Определение и классификация металлов и сплавов. Литейные свойства металлов и сплавов. Классификация и маркировка чугунов

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

Как вы уже знаете, у бронзы, например, прочность выше, чем у составляющих ее меди и олова. Сталь и чугун прочнее технически чистого железа. Поэтому в чистом виде металлы используют редко. Значительно чаще применяются их сплавы. Известно немногим более 80 металлов, но из них получены десятки тысяч различных сплавов.

Помимо большей прочности многие сплавы обладают большей коррозионной стойкостью и твердостью, лучшими литейными свойствами, чем чистые металлы. Так, чистая медь очень плохо поддается литью, из нее трудно получить отливки, и в то же время оловянная бронза - сплав Си + Бп имеет прекрасные литейные свойства: из нее отливают художественные изделия, требующие тонкой проработки деталей. Чугун - сплав железа с углеродом - также великолепный литейный материал. Чистый алюминий - очень мягкий металл, сравнительно непрочный на разрыв. Но сплав, состоящий из А1, М£, Мп, Си, №, называемый дюралюминием, в четыре раза прочнее алюминия на разрыв.

Помимо более высоких механических качеств сплавам присущи свойства, которых нет у чистых металлов. Примерами могут служить получаемая на основе железа нержавеющая сталь - материал с высокой коррозионной стойкостью даже в агрессивных средах и с высокой жаропрочностью, магнитные материалы, сплавы с высоким электрическим сопротивлением, с малым коэффициентом термического расширения.

Сплавы - это материалы с характерными свойствами, состоящие из двух или более компонентов, из которых по крайней мере один - металл.

Компонентами сплавов могут быть и неметаллы, и соединения.

По состоянию компонентов сплавы могут быть однородными, когда при сплавлении образуется как бы раствор одного металла в другом, например сплавы меди и олова, золота и серебра, и неоднородными, представляющими собой механическую смесь металлов.

Сплавы классифицируются по-разному, в зависимости от того, какой признак взят за основу. Чаще всего сплавы подразделяют по составу : медные, алюминиевые, никелевые, титановые и т. д.

Есть группы сплавов, носящие общие названия: бронзы, латуни и др. Иногда в названии сплава отмечают особо ценные компоненты: бериллиевые бронзы, вольфрамовая сталь и др.

В металлургии железо и все его сплавы выделяют в одну группу под названием черные металлы; остальные металлы и их сплавы имеют техническое название цветные металлы .

Подавляющее большинство железных (или черных) сплавов содержит углерод. Их разделяют на чутуны и стали.

Чугун - сплав на основе железа, содержащий от 2 до 4,5% углерода, а также марганец, кремний, фосфор и серу. Чугун значительно тверже железа, обычно он очень хрупкий, не куется, а при ударе разбивается. Этот сплав применяется для изготовления различных массивных деталей методом литья, так называемый литейный чугун и для переработки в сталь - передельный чугун.

В зависимости от состояния углерода в сплаве различают серый и белый чугун (табл. 4).

Сталь - сплав на основе железа, содержащий менее 2% углерода. По химическому составу стали разделяют на два основных вида: углеродистая и легированная.

Углеродистая сталь представляет собой сплав железа главным образом с углеродом, но, в отличие от чугуна, содержание в ней углерода, а также Мn, Si, Р и S гораздо меньше. В зависимости от количества углерода стали подразделяют на мягкие (содержание углерода не превышает 0,3%), средней твердости (углерода несколько больше, чем в мягких) и твердые (углерода может быть до 2%). Из мягкой и средней твердости стали делают детали машин, трубы, болты, гвозди, скрепки и т. д., а из твердой - различные инструменты.

Легированная сталь - это тоже сплав железа с углеродом , только в него введены еще специальные, легирующие добавки: хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий и др.

Легирующие добавки придают сплаву особые качества. Так, хромоникелевые стали очень пластичные, прочные, жаростойкие, кислотоупорные, устойчивые против коррозии (ржавления). Они применяются в строительстве (например, облицовка колонн станции «Маяковская» московского метро выполнена из хромоникелевой стали), а также для изготовления нержавеющих предметов домашнего обихода (ножей, вилок, ложек), всевозможных медицинских и других инструментов. Хромо-молибденовые и хромованадиевые стали очень твердые, прочные и жаростойкие. Они используются для изготовления трубопроводов, компрессоров, двигателей и многих других деталей машин современной техники. Хромовольфрамовые стали сохраняют большую твердость при очень высоких температурах. Они служат конструкционным материалом для быстрорежущих инструментов.

Некоторые легированные стали представлены в таблице 5.

Свойства некоторых легированных сталей и их применение

1. Сплавы и их классификация.

2. Черные металлы: чугуны и стали.

3. Цветные металлы: бронза, латунь, мельхиор, дюралюминий.

Какой период в истории человечества называют «бронзовым веком»? Почему?

Какое количество вещества меди и никеля нужно взять для производства 25 кг мельхиора?

Что объединяет два выражения: «легирующие элементы стали» и «привилегированное положение в обществе»?

Металлическим сплавом называется вещество, полученное сплавлением двух или более исходных веществ, преимущественно металлических. Помимо сплавления сплавы получают спеканием, электролизом и другими способами.

Вещества, из которых образован сплав, называются компонентами сплава. В качестве компонентов сплавов могут быть как чистые элементы, так и устойчивые химические соединения. При кристаллизации сплавов могут образоваться следующие основные твердые фазы: твердые растворы; химические соединения; механические смеси из сплавляемых компонентов.

Твердые растворы

Твердые растворы являются наиболее распространенной фазой в металлических сплавах. Являются кристаллическими веществами.

Химический или спектральный анализ показывает в твердых растворах наличие двух элементов или более, тогда как по данным металлографического анализа такой сплав, как и чистый металл, имеет однородные зерна (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Микроструктура твердого раствора

Рентгеновский анализ обнаруживает в твердом растворе, как и у чистого металла, только один тип решетки.

Следовательно, твердый раствор является однофазным, состоит из одного вида кристаллов, имеет одну кристаллическую решетку; существует в интервале концентраций компонентов.

Строение твердых растворов на основе одного из компонентов сплава таково, что в решетку основного металла-растворителя входят атомы растворенного вещества. При образовании твердого раствора сохраняется решетка одного из элементов, и этот элемент называется растворителем . Атомы растворенного вещества искажают и изменяют средние размеры элементарной ячейки растворителя. При образовании растворов внедрения и замещения атомы растворенного компонента распределяются в решетке растворителя беспорядочно.

Изменение параметров решетки при образовании твердых растворов – важный момент, определяющий свойства вещества. В общем независимо от вида металла относительное упрочнение при образовании твердого раствора пропорционально относительному изменению параметров решетки, причем уменьшение параметра решетки ведет к большему упрочнению, чем ее расширение.

Твердые растворы замещения могут быть ограниченные и неограниченные . Для образования неограниченных твердых растворов в соответствии с исследованиями Юм-Розери необходимы:

1) изоморфность (однотипность) кристаллических решеток сплавляемых компонентов;

2) близость атомных радиусов компонентов, которые не должны отличаться больше чем на 8…13 %;

3) близость физико-химических свойств компонентов.

Однако соблюдение этих условий не всегда является достаточным, чтобы сплавляемые компоненты образовали неограниченные твердые растворы. В реальных сплавах чаще наблюдаются твердые растворы с ограниченной растворимостью.

Химические соединения

Характерными особенностями химических соединений являются:

1) постоянство состава , которое может быть выражено формулой химического соединения;

2) наличие нового типа кристаллической решетки , отличного от типа решеток сплавляемых компонентов;

3) ярко выраженные индивидуальные свойства ;

4) постоянство температуры кристаллизации , как у чистых компонентов.

Химические соединения металлов делятся на две группы . Одна группа – это соединения с нормальной валентностью, т.е. соединения металлов с типичными неметаллами (О, S, Cl и т.д.). Такими соединениями являются оксиды, сульфиды, хлориды. В сплавах эти соединения присутствуют в виде так называемых неметаллических включений.

Другая группа – металлические соединения . Из этой группы наиболее важными являются фазы внедрения и электронные соединения. Металлические соединения отличаются разнообразием типов межатомных связей (металлической, ковалентной, ионной) с преобладанием металлической связи. Благодаря этому металлические соединения характеризуются металлическим блеском, электропроводностью и в отдельных случаях сверхпроводимостью.

Металлическими соединениями являются также соединения переходных металлов с углеродом (карбиды), азотом (нитриды), водородом (гидриды), бором (бориды). Эти соединения могут иметь как очень сложную, так и простую решетку типа ГЦК, ГПУ, реже ОЦК. Химические соединения обозначаются формулой соединения, например: A m B n .

Механические смеси

При сплавлении компонентов с большим различием атомных радиусов и значительным различием электрохимических свойств их взаимная растворимость очень мала, и образуется механическая смесь из кристаллов исходных компонентов (например, сплавы: Рb – Sb, Zn – Sn, Pb – Bi и др.). Между тем, следует помнить, что абсолютное отсутствие взаимной растворимости в реальных сплавах не встречается. Компоненты в сплаве обозначают символами их элементов.

Если компоненты механической смеси А и В достаточно крупного размера, то они отчетливо выявляются на микроструