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 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 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

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

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 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 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

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

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 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,

Алюминиевые сплавы имеют более широкое применение в качестве конструкционного материала, чем технический алюминий. Основными легирующими элементами алюминиевых сплавов являются Си, Zn, Mg, Мп, Si, Ni, Fe. Эти элементы образуют с алюминием твердые растворы ограниченной растворимости, формируют упрочняющие зоны и промежуточные фазы с алюминием и между собой - Ф (CuAl2, Mg2Si, Al2CuMg, Al6CuMg4 и др.).

Мп и Mg оказывают положительное влияние на коррозионную стойкость, однако снижают тепло- и электропроводность алюминиевых сплавов. В литейных сплавах основным легирующим элементом выступает кремний, образующий с алюминием эвтектику. Ni, Ti, Cr, Fc образуют стабильные сложнолстироваиныс упрочняющие фазы, тормозят диффузионные процессы и тем самым повышают жаропрочность алюминиевых сплавов. Литий в сплавах на основе алюминия повышает их модуль упругости. Алюминиевые сплавы классифицируют по технологии изготовления полуфабрикатов и изделий из них, по способу упрочняться термической обработкой и свойствам (табл. 9.3).

Таблица 93

Классификация алюминиевых сплавов

Алюминиевые сплавы подразделяют в основном на деформируемые и литейные, а также спеченные алюминиевые порошки (САП) и сплавы (САС) и композиционные, при производстве которых широко используются процессы пластической деформации и литья.

В соответствии с диаграммой состояния «алюминий - легирующий элемент» (рис. 9.2) сплавы, расположенные левее точки Е, при высокой температуре имеют однофазную структуру а-твердого раствора, низкую прочность и высокую пластичность. Поэтому эти сплавы легко обрабатываются давлением и относятся к категории деформируемых сплавов. Сплавы литейные по содержанию легирующих элементов расположены правее точки?, содержат в структуре эвтектику и обладают высокими литейными свойствами: жид- котекучестыо и высокой концентрацией литейной пористости. Сплавы эвтектического состава кристаллизуются при постоянной

Рис. 9.2.

Д - деформируемые сплавы; Л - литейные сплавы; I - сплавы, не упрочняемые термической обработкой; II - сплавы, упрочняемые термической обработкой; Ф -

промежуточная фаза температуре, отличаются наиболее высокой жидкотекучестыо, пониженными механическими свойствами из-за наличия в их структуре большого количества эвтектической составляющей.

Точка М на диаграмме, соответствующая пределу насыщения твердого раствора при комнатной температуре, является границей между сплавами, не упрочняемыми и упрочняемыми термической обработкой.

Упрочняющая термическая обработка алюминиевых сплавов сводится к закалке с 435-545°С, естественному старению при 20°С или искусственному при 75-225°С в течение 3-48 ч. Не упрочняемые сплавы подвергают гомогенизационому (480-530°С, 6-36 ч), рекристализационному (300-500°С, 0,5-3 ч) и (закаченные и состаренные сплавы) разупрочняющему (350-430°С, 1-2 ч) отжигу.

Маркировка алюминиевых сплавов. Для маркировки алюминиевых сплавов принята смешанная буквенная и буквенно-цифровая система. Деформируемые сплавы обозначают буквами АД, Д, АК, AM, АВ, литейные - АЛ. Буквы АД в начале марки означают алюминий технический, последующая цифра указывает на чистоту алюминия. Буквой Д обозначают деформируемые сплавы системы (А1-Си-Mg) - дуралюмины, буквами АК - алюминиевый ковочный сплав. Буквы АВ обозначают сплав алюминия с магнием и кремнием - авиаль. Буквы АМг и АМц обозначают сплав алюминия с магнием (Мг) и с марганцем (Мц), цифры, следующие за буквами (АМг1, АМг5, АМгб), соответствуют примерному содержанию магния в сплавах. Буква В в начале марки означает высокопрочный алюминиевый сплав.

В настоящее время водится единая четырехцифровая маркировка алюминиевых сплавов (рис. 9.3). Первая цифра обозначает основу всех сплавов. Алюминию присвоена цифра один. Вторая цифра соответствует главному легирующему элементу или группе главных легирующих элементов. Третья цифра или третья со второй повторяют старую маркировку. Четвертая цифра указывает, что сплав деформируемый, если она нечетная или 0. Опытные сплавы

Рис. 93. Цифровая маркировка алюминиевых сплавов обозначают цифрой 0, стоящей впереди единицы (пятизначная маркировка допустима только для опытных сплавов). Цифра 0 исключается из пятизначной маркировки, когда сплав становиться серийным.

Буквенно-цифровая маркировка литейных алюминиевых сплавов (по ГОСТ 1583-93) базируется на принципе маркировки легированных сталей.

Первая буква А указывает основу сплава - А1, последующие буквы соответствуют первым буквам названий основных легирующих элементов (К - кремний, М - медь, Мг - магний, Мц - марганец, Н - никель, Ц - цинк). Числа, следующие за буквами, показывают усредненное содержание соответствующего компонента (в % по массе). При содержании в сплаве легирующего элемента меньше 1% буква, обозначающая данный элемент, в маркировке не указывается. Чистота сплавов обозначается буквами, стоящими после маркировки сплава: Ч, ОЧ - соответственно чистый или очень чистый но примесям железа и кремния. ГОСТ 1583-93 предусматривает возможность использования обозначения литейных алюминиевых сплавов буквенно-цифровой маркой с указанием в скобках старой марки (см. табл. 9.3).

Буквенно-цифровая система маркировки технологической обработки качественно отражает механические, химические и другие свойства сплава (табл. 9.4).

Таблица 9.4

Буквенно-цифровая маркировка технологической обработки деформируемых и литейных сплавов

Деформируемые алюминиевые сплавы. Химический состав и механические свойства деформируемых сплавов приведены в табл. 9.5.

К деформируемым сплавам, не упрочняемым термической обработкой, относятся сплавы на основе систем А1-Мп (АМц) и А1-Mg (АМг), отличающиеся пониженной прочностью, но повышенными пластичностью и коррозионной стойкостью. Сплавы хороню свариваются. Более широкое применение получили сплавы АМг из-за меньшей плотности. Из сплавов изготавливают изделия, получаемые методом глубокой вытяжки и сварки, способные работать в различных корозионно-активных средах (сварные баки, сосуды, трубопроводы для масла и бензина, корпуса, мачты речных судов). Сплавы АВ, АД31, АД 33 системы А1-Mg-Si обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошей пластичностью в холодном и горячем состоянии, свариваются с помощью точечной, шовной и аргоно-дуговой сварки. Сплавы удовлетворительно обрабатываются резанием в термообработанном состоянии. Сплавы упрочняют закалкой (510-530°С) и искусственным старением (160-170°С, 12-15 ч). Наиболее высокие показатели прочности после искусственного старения имеет сплав АВ, но он подвержен в этом состоянии межкристаллитной коррозии, которая вызвана выделением кремния по границам зерен при искусственном старении. Сплавы АД31 и АДЗЗ по прочности уступают сплаву АВ, но превосходят

Таблица 9.5

Химический состав и механические свойства деформируемых алюминиевых сплавов

его по коррозионной стойкости. Сплавы ЛВ, ЛД31, АДЗЗ выпускают в виде листов, труб, прутков, профилей различного сечения и других полуфабрикатов, применяемых для изготовления лопастей винтов вертолетов, рам, корпусов и переборок судов, корпусов электромоторов, сварных баков, трубопроводов.

Дуралюмииы. Сплавы Д1, Д16, Д18, Д19, ВД17 системы А1-Си-Mg отличаются хорошим сочетанием прочности и пластичности. В результате термической обработки (закалки и старения) дуралюмииы упрочняются. Превращения в деформируемых термоупрочняемых сплавах рассмотрим на сплавах алюминия

с медью. Эго допустимо, поскольку легирование их другими элементами (Mg, Мп и др.) наряду с медью или вместо нее не вносит принципиальных изменений.

Из диаграммы Л1-Си (рис. 9.4) следует, что в равновесном состоянии микроструктура сплавов состоит из твердого раствора а (0,2%Си) и включений вторичной фазы CuAl 2 , содержащей около 55,4% Си. При закалке сплавы нагревают до температуры /: :j , обеспечивающей растворение интерметаллида СиА1 2 в алюминии (выше линии предельной растворимости ME на 6-8%) и получение максимально возможной концентрации меди в твердом растворе. В процессе закалки, при быстром охлаждении в воде, медь не выделяется из твердого раствора, и таким образом получают неравновесную структуру однородного пересыщенного твердого раствора меди в алюминии (закалка без полиморфного превращения). В закаленном состоянии сплавы имеют пониженную прочность. Так, сплав Д16 в свежезакаленном состоянии имеет следующие механические свойства: а„ = 24(Н260 МПа, 8 = 22%.

В пересыщенном a-твердом растворе избыточные атомы меди распределены статистически равномерно и стремятся выделиться из него. На этом явлении основан процесс старения. Старение - это термическая обработка, при которой в сплаве после закалки (без полиморфного превращения) происходит распад пересыщенного a-твердого раствора. В зависимости от температурных условий превращения различают естественное старение - без подогрева при температуре 20°С и искусственное старение - с подогревом до температуры 100-200°С (рис. 9.5).

При естес твен пом старении в результате диффузионного перераспределения атомов меди внутри твердого раствора образуются зоны с повышенной концентрацией меди (50-52%) - зоны Гинье - Престона (ГП-I), с тем же порядком расположения атомов, что и в неупорядочном a-твердом растворе. При температурах ниже

Рис. 9.4. Часть диаграммы состояния системы А1-Си и схема изменения структуры дуралюмина (к % Си) после закалки

Продолжительность, сут.

Рис. 95. Изменение прочности дуралюмина (к % Си) при различных температурах старения

нуля зоны ГП-1 не образуются. Зоны ГП-1 представляют собой пластины диаметром 4-10 нм и толщиной 0,5-1 нм. Параметры кристаллической решетки твердого раствора в зонах ГП-1 меньше, чем в обедненном a-твердом растворе (атомный диаметр алюминия - 0,128 нм). Поэтому зоны ГП-1 деформируют a-твердый раствор (рис. 9.6), создают большие напряжения в кристалле и тормозят движение дислокаций, что приводит к упрочнению сплавов. При естественном старении в a-твердом растворе образуются лишь зоны ГП-1.

В процессе искусственного старения диффузия протекает более интенсивно. Искусственное старение происходит постадийно. Первая стадия, как и при естественном старении, сводится к образованию зон ГП-1.

Зоны ГП-1, возникшие при искусственном старении, имеют большие размеры (20 нм при температуре 100°С и 80 нм при температуре 200°С, толщиной от 1 до 4 нм) но сравнению с зонами ГП-1 после естественного старения. Увеличение выдержки при температурах от 100 до 200°С вызывают изменение зон ГП-1 (II стадия)

Рис. 9.6.

Атомы Си; О - атомы А1

и преобразование их в ГП-П с упорядоченным расположением атомов меди в алюминии. Затем следуют изменения, приближающие сплав к равновесному состоянию, и это связано с образованием фазы СиА1 2 (0"), когерентно связанной с а-твсрдым раствором.

Фаза 0" имеет тетрагональную решетку.

Четвертая стадия превращений сводится к возникновению стабильной фазы СиЛ1 2 , обособленной от матричного a-твердого раствора, и переходу сплава к исходному (до закалки) равновесному состоянию. Со стадии выделения стабильной фазы СиЛ1 2 происходит заметное разупрочнение сплава. Дальнейший нагрев до 200- 250°С приводит к укрупнению (коагуляции) интерметаллида СиА1 2 (0-фазы).

Каждая из названных стадий может протекать независимо, или они могут накладываться друг на друга. Протекание той или иной стадии зависит от состава сплава и температуры старения. Максимальное упрочнение при искусственном старении связано с начальными стадиями старения. С увеличением температуры старения быстрее достигается упрочнение, но эффект упрочнения ниже и разупрочнение наступает в течении нескольких часов.

Для деформируемых алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой, структурные изменения характеризуют терминами зонного и фазового старения. Зонное старение (образование зон ГП-1 и ГП-П) не приводит к разупрочнению сплава при любой продолжительности выдержки. В этом случае сплавы имеют повышенный предел текучести (отношение а 02 /а в = 0,6-^0,7), повышенную пластичность и низкую чувствительность к хрупкому разрушению.

Фазовое старение может быть упрочняющим и разупрочняющим, если в процессе старения происходит каогуляция частиц упрочняющих фаз (0" и 0). В результате фазового старения сплавы имеют высокий предел текучести (отношение а 0>2 /ст в достигает 0,9-0,95), в то время как пластичность, вязкость, сопротивление хрупкому разрушению и коррозии под напряжением снижаются.

Эффект старения отмечают и применяют не только в системах цветных сплавов на основе алюминия, меди, магния, титана, но и в сплавах никеля и железа.

Для сплавов Д1, Д19 температура нагрева под закалку близка к температуре плавления эвтектик, по ниже их, и равна 505°С, а для сплавов Д16, ВД17, Д18 - 500°С. В закаленном состоянии дуралю- мины (за исключением Д18) интенсивно упрочняются (временное сопротивление разрыву после естественного старения в течение 4 суток составляет 450 МПа, пластичность - 18%). Искусственному старению подвергают изделия из сплавов Д16, Д19, работающие при 125-200°С. Режим искусственного старения закаленного сплава Д16 - 190°С, продолжительность 8-12 ч. В результате искусственного старения прочность дуралюмина Д16 мало отличается от прочности в состоянии после естественного старения, но при этом повышается предел текучести и снижается пластичность.

Дуралюмины отличаются пониженной коррозионной стойкостью во влажном воздухе, речной и морской воде, нуждаются в средствах защиты от коррозии. Дуралюминиевые листы подвергают плакированию, а трубы и профили - анодной поляризации. Плакирование заключается в горячей прокатке листов дуралюмина, покрытых чистым алюминием (А7, А8). При этом алюминий сваривается сосновой и надежно защищает дуралюминиевый лист от коррозии. Толщина слоя алюминия обычно составляет 2-5% от толщины листа. Анодная поляризация в 10%-ном растворе серной кислоты полуфабрикатов из дуралюмина вызывает выделение кислорода и образование на их поверхности защитной оксидной (AI2O3) пленки, предохраняющей сплав от коррозии.

Дуралюмины хорошо свариваются точечной сваркой и нс свариваются сваркой плавлением из-за образования трещин, удовлетворительно обрабатываются резанием в закаленном и состаренном состояниях и хуже - в отожженном.

Наиболее прочный из дуралюминов сплав Д16 идет на изготовление обшивки лонжеронов, шпангоутов, стрингеров, тяг управления самолетов, силовых каркасов, кузовов автомобилей. В свежезакаленном состоянии из сплавов Д16 и Д1 изготавливают заклепки. Один из основных заклепочных сплавов - сплав Д18 в закаленном и естественно состаренном состоянии.

Высокопрочные сплавы В93, В95, В96Ц1 (см. табл. 9.5) системы А1-Zn-Mg-Си имеют повышенный предел прочности - 550-700 МПа. В качестве добавок содержат марганец, хром и цирконий, обеспечивающие неустойчивость твердого раствора, ускоряющие его распад и повышающие эффект старения. Упрочняющими фазами в сплавах являются MgZn 2 , Al 2 Mg3Zn3, Al 2 CuMg.

Высокопрочные алюминиевые сплавы подвергают закалке и искусственному старению. Сплавы закаливают с 460-470°С в холодной или горячей воде для исключения растрескивания крупногабаритных штамповок или поковок. При искусственном старении пересыщенный твердый раствор распадается с образованием дисперсных частиц упрочняющих фаз. Максимальная прочность сплавов отмечается при обработке по режиму Т1 (закалка; искусственное старение 120°С, 3-10 ч). После такой обработки сплавы имеют пониженную пластичность (7-10%) и склонны к коррозии под напряжением из-за неравномерного распада пересыщенного твердого раствора.

Старение высокопрочных сплавов по режимам Т2 и ТЗ при повышенных температурах (160-180°С) и продолжительности (10- 30 ч) увеличивает их вязкость, пластичность и сопротивление кор-

розни под напряжением. Чаще высокопрочные сплавы подвергают двухступенчатому старению при 100- 120°С, 3-10 ч (первая ступень) и 165- 185°С, 10-30 ч (вторая ступень). Первая ступень старения обеспечивает образование и равномерное распределение зон ГП. Па второй стадии при повышенных температурах и значительной продолжительности из зон ГП формируются и коагулируют частицы упрочняющих фаз. В результате двухступенчатого старения сплав В95пч имеет о н = 540-590 МПа, а 0 9= 410-470 МПа, 5 = = 10-13%.

Сплав В95 из всех высокопрочных сплавов является наиболее универсальным конструкционным материалом и находит широкое применение в авиации: для тяжелонагруженных деталей конструкций, работающих в основном в условиях сжатия (облицовка, шпангоуты, стрингеры, лонжероны самолетов).

Сплав В96Ц содержит повышенное количество основных легирующих элементов (цинка, магния, меди) и является самым прочным их всех деформируемых алюминиевых сплавов. Однако но сравнению со сплавом 1395 сплав В96Ц имеет пониженную пластичность, коррозионную стойкость. Сплав чувствителен к коррозии и различным концентраторам напряжений. Из сплава В96Ц методами горячего деформирования производят полуфабрикаты в виде труб, профилей различного сечения, поковок. Высокопрочные сплавы имеют удовлетворительную свариваемость при контактной сварке и плохую при сварке плавлением. Рабочая температура высокопрочных сплавов не превышает 120°С, так как при более высоких температурах отмечается резкое снижение их прочности, более интенсивное, чем у дуралюминов.

Высокомодульный сплав 1420 системы Al-Mg- Li обладает пониженной плотностью (2,5 г/см 3) и повышенным модулем упругости (75 000 МПа), что на 4% превышает модуль упругости сплава Д16. Сплав 1420 сваривается всеми видами сварки и обладает высокими коррозионными свойствами, близкими к характеристикам сплава АМгб.

Сплав 1420 подвергают закалке с 450°С (охлаждение на воздухе) и последующему искусственному старению при 120°С в течение 12-24 ч.

В результате закалки структура сплава состоит из пересыщенного твердого раствора магния и лития в алюминии. При искусственном старении образование зон ГП нс наблюдается. Упрочнение связано с выделением упрочняющей фазы AlLi, что не приводит к обеднению матричного твердого раствора магнием.

Сплав 1420 используют для замены в аэрокосмических изделиях дуралюминов, тем самым снижают их массу на 10-15%.

Ковочные сплавы АК6, АК8 (см. табл. 9.5) системы Al-Mg- Si-Си отличаются повышенной пластичностью при горячем деформировании и идут на изготовление поковок и штамповок. Ковка и штамповка сплавов производятся при температурах 450-470°С. В структуре сплавов наряду с твердым раствором присутствуют фазы CuAl 2 , CuMgAl 2 и Mg 2 Si. Сплавы АК6 и АК8 подвергают закалке и искусственному старению (режим Т1). Температура закалки сплавов АК6 и АК8 равна 520 и 500°С соответственно. Искусственное старение сплавов проводят по режиму 160-170°С, 12-15 ч. В результате такой обработки сплав АК8, содержащий 4,3% меди, имеет более высокие показатели прочности (см. табл. 9.5), чем сплав ЛК6, содержащий 2,2% меди. Для сплава ЛК6 характерно сочетание хорошей пластичности в горячем и холодном состояниях и достаточно высокой прочности. По вязкости разрушения сплав АК6 превосходит сплав АК8. Сплавы удовлетворительно свариваются, хорошо обрабатываются резанием. Сплавы АК6 и АК8 склонны к коррозии под напряжением и межкристаллитной коррозией. Коррозионную стойкость сплавов повышают электрохимическим оксидированием (анодированием) или путем нанесения лакокрасочных покрытий.

Сплав АК6 используют для изготовления средненагруженных деталей сложной формы (фитинги, крыльчатки, крепежные детали, подмоторные рамы). Сплав АК8, менее технологичный, чем АК6, рекомендуют для изготовления тяжслонагружснных деталей (подмоторные рамы, стыковые узлы, лонжероны, лопасти винтов вертолетов).

Жаропрочные алюминиевые сплавы Д20, 1201 (см. табл. 9.5) системы А1-Си-Мп и АК4-1 системы А1-Си-Mg-Fe-Ni способны работать при температурах до 300°С. В результате легирования сплавов цирконием, ванадием, титаном, железом и никелем тормозятся диффузионные процессы, образуются мелкодисперсные упрочняющие фазы Al 12 MnCu в сплавах Д20, 1201, Al 9 FeNi - в сплаве АК4-1, устойчивые к коагуляции при нагреве. Сплавы применяются в состоянии после закалки с температурой 535°С и искусственного старения при температуре 190°С в течение 10-18 ч. При комнатной температуре прочность жаропрочных алюминиевых сплавов мало отличается от прочности дуралюмина (420-450 МПа). При 300°С сплав Д20 обнаруживает более высокую жаропрочность (а ню = 80 МПа) по сравнению со сплавом АК4-1, для которого afoo = = 45 МПа. Сплавы Д20, 1201 свариваются хорошо, а сплав АК4-1 удовлетворительно аргоно-дуговой и контактной сварками. Коррозионная стойкость сплавов невысокая, и для защиты от коррозии на поверхность деталей из них наносят лакокрасочные покрытия или анодируют детали. Особенно тщательно необходимо защищать сварные соединения. Из сплавов АК4-1, Д20, 1201 изготавливают полуфабрикаты в виде листов, плит, профилей, используемых для деталей и сварных изделий: поршней двигателей, головок

цилиндров, крыльчаток, сварных емкостей, лопаток и дисков осевых компрессоров турбовинтовых двигателей, обшивок сверхзвуковых самолетов.

Литейные алюминиевые сплавы. Литейные алюминиевые сплавы наряду с высокими литейными свойствами (жидкотекучестью, низкой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пор) обладают оптимальными механическими свойствами и сопротивлением коррозии в различных агрессивных средах. Этим требованиям в большей степени отвечают сплавы систем А1-Si, Al-Си, А1-Mg, в структуре которых присутствует эвтектика. Дополнительное легирование сплавов системы А1-Si медью и марганцем, системы А1-Си марганцем, никелем, хромом, системы Al-Mg цинком позволяет улучшать их механические свойства (табл. 9.6) и повысить эксплуатационные характеристики.

Сплавы системы Al-Si- Mg АК9ч (АЛ4), АК8л (АЛ34), АК7ч (АЛ9), именуемые силуминами, получили наиболее широкое рас-

Таблица 9.6

Химический состав и механические свойства литейных алюминиевых сплавов

Примечание : в графе «Состояние сплава» буква «М» обозначает, что сплав подвергнут модифицированию, буквы «3», «Д», «К» обозначают способ литья: соответственно в землю, под давлением, в кокиль.

пространение. Сплав АК12 (АЛ2) отвечает эвтектическому составу (10-13% Si). Эвтектическая структура этого сплава состоит из грубых игольчатых кристаллов кремния на фоне a-твердого раствора. В таком состоянии сплав АК12 (АЛ2) вследствие большой хрупкости кремния имеет пониженные механические свойства (а в = 130 МПа, 5 = 1-^-2%). Повышают прочность и пластичность сплава модифицированием, когда вводят в расплав смесь солей (67% NaF + 33% NaCl) в количестве 2-3% от массы сплава, равномерным тонким слоем на поверхность расплава при 780-830°С. Присутствие в расплаве натрия смещает линии диаграммы состояния системы А1-Si (рис. 9.7) и эвтектическую точку в сторону более высоких концентраций кремния. После модифицирования эвтектика состоит из мелких кристаллов кремния и а-твердого раствора. Рост кристаллов кремния в процессе затвердевания сдерживает пленка Na 2 Si, обволакивающая их. Помимо эвтектики в структуре модифицированного сплава АК12 (АЛ2) появляются избыточные кристаллы a-твердого раствора. В результате изменения структуры улучшаются механические свойства сплава (см. табл. 9.6). Модифицированию подвергают силумины (в том числе

Рис. 97. Диаграмма состояния системы А1-Si (а) и механические свойства сплавов этой системы (6):

1 - до модифицирования; 2 - после модифицирования и легированные), содержащие более 5-6% кремния. Легированные силумины АК9ч (АЛ4), АК7ч (АЛ9) дополнительно легированы магнием, а сплав АК8л (АЛ32) - магнием и медью (см. табл. 9.6). Эти сплавы упрочняются как модифицированием, так и термической обработкой. Упрочнение сплавов, легированных магнием, связано с образованием фазы Mg 2 Si, а одновременно медью и магнием - с фазами СиА1 2 и Al,.Mg-) Cu 1 Si4. Легированные силумины АК9ч (АЛ4), АК7ч (АЛ9), АК8л (АЛ34) упрочняются термической обработкой по режимам Т1, Т4, Т5, Тб (например, для АК8л (АЛ34) - Т5: закалка 535°С, старение 175°С, б ч; для АК9ч (АЛ4) - Тб: закалка 535°С, старение 175°С, 15 ч; для АК7ч (АЛ9) - Т4: за- калка 515°С).

Сплав АК12 (АЛ2) применяют для малонагруженных деталей сложной конфигурации, сплавы АК9ч (АЛ4) и АК7ч (АЛ9) для средних и крупных деталей (корпусов компрессоров, картеров и блоков цилиндров двигателей). Отливки из сплава АК7ч (АЛ9) в закаленном состоянии (Т4) отличаются повышенной пластичностью (см. табл. 9.6), а в состоянии Тб (закалка и старение) - повышенной прочностью. Сплав АК8л (АЛ34) превосходит по прочности сплавы АК9ч (АЛ4) и АК7ч (АЛ9). Сплавы АК8л (АЛ34) и АК8М (АЛ32) предназначены для литья под давлением. Большая скорость кристаллизации при литье под давлением, присутствие в составе сплавов Мп и Ti обеспечивают формирование мстаста- бильной структуры в отливке из этих сплавов. В результате искусственного старения при 175°С без предварительной закалки (режим Т1) происходят распад пересыщенного твердого раствора и упрочнение сплава. При изготовлении деталей другими методами литья сплавы подвергают упрочняющей термической обработке (режим Т5). Сплавы АК8л (АЛ34) и АК8М (АЛ32) идут на изготовление сложных по конфигурации деталей блоков цилиндров, головок блоков и других деталей двигателей внутреннего сгорания.

Силумины отличаются высокой герметичностью, удовлетворительной обрабатываемостью резанием, хорошей свариваемостью и коррозионной стойкостью.

Высокопрочные и жаропрочные литейные сплавы АМ5 (АЛ 19) системы А1-Си-Mn, АК5М (АЛ5) системы А1-Si-Си-Mg помимо меди (основного легирующего элемента) содержат Мп (см. табл. 9.6). Сплав АМ5 (АЛ 19) по химическому составу близок к сплаву Д20. Повышенное содержание марганца и титана в сплаве АМ5 (АЛ 19) обеспечивает присутствие в его структуре наряду с твердым раствором фаз CuAl 2 , Al 12 Mn 2 Cu и AljTi. Сплав АМ5 (АЛ19) упрочняется термообработкой по режимам Т4, Т5,Т7 (Т5: закалка 545°С, 12 ч, старение 175°С, 3-6 ч) (см. табл. 9.6). Дополнительное легирование цирконием, церием и никелем (сплав АЛЗЗ) приводит к связыванию некоторого количества меди в нерастворимые фазы и образованию фаз Al 2 Ce, Al 3 Zr, Al^Cu^Ni; это уменьшает эффект термической обработки, но жаропрочность сплава АЛЗЗ выше, чем у сплава АЛ 19, так как упомянутые фазы препятствуют процессу ползучести. Сплав АМ5 (АЛ 19) хорошо сваривается и обрабатывается резанием и используется для литья крупногабаритных отливок в песчаные формы.

Сплав АК5М (АЛ5) показывает высокие прочностные характеристики в состоянии после термической обработки Т5: закалка 525°С, старение 180°С, 5 ч. При старении из пересыщенного твердого раствора выделяются мелкодисперсные частицы фаз CuAl 2 , Mg 2 Si, Al v Mg 5 Cu 4 Si 4 , упрочняющих сплав. Среди силуминов сплав АК5М (АЛ5) из-за наличия в нем меди является более прочным. По той же причине сплав имеет пониженную коррозионную стойкость. Сплав рекомендуется для деталей сложной конфигурации, рабочая температура которых не превышает 250°С.

Коррозионностойкие литейные алюминиевые сплавы АМг5Мц (АЛ28) системы AI-Mg, АЦЧМг (АЛ24) системы А1-Zn-Mg обладают наряду с высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах высокими прочностью и пластичностью (см. табл. 9.6). Сплавы системы AI-Mg имеют невысокие литейные свойства из-за большого (100-120°С) интервала кристаллизации, значительного газосодержания и сильной окисляемости. По жид- котекучести сплавы уступают силуминам. При плавке и литье сплавов системы AI-Mg их расплавы защищают от окисления специальными флюсами.

Сплав АМг5Мц (АЛ28) содержит 4,8-6,3% магния, не склонен к коррозии под напряжением и не чувствителен к образованию газовой пористости и окислению. Сплав не упрочняется термической обработкой и применяется в литом состоянии (см. табл. 9.6). Из сплава АЛ28 получают сложные отливки для деталей средней нагруженное™, сплав хорошо сваривается.

Сплав АЦ4Мг (АЛ24), обладая высокой коррозионной стойкостью, стабильными механическими свойствами, способен надежно работать при температурах до 150°С. Сплав упрочняется термической обработкой Т1 (естественное или искусственное старение без предшествующей закалки) (см. табл. 9.6) либо закаленной с 550°С (на воздухе или в кипящей воде) с последующим искусственным старением (165°С, 22 ч).

Сплавы АМг5Мц (АЛ28) и АЦ4Мг (АЛ24) способны заменить дефицитные бронзы, латуни, нержавеющие стали и обеспечить надежную работу деталей в условиях коррозионного воздействия морской воды.

Спеченные алюминиевые порошки и гранулированные сплавы

характеризуются повышенными механическими и физическими свойствами.

Спеченный алюминиевый порошок (САП) - это материал, который получают прессованием и с последующим спеканием алюминиевого порошка (пудры), представляющего собой чешуйки толщиной ~1 мкм.

Пудру получают пульверизацией жидкого алюминия и размолом полученного порошка в шаровых мельницах. Измельчение порошка увеличивает содержание оксида алюминия в порошке. При производстве САПов используют алюминиевые пудры трех марок: АПС-1, АПС-2 и АПС-3, которые содержат оксид алюминия (6-9, 9-13 и 13-18% соответственно).

Брикетирование алюминиевой пудры осуществляют под давлением 300-750 МПа. При брикетировании оксидная пленка разрывается, поверхность частиц увеличивается, неокисленные участки поверхности алюминиевых частиц вступают в контакт и происходит их схватывание. Спекание брикетов при температурах 450-500°С под давлением 400-600 МПа увеличивает контакт поверхностей неокислеиного алюминия и увеличивает силы связи между частицами алюминия. Плотность спеченного брикета возрастает с 2,6 до 7 г/см 3 , что близко к плотности литого алюминия. Из спеченных брикетов методом горячего прессования получают полуфабрикаты - листы, прутки, трубы, штамповые заготовки.

Структура сплавов САП состоит из смеси алюминия и дисперсных чешуек оксида алюминия. Частицы оксида алюминия не растворяются в алюминии и нс коагулируют, что обеспечивает стабильность структуры и свойств при температурах до 500°С (табл. 9.7). Повышенная прочность САПов вызвана дисперсностью частиц А1 2 0з, задерживающих движение и перераспределение дис-

Таблица 9.7

Состав и механические свойства спеченных и гранулируемых сплавов

локаций. САПы деформируются в холодном и горячем состояниях, хорошо обрабатываются резанием, удовлетворительно свариваются контактной и аргоно-дуговой сварками. Из сплавов САП изготавливают поршневые штоки, лопатки компрессоров, турбин и вентиляторов.

Спеченные алюминиевые ставы (САС) изготавливают по той же технологии, что и САПы, но порошки получают распылением сплавов заданного состава. Так, основу сплава САС-1 составляет сплав системы А1-Si-Ni (25-30% Si, 5-7% Ni), a CAC-2 - сплав системы Al-Si-Fe (25-30% Si, 5-7% Fe).

Сплав САС-1 содержит в структуре дисперсные и равномерно распределенные включения кристаллов кремния и никелевых ин- терметаллидов в виде пластин, оказывающих решающее влияние на уровень механических свойств (см. табл. 9.7). Сплавы отличаются низким коэффициентом термического расширения. Сплавы САП и САС могут длительное время работать при температуре 300-500°С и идут на обшивку летательных аппаратов, дисков и лопаток компрессоров.

Гранулированные сплавы получают компактированием гранул диаметром 1-4 мм, полученных при очень высоких скоростях охлаждения (10 3 -10 4 °С/с). Высокие скорости охлаждения всплавах алюминия с переходными металлами (Mn, Cr, Ir, Ti, V) при раскислении расплава позволяют получить пересыщенные твердые растворы на основе А1, концентрация этих компонентов превышает предельную растворимость в несколько раз. Такие твердые растворы получили название аномально пересыщенных. Гранулы из этих сплавов имеют гетерогенную структуру, однако первичные интер- металлидиые включения дисперсные и равномерно распределены по объему. Из гранул горячим прессованием получают полуфабрикаты. В процессе горячей деформации при производстве полуфабрикатов аномально пересыщенные растворы распадаются с образованием дисперсных частиц интсрмсталлидов Al 3 Zn и др. Таким образом, технологический нагрев при изготовлении полуфабрикатов в виде листов, прутков, профилей является упрочняющим старением. Роль закалки для таких сплавов выполняет кристаллизация при больших скоростях охлаждения.

Сплав 01419 системы Al-Сг-Zn является гранулируемым дисперсионно твердеющим, упрочняемым в результате выделения дисперсных фаз Al 3 Zn, AlyCr (см. табл. 9.7). Стабильная структура сплава 01419 при нагреве до 350°С придает ему высокую жаростойкость.

В сплаве ПВ90 гранулы имеют состав сплавов В95, В96Ц системы Al-Zn-Mg-Си, упрочняемых термической обработкой (режим Т1). Сплав ПВ90, обработанный но режиму Т1, имеет повышенные прочностные характеристики (см. табл. 9.7) и по прочности и температуре рекристаллизации превосходит серийные деформируемые

алюминиевые сплавы. Он хороню обрабатывается резанием, полируется и отличается стабильностью размеров. Детали из сплава ПВ90 применяют в узлах трения и ответственных конструкциях высокоточных приборов.

Композиционные алюминиевые сплавы. В качестве материала матрицы (см. параграф 11.1) применяют технически чистый алюминий (АД1) и сплавы АДЗЗ, В95, САП-1 и др. Для армирования матриц служат волокна бора и углеродные. Так, сплавы ВКА-1, ВКА-2 получают армированием борными волокнами алюминиевых сплавов АД1, АДЗЗ. Технология получения композитов включает операции намотки борного волокна на оправку, его фиксацию путем плазменного напыления матричного сплава, раскройку заготовок и их прессование или прокатку. Сплав ВКА-1 (табл. 9.8), содержащий 50% (объемных) борных волокон, наряду с высокими показателями прочности и жесткости обладает хорошей технологичностью и конструкционной надежностью. В интервале температур 80-500°С сплав ВКА-1 но прочности и жесткости превосходит промышленные сплавы В95 и АК4-1.

Таблица 9.8

Состав и свойства некоторых композиционных алюминиевых сплавов

*,**,***_ пределы прочности при температурах 300,400, 500°С соответственно.

Алюминиевые сплавы, армированные стальной проволокой (КАС), получают методом прокатки в вакууме. В качестве материала матрицы в КАС-1 используют сплав АВ или материал САН-1 (см. табл. 9.8). Сплав сохраняет высокие кратковременную и длительную прочности при повышенных температурах.

Накладки из КАС-1 применяют в целях ограничения распространения трещин путем закрепления их на деталях из алюминиевых сплавов методами диффузионной сварки, клеесварки и приклеивания.

Классификация сплавов

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ (ТКМ)

ТКМ – дисциплина, изучающая способы получения различных металлов и неметаллических материалов, а также технологические методы формообразования заготовок и деталей литьем, сваркой обработкой давлением и резанием.

МЕТАЛЛЫ И ИХ СПЛАВЫ

Все известные в настоящее время химические элементы (более 100 наименований) по совокупности свойств подразделяют на металлы и неметаллы. Примерно 80 % общего числа элементов относится к металлам. Некоторые из них (мышьяк, сурьму и др.) иногда называют полуметаллами, так как по одним свойствам их можно отнести к металлам, а по другим – к неметаллам.

Металлы (от греческого металлон – копи, рудники) – вещества неорганического происхождения, многие из которых обладают характерным блеском, высокой плотностью, прочностью и твердостью, пластичностью, хорошей электро- и теплопроводностью.

Классификация металлов

Все существующие металлы условно принято подразделять на черные и цветные.

Черные металлы – промышленное название железа и его сплавов (чугун, сталь, ферросплавы и др.). Черные металлы составляют более 90 % всего объёма, используемых в экономике металлов, из них основную часть составляют различные стали.

Цветные металлы – все остальные, например: K (калий), Na (натрий), Ca (кальций), Al (алюминий), Mg (магний); Ni (никель), Cu (медь), Pb (свинец), Zn (цинк), Sn (олово), W(вольфрам), Ti (титан), Mо (молибден), V (ванадий), Nb (ниобий), Zr (цирконий), Au (золото), Ag (серебро), Pt (платина) и т.д.

Цветные металлы в свою очередь подразделяются на следующие группы:

- легкие цветные , например: K (калий), Na (натрий), Ca (кальций), Al (алюминий), Mg (магний);

- тяжелые цветные с плотностью более 5 г/см3, например: Ni (никель)i, Cu (медь), Pb (свинец), Zn (цинк), Sn (олово);

- благородные , например: Au (золото), Ag (серебро), Pt (платина);

- редкие.

Редкие металлы в свою очередь подразделяют на:

Тугоплавкие (с температурой плавления выше 1875 °С), например: W(вольфрам), Ti (титан), Mо (молибден), V (ванадий), Nb (ниобий), Zr (цирконий), Та (тантал);

Легкие, например: Sr (стронций), Sc (скандий), Rb (рубидий), Cs (цезий);

Радиоактивные, например: U (уран); Ra (радий), Ae (актинидий), Pd (палладий);

Редкоземельные, например: Ge (германий), Ga (галлий), Hf (гафний), In (индий), La (лантан), Tl (таллий), Се (церий), Re (рений).

Классификация сплавов

Технически чистые металлы обладают низкой прочностью и поэтому применение их ограничено. В промышленности, как правило, применяются сплавы металлов.

Сплавом (металлов) называют твёрдые и жидкие системы, образованные главным образом сплавлением двух или более металлов, а также металлов с различными неметаллами. 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.

По характеру металла (основы) различают:

Черныеили железоуглеродистые сплавы - стали, чугуны (основа - Fe);

Цветные сплавы (основа - цветные металлы), в т.ч. :

• сплавы на основе цветных металлов, таких как K (калий), Na (натрий), Ca (кальций), Al (алюминий), Mg (магний) называются легкими цветными сплавами;
• на основе цветных металлов, таких как Ni (никель)i, Cu (медь), Pb (свинец), Zn (цинк), Sn (олово) называются тяжёлыми цветными сплавами;
• на основе тугоплавких металлов, таких как W(вольфрам), Ti (титан), Mо (молибден), V (ванадий), Nb (ниобий), Zr (цирконий), и т.д. называются тугоплавкими сплавами;

- сплавы радиоактивных металлов (основа – радиоактивные металлы);

- сплавы редкоземельных металлов (основа – радиоактивные металлы).

В зависимости от количества основных компонентов, входящих в состав сплава, различают сплавы двойные (бинарные) и сложные (тройные, четверные и т. д.)

Примеси сплавов.

Помимо основных компонентов в состав сплавов входят примеси:

Случайные (попадают в сплав во время его приготовления);

Специальные (вводятся в сплав в виде добавок для придания ему необходимых эксплуатационных свойств)

Введение в сплав специальных добавок называется легированием, а сама добавка – лигатурой. Составляющими лигатуры могут быть как отдельные элементы (легирующие элементы), так и сплавы этих элементов (например: ферросплавы FeTi: FeV; FeCr и т.д.).

Помимо этого различают примеси вредные (S, P, O 2 , H 2 , N 2), ухудшающие свойства материалов, и полезные, улучшающие их свойства - (легирующие элементы).

Структура сплавов.

По структуре сплавы разделяют на твердые растворы, механические смеси и химические соединения.

1. Если атомы входящих в состав сплава компонентов имеют незначительные различия в размерах и строении электронной оболочки, то они, как правило, образуют общую кристаллическую решетку. Такая структура называется твердым раствором.
2. Механическая смесь получается в том случае, когда компоненты сплава не могут образовать общую решетку и каждый из них кристаллизуется самостоятельно.
3. Если при химическом взаимодействии компонентов сплава получается новое вещество, свойства которого резко отличаются от свойств исходных компонентов, то такой сплав называют химическим соединением.

В одном сплаве могут одновременно присутствовать все три структуры.

Муниципальное общеобразовательное учреждение средняя Городищенская школа №2

Реферат по химии на тему

Работу выполнила

ученица средней школы №2

Яблочкина Екатерина

Городище 2011

Введение

Сплав

Классификация сплавов

Свойства сплавов

Физические свойства сплавов

Получение сплавов

ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИ Е

Сплавы золота

Заключение

ИспользУемая литература и сайты

Введение

Древние мастера по металлу не оставили описаний приемов обработки и составов сплавов, применявшихся для изготовления разных предметов. Такая литература появляется только в средневековье, но в ней названия сплавов и терминология не всегда поддаются расшифровке, поэтому источником сведений являются исключительно сами вещи. Существует множество работ, посвящённых результатам исследований древних предметов. Из них мы узнаем, что первое появление изделий из меди археологи относят к VII тыс. до н.э. Это были кованые предметы из самородной меди. Затем появляется металлургическая медь и сплавы меди с другими металлами. На протяжении нескольких тысячелетий в основном из меди и ее сплавов изготавливались различные предметы: орудия труда, оружие, украшения и зеркала, посуда, монеты. Составы древних сплавов весьма разнообразны, в литературе их условно называют бронза. К наиболее ранним относятся мышьяковистые и оловянистые бронзы. Кроме олова и мышьяка в древних сплавах часто присутствует свинец, цинк, сурьма, железо и другие элементы в виде микропримесей, которые попадали в металл с рудой. Состав сплава подбирался весьма рационально в зависимости от функционального назначения предмета и используемой техники изготовления. Так, для литья художественных изделий был выбран рецепт тройного сплава медь-олово-свинец, применявшийся в античной Греции, в Римской империи, на Ближнем и Среднем Востоке, в Индии; в Китае бронза была одним из самых распространенных сплавов. На литых предметах из такой бронзы со временем образуется красивая патина, которая в некоторых случаях сохраняется и на археологических предметах.

Сплавы, макроскопические однородные системы, состоящие из двух или более металлов (реже- металлов и неметаллов) с характерными металлическими свойствами. В более широком смысле сплавы -любые однородные системы, полученные сплавлением металлов, неметаллов, неорганических соединений и т.д.. Многие сплавы (например: бронза, сталь, чугун) были известны в глубокой древности и уже тогда имели обширное практическое применение. Техническое значение металлических сплавов объясняется тем, что многие их свойства (прочность, твердость, электрическое сопротивление) гораздо выше, чем у составляющих их чистых металлов.

Называют сплавы исходя из названия элемента, содержащегося в них в наибольшем количестве (основной элемент, основа), например: сплав железа, сплав алюминия. Элементы, вводимые в сплав для улучшения их свойств, называются легирующими, а сам процесс - легированием.

Легирование - процесс введения в расплав дополнительных элементов, улучшающих механические, физические и химические свойства основного материала. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, проводимых на различных этапах получения металлического материала с целями повышения качества металлургической продукции.

Классификация сплавов

По характеру металла- основы, различают черные сплавы (основа - железо (Fe), цветные сплавы (основа - цветные металлы), сплавы редких металлов, сплавы радиоактивных металлов.

По числу компонентов сплавы делят на двойные, тройные и т.д.;

по структуре - на гомогенные (однородные) и гетерогенные (смеси), состоящие из нескольких;

по характерным свойствам - на тугоплавкие, легкоплавкие, высокопрочные, жаропрочные, твердые, антифрикционные, коррозионностойкие;

сплавы со специальными свойствами и другие.

По технологии производства выделяют литейные (для изготовления деталей методом литья) и деформируемые (подвергаемые ковке, штамповке, прокатке, прессованию и другим видам обработки давлением).

Свойства сплавов

Свойства сплавов зависят не только от состава, но и от способов их тепловой и механической обработки: закалки, ковки и др. Вплоть до конца XIX века поиск новых практических полезных сплавов веди методом проб и ошибок. Только на рубеже XIX- XX вв. результате фундаментальных открытий в области физической химии возникло учение о закономерности между свойствами металлов и свойствами образованных из них сплавов, о влиянии на них механических, тепловых и других воздействий.

В металловедение различают три типа сплавов:

твердый раствор (если атомы, входящие в состав сплава элементов незначительно отличаются строением и размером, они могут образовывать общую кристаллическую решетку);

механическую смесь (если каждый элемент сплава кристаллизуется самостоятельно);

химическое соединение (если элементы сплава химически взаимодействуют, образуя новое вещество).

Физические свойства сплавов

Механические свойства металлов и сплавов

К основным механическим свойствам относятся прочность, вя

Классификация свойств металлов и сплавов

Свойства металлов и сплавов делятся на 4 основные группы:

1. физические,
2. химические,
3. механические,
4. технологические.

Физические свойства металлов и сплавов.

К физическим свойствам металлов и сплавов относятся цвет, плотность (удельный вес), плавкость, тепловое расширение, теплопроводность, теплоемкость, электропроводность и способность их намагничиваться. Эти свойства называют физическими потому, что обнаруживаются в явлениях, которые не сопровождаются изменением химического состава вещества, т. е. металлы и сплавы остаются неизмененными по составу при нагревании, прохождении через них тока, тепла, а также при их намагничивании и плавлении. Многие из указанных физических свойств имеют установленные единицы измерения, по которым судят о свойствах металла.

Цвет.

Металлы и сплавы не прозрачны. Даже тонкие слои металлов и сплавов не способны пропускать лучи, но они имеют в отраженном свете внешний блеск, причем каждый из металлов и сплавов имеет свой особый оттенок блеска или, как говорят, цвет. Например, медь имеет розово-красный цвет, цинк - серый, олово - блестяще-белый и т. д.

Удельный вес -это вес 1 см 3 металла, сплава или любого другого вещества в граммах. Например, удельный вес чистого железа равен 7,88 г/см 3 .

Плавление - способность металлов и сплавов переходить из твердого состояния в жидкое, характеризуется температурой плавления. Металлы, имеющие высокую температуру плавления, называют тугоплавкими (вольфрам, платина, хром и т.д.). Металлы, имеющие низкую температуру плавления, называют легкоплавкими (олово, свинец и т.д.).

Тепловое расширение - свойство металлов и сплавов увеличиваться в объеме при нагревании, характеризуется коэффициентами линейного и объемного расширения. Коэффициент линейного расширения - отношение приращения длины образца металла при нагревании на 1° к первоначальной длине образца. Коэффициент объемного расширения - отношение приращения объема металла при нагревании на 1° к первоначальному объему. Объемный коэффициент принимают равным утроенному коэффициенту линейного расширения. Различные металлы имеют различные коэффициенты линейного расширения. Например, коэффициент линейного расширения стали равен 0,000012 , меди - 0,000017 , алюминия- 0,000023 . Зная коэффициент линейного расширения металла, можно определить его величину удлинения:

1. определим, насколько удлинится стальной трубопровод длиной 5000 м при его нагреве до 20°С :

5000·0,000012·20 = 1,2 м

1. определим, насколько удлинится медный трубопровод длиной 5000 м при его нагреве до 20°С :

5000·0,000017·20= 1,7 м

1. определим, насколько удлинится алюминиевый трубопровод длиной 5000 м при его нагреве до 20°С :

5000·0,000023·20=2,3 м

(Во всех трех случаях расчета не принимался во внимание коэффициент трения от собственного веса.) На основании приведенных выше расчетов цветные металлы при нагревании расширяются в большей степени, чем сталь, что необходимо учитывать в процессе сварки.

Теплопроводность -способность металлов и сплавов проводить тепло. Чем больше теплопроводность, тем быстрее тепло распространяется по металлу или сплаву при нагревании. При охлаждении металлы и сплавы, обладающие большой теплопроводностью, быстрее отдают тепло. Теплопроводность красной меди в 6 раз выше теплопроводности железа. При сварке металлов и сплавов, имеющих большую теплопроводность, требуется предварительный, а иногда и сопутствующий подогрев.

Теплоемкость - количество тепла, потребное для нагревания единицы веса на 1° . Удельная теплоемкость - количество тепла в ккал (килокалориях), необходимое для нагрева 1 кг вещества на 1° . Низкую удельную теплоемкость имеют платина и свинец. Удельная теплоемкость стали и чугуна примерно в 4 раза выше удельной теплоемкости свинца.

Электропроводность - способность металлов и сплавов проводить электрический ток. Хорошей электропроводностью обладают медь, алюминий и их сплавы.

Магнитные свойства - способность металлов намагничиваться, которые проявляются в том, что намагниченный металл притягивает к себе металлы, обладающие магнитными свойствами.

Химические свойства металлов и сплавов.

Под химическими свойствами металлов и сплавов понимают их способность вступать в соединения с различными веществами и в первую очередь с кислородом. К химическим свойствам металлов и сплавов относят:

1. стойкость против коррозии на воздухе,
2. кислотостойкость,
3. щелочестойкость,
4. жаростойкость.

Стойкостью металлов и сплавов на воздухе называют способность последних противостоять разрушающему действию кислорода, находящемуся в воздухе.

Кислотостойкостью называют способность металлов и сплавов противостоять разрушающему действию кислот. Например, соляная кислота разрушает алюминий и цинк, а свинец не разрушает; серная кислота разрушает цинк и железо, но почти не действует на свинец, алюминий и медь.

