Химический состав металлов

___Главный металлург нашей компании “ТехноИнжениринг.РФ” пишет для повышения квалификации специалистов литейного производства: 
___Химический состав металлов определяет их эксплуатационные характеристики. В машиностроении, технически чистые металлы применяются сравнительно редко из-за недостаточных прочностных свойств. Поэтому в качестве конструкционных материалов главным образом применяют сплавы. Сплав представляет собой вещество, состоящее из двух компонентов и более и полученное в процессе смешивания этих компонентов в жидком виде. Компонентами сплава могут быть металлы и неметаллы. Кроме основных компонент в сплаве могут содержаться примеси. Примеси бывают как полезными, улучшающими эксплуатационные свойства сплава, так и вредными, ухудшающими эти свойства. Кроме того, примеси бывают случайно попадающими в сплав при его приготовлении, и специально добавляемыми с целью придать сплаву нужные свойства. Компоненты после отвердения сплава могут образовывать твёрдый раствор, химическое соединение или механическую смесь. В твёрдом растворе компоненты взаимно растворяются один в другом. Причем, один из компонентов обычно сохраняет присущую ему кристаллическую решетку, а другой в виде отдельных атомов распределяется внутри этой решётки. В химическом соединении компоненты вступают в химическое взаимодействие с образованием новой кристаллической решетки. При этом компоненты имеют определённое соотношение по массе. В механической смеси компоненты обладают полной нерастворимостью и сохраняют каждый свою кристаллическую решетку, и сплав состоит из смеси кристаллов своих компонент. Механическая смесь имеет постоянную температуру плавления. Та механическая смесь, которая образуется одно-временной кристаллизацией из расплава, называется эвтектикой. Сплавы металлов всегда имеют конкретную основу. Соответственно, все сплавы различают по группам: сплавы на основе железа; называются чёрными, к ним относятся стали и чугуны; сплавы на основе алюминия, магния, титана и бериллия, имеющие малую плотность; называются лёгкими цветными сплавами; сплавы на основе меди, свинца, олова и ряда других – это тяжёлые цветные сплавы; сплавы на основе цинка, кадмия, олова, свинца, висмута – это легкоплавкие цветные сплавы; сплавы на основе молибдена, ниобия, циркония, вольфрама, ванадия и ряда других металлов – это тугоплавкие цветные сплавы. Для точного определения химического состава в последнее время широко применяется оптический анализатор металлов и сплавов, который может осуществлять измерения практически при любой температуре, это особенно важно, когда необходимо срочно определить состав жидкого расплава.
___Следует заметить, что все металлы, которые интенсивно используются современной промышленностью, являются именно сплавами. Так, более 90% всего получаемого в мире железа идет на изготовление чугунов и различных сталей. Объясняется такой подход к делу тем, что сплавы металлов в большинстве случаев демонстрируют лучшие свойства, нежели чем их «прародители». Технологические свойства металлов и сплавов имеют исключительное значение при выполнении тех или иных операций в производстве и, в частности, при выборе приемов и методов изготовления деталей машин. Литейные свойства определяются жидкотекучестью, усадкой и склонностью к ликвации. Жидкотекучесть – способность металлов и сплавов легко растекаться и заполнять полностью литейную форму. Усадкой называется сокращение объема и размеров металла отливки при затвердевании и последующем охлаждении. Ликвацией называется неоднородность химического состава твердого сплава по сечению слитка или заготовки. Например: чугун обладает высокими литейными свойствами – хорошей жидкотекучестью, не большей усадкой и незначительной склонностью к ликвации. Сталь имеет меньшую, чем чугун, жидкотекучесть, но большую усадку и склонность к образованию ликвации. Оловянистые бронзы обладают хорошей жидкотекучестью и малой усадкой. Ковкость – способность металлов и сплавов подвергаться обработке давлением. Это свойство связано с их пластической деформацией, особенно при нагревании. С ковкостью связаны такие важнейшие виды обработки металлов давлением, как прокатка, прессование, ковка, штамповка и волочение. В нагретом состоянии ковкость металла обычно выше. Хорошую ковкость имеет сталь в нагретом состоянии; чугун этим свойством не обладает. Алюминиевые сплавы и латуни обладают ковкостью в холодном состоянии. Свариваемость – способность металлов и сплавов давать прочные неразъемные соединения изготовленных из них деталей. Сварные конструкции легче, прочнее и дешевле клепанных. Хорошая свариваемость у углеродистых, у низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Высоко углеродистые и высоколегированные стали, некоторые цветные металлы и сплавы имеют худшую свариваемость. Обработка резанием – это свойство широко используется, т.к. получить обработкой резанием нужную форму, точные размеры и чистоту поверхности детали намного рациональнее по сравнению с другими методами. Механические свойства – характеризуют отношение металла или сплава к действию на них внешних сил. Упругость – свойство металлов возвращаться к первоначальной форме после прекращения действия сил. Пластичность – способность металла легко деформироваться под действием приложенных внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия этих сил. Вязкость – свойство металла выдерживать без разрушения ударные нагрузки (силы). Износостойкость – это сопротивление истиранию. Твердость – способность металла сопротивляться проникновению в него другого более твердого металла. Прочность – свойство металла сопротивляться разрушению под действием внешних сил или это максимальная нагрузка, которую выдерживает металл в момент наступления разрушения. Хрупкость – свойство металла разрушаться без заметной пластической деформации. Выносливость – свойство металла выдерживать, не разрушаясь, большое число повторных нагрузок. Ползучесть – свойство металла медленно и непрерывно пластически деформироваться при постоянной нагрузке, особенно при высокой температуре.
___Большая часть получаемых в промышленных масштабах металлов используется для производства сплавов. Сплавы являются важным конструкционным материалом в промышленности, строительстве, машино- и авиастроении. Основная масса выплавляемых железа, титана, магния, алюминия используется на эти цели. Широкое применение во многих отраслях народного хозяйства металлы нашли во многом именно благодаря их способности образовывать сплавы при смешивании расплавленных металлов и последующем их затвердевании. Очень ценным качеством сплавов является наличие у них свойств, которых нет ни у одного из компонентов сплава. Так, например, сплав золота с медью обладает значительной твердостью, хотя золото и медь представляют собой очень мягкие металлы.
___Металлическим сплавом называют материал, состоящий из двух или более компонентов и обладающий свойствами, характерными для металлов. Сплавы создаются в результате расплавления, спекания исходных компонентов и другими методами. Необходимым процессом получения сплава является диффузия элементов в твердом, жидком или газообразном состоянии. Диффузия осуществляется путем взаимного проникновения частиц каждого из компонентов сплава с образованием новых однородных тел, называемых фазами. Для описания свойств сплавов в металловедении используют понятия: система, фаза, компонент. Системой называют совокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (температуре, давлении). Фазой называют однородную по химическому составу, кристаллическому строению и свойствам часть системы, отделенную от ее других частей поверхностью раздела. Однофазной системой являются, например, однородная жидкость, твердый чистый металл; двухфазной – механическая смесь двух видов кристаллических веществ. Компонентами называют вещества, образующие систему. Компонентами могут быть элементы (металлы и неметаллы), а также химические соединения. По числу компонентов различают двойные, тройные и многокомпонентные сплавы. Компонент сплавов может быть основным, легирующим или случайным. Сплавы, находящиеся в твердом состоянии, делят по составу на 3 группы: твердый раствор, химическое соединение, механическая смесь компонентов. В жидком состоянии большинство металлических сплавов представляет собой однородные жидкости, т.е. жидкие растворы. При переходе в твердое состояние во многих таких сплавах однородность, а следовательно и растворимость, сохраняется. Твердый раствор, как и металл, имеет одну кристаллическую решетку, соответствующую типу кристаллической решетки основного компонента сплава (растворителя). Различие состоит в том, что в кристаллической решетке металла размещаются атомы одного элемента, а в твердом растворе – атомы различных элементов, образующих этот твердый раствор.
___Элементы, образующие химические соединения, обычно резко отличаются по размерам атомов, строению электронных оболочек и параметрам кристаллических решеток. К образованию химических соединений склонны элементы, далеко расположенные друг от друга в периодической таблице Д.И. Менделеева. В отличие от обычных химических соединений многие металлические соединения имеют переменный состав, который может изменяться в широких пределах. Получение химического соединения AmBn с образованием однородного кристаллического вещества возможно только при строго определенных весовых соотношениях компонентов. При этом образуется кристаллическая решетка, не похожая на решетки сплавляемых компонентов. Свойства сплава – химического соединения резко отличаются от свойств элементов, образующих его. Сплавы – химические соединения не всегда встречаются в чистом виде. Например, при избытке растворимого компонента возможно образование химического соединения в комбинации с твердым раствором. Образование механических смесей происходит, когда элементы обладают ограниченной растворимостью, а также при наличии химического соединения. Механические смеси могут состоять из кристаллов чистых компонентов, твердых растворов и химических соединений. При образовании механической смеси кристаллические решетки отдельных фаз не меняются. Механические смеси обычно образуют металлы, отличающиеся друг от друга размерами атомов и температурой плавления. Приведенные выше положения указывают в общем виде на особенности взаимодействия элементов при образовании сплавов и на их возможную структуру. Однако при образовании и термообработке сплавов на основе конкретных компонентов возникают особенности, которые в металловедении изучаются экспериментально. Например, для установления режимов термической обработки сплавов с целью придания им необходимых свойств необходимо знать температуры начала и окончания процессов плавления, перехода в твердое состояние, особенности структурных превращений в критических точках. Построение кривых охлаждения (нагревания) на основе экспериментальных данных называется термическим анализом. Полученные экспериментальные данные систематизируют, обобщают и отображают в виде особых диаграмм – диаграмм состояния сплавов.
___Многие физические и механические свойства сплавов четко зависят от структуры, однако некоторые технологические свойства, такие, как литейные (т.е. способность обеспечить хорошее качество отливки) или свариваемость, зависят не столько от структуры, сколько от того, в каких температурных условиях проходило затвердевание сплавов. Так, например, стоматологические сплавы золота, отлитые в форму и быстро охлажденные в воде, будут иметь вид твердого раствора, отличающегося характерной мягкостью, ковкостью и меньшей прочностью, чем сплавы с упорядоченным расположением атомов. Однако если ту же отливку охлаждать медленно до комнатной температуры, то твердый раствор, превалирующий при температуре, полностью переходит в фазу путем перераспределения атомов в пространственной кристаллической решетке в более упорядоченную структуру. Это приводит к повышению прочности и твердости при потере ковкости сплава. 
___ 
___________________________________________
Запись опубликована в рубрике 4. Литейное производство сплавов с метками . Добавьте в закладки постоянную ссылку.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *