7900 кгс/м³ в системе МКГСС),
• Удельная теплоемкость при 20 °C: 462 Дж/(кг·°C) (110 кал/(кг·°C)),
• Температура плавления: 1450—1520 °C,
• Удельная теплота плавления: 84 кДж/кг (20 ккал/кг, 23 Вт·ч/кг),
• Коэффициент теплопроводности при температуре 100 °C^[5]

Хромоникельвольфрамовая сталь	15,5 Вт/(м·К)
Хромистая сталь	22,4 Вт/(м·К)
Молибденовая сталь	41,9 Вт/(м·К)
Углеродистая сталь (марка 30)	50,2 Вт/(м·К)
Углеродистая сталь (марка 15)	54,4 Вт/(м·К)

• Коэффициент линейного теплового расширения при температуре около 20 °C:

 

сталь Ст3 (марка 20)	1/°C
сталь нержавеющая	1/°C

• Предел прочности стали при растяжении:

сталь для конструкций	373—412 МПа
сталь кремнехромомарганцовистая	1,52 ГПа
сталь машиностроительная (углеродистая)	314—785 МПа
сталь рельсовая	690—785 МПа

 

2.1.1 Углеродистая  нелегированная сталь

В нелегированной стали максимальное содержание углерода обычно составляет 0,8%, и в отличие от легированных сортов она не содержит дополнительных легирующих элементов. Твёрдость стали  варьируется от 90 до 350HB. Более высокое  процентное содержание углерода (>0,2%) позволяет подвергать сталь закалке.

Она состоит, за исключением  загрязняющих примесей, только из чистого  железа. При содержании углерода от 0,6 до 1,7% за счет тепловой обработки  она может твердеть и упрочнять (закаливаться) и поэтому подходит для режущего инструмента, как, например, для резцов. Если содержание углерода лежит ниже 0,6%, то сталь ограниченно закаливается. Нелегированная сталь используется для производства, например, гвоздей, болтов, гаек и других металлоизделий.

 

2.1.2 Легированная  сталь

Низколегированные стали

Наряду с малоуглеродистыми  сталями обыкновенного качества для тяжелых конструкций применяются  низколегированные стали, имеющие  более высокие механические характеристики (стали НЛ). По ГОСТ 5058-49 предусматривались  всего две марки таких сталей: НЛ1 и НЛ2.

В связи со своим более  сложным и разнообразным химическим составом низколегированные стали  по новому ГОСТ имеют и более сложные наименования (обозначения). В основу обозначения марки низколегированной стали положен ее химический состав.