Щелочестойкостью металлов и сплавов называют способность противостоять разрушающему действию щелочей. Щелочи особенно сильно разрушают алюминий, олово и свинец.

Жаростойкостью называют способность металлов и сплавов противостоять разрушению кислородом при нагреве. Для повышения жаростойкости вводят специальные примеси в металл, как, например, хром, ванадий, вольфрам и т. д.

Старение металлов - изменение свойств металлов во времени вследствие внутренних процессов, обычно протекающее замедленно при комнатной температуре и более интенсивно при повышенной температуре. Старение стали обусловлено выделением по границам зерен карбидов и нитридов, что приводит к повышению прочности и снижению пластичности стали. К элементам, уменьшающим склонность к старению стали, относятся алюминий и кремний, а способствующим старению - азот и углерод.

Механические свойства металлов и сплавов.

Рис. 1

К основным механическим свойствам металлов и сплавов относятся

1. прочность,
2. твердость,
3. упругость,
4. пластичность,
5. ударная вязкость,
6. ползучесть,
7. усталость.

Прочностью называют сопротивление металла или сплава деформации и разрушению под действием механических нагрузок. Нагрузки могут быть сжимающими, растягивающими, скручивающими, срезающими и изгибающими (рис. 1 ).

Твердостью называют способность металла или сплава оказывать сопротивление прониканию в него другого более твердого тела.

Рис. 2

В технике наибольшее применение получили следующие способы испытания твердости металлов и сплавов:

1. 2,5 ; 5 и 10 мм - испытание твердости по Бринелю (рис. 2,а );
2. вдавливание в материал стального шарика диаметром 1,588 мм или алмазного конуса - испытание твердости по Роквеллу (рис. 2,б )
3. вдавливание в материал правильной четырехгранной алмазной пирамиды - испытание по Виккерсу (рис. 2,в ).

Рис. 3

Упругостью называют способность металла или сплава изменять свою первоначальную форму под действием внешней нагрузки и восстанавливать ее после прекращения действия нагрузки (рис. 3 ).

Пластичностью называют способность металла или сплава, не разрушаясь, изменять форму под действием нагрузки и сохранять эту форму после ее снятия. Пластичность характеризуется относительным удлинением и относительным сужением.

где Δl = l 1 -l 0 - абсолютное удлинение образца при разрыве;

δ - относительное удлинение;

l 1 -длина образца в момент разрыва;

l 0 -первоначальная длина образца;

где Ψ -относительное сужение при разрыве;

F 0 - первоначальная площадь поперечного сечения образца;

F - площадь образца после разрыва

Рис 4

Ударной вязкостью называют способность металла или сплава сопротивляться действию ударных нагрузок. Испытания производятся на маятниковом костре (рис. 4 ). Перед испытанием маятник 1 отводят на угол подъема α , в этом положении закрепляют защелкой. Стрелку 2 , укрепленную на оси качания маятника, отводят до упора 3 , расположенного у нулевого деления шкалы 4 . Маятник, освобожденный от защелки, падает, разрушает образец 5 и, (продолжая двигаться то инерции, поднимается на другую сторону станины, на некоторый угол β . При обратном движении маятника стрелка 2 отклоняется от нулевого деления и при вертикальном положении маятника указывает величину β - наибольшего угла подъема маятника после разрушения образца. Разность углов α-β характеризует работу излома образца.

Для определения ударной вязкости вначале вычисляют работу А , которая затрачена грузом маятника на разрушение образца

А = Р (Н - h) кгс м

где Н - высота подъема маятника до удара в м

h -высота подъема маятника после удара в м

Р - ударная сила.

Затем определяют ударную вязкость

Где а н -ударная вязкость в кГс·м/см 2

F - площадь поперечного сечения образца в см 2 .

Ползучестью называют свойство металла или сплава медленно и непрерывно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки (особенно при повышенных температурах).

Усталостью называют постепенное разрушение металла или сплава при большом числе повторно-переменных нагрузок, а свойство выдерживать эти нагрузки называют выносливостью.

Испытания образцов металлов и сплавов на растяжение осуществляют при пониженных, нормальных и повышенных температурах. Испытания при пониженных температурах производят в соответствии с ГОСТ 11150-65 0 -100°С и при температуре кипения технического жидкого азота. Испытания при нормальных температурах осуществляют по Г ОСТ 1497-61 при температуре 20±10°С .

Испытания при повышенных температурах производят по ГОСТ 9651-61 при температуре до 1200°С .

При испытании образцов на растяжение определяют предел прочности - σ в , предел текучести (физический)-σ т , предел текучести условный (технический) -σ о,2 , истинное сопротивление разрыву-S к и относительное удлинение - δ .

Рис. 5

Для усвоения указанных выше величин рассмотрим диаграмму, представленную на рис. 5 . По вертикальной оси 0-Р отсчитываем приложенную нагрузку Р в килограммах (чем выше точка по оси, тем больше нагрузка), а по горизонтальной оси абсолютное удлинение- Δl .

Рассмотрим участки диаграммы:

1. начальный прямолинейный участок 0-Р пц , на котором сохраняется пропорциональность между удлинением материала и нагрузкой (Р пц -нагрузка при пределе пропорциональности)
2. точка резкого перегиба кривой Р’ т называется нагрузкой при верхнем пределе текучести
3. участок Р’ т - Р т , параллельный горизонтальной оси 0-Δl (площадка текучести), в пределах которого удлинение образца происходит при постоянной нагрузке Р т , носящей название нагрузки при пределе текучести
4. точка Р в , отмечающая наибольшую растягивающую силу - нагрузку при пределе прочности
5. точка Р к -сила в момент разрушения образца.

Предел прочности при растяжении (временное сопротивление) σ в - напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествовавшей разрушению образца:

где F 0 - площадь поперечного сечения образца перед испытанием в мм 2

P в - наибольшая растягивающая сила в кгс .

Предел текучести (физический) σ т -наименьшее напряжение, при котором происходит деформация испытуемого образца без увеличения нагрузки (нагрузка не увеличивается, а образец удлиняется),

Предел текучести условный (технический) σ о,2 - напряжение, при котором остаточная деформация образца достигает 0,2% :

Предел пропорциональности σ пц - условное напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями достигает определенной степени, устанавливаемой техническими условиями:

Истинное сопротивление разрыву S к -напряжение в шейке растягиваемого образца, определяемое как отношение растягивающей силы, действующей на образец непосредственно перед его разрывом, к площади поперечного сечения образна в шейке (F ):

Технологические свойства металлов и сплавов.

К технологическим свойствам металлов и сплавов относятся:

• обрабатываемость резанием,
• ковкость,
• жидкотекучесть,
• усадка,
• свариваемость,
• прокаливаемость и т.д .

Обрабатываемостью резанием называют способность металлов и сплавов поддаваться механической обработке режущим инструментом.

Ковкостью называют способность металлов и сплавов принимать необходимую форму под действием внешних сил как в холодном, так и в горячем состоянии.

Жидкотекучестью называют способность металлов и сплавов заполнять литейные формы. Высокой жидкотекучестью обладает фосфористый чугун.

Усадкой называют способность металлов и сплавов при остывании уменьшать свой объем при затвердевании из жидкого состояния, охлаждении, спекании спрессованных порошков или сушке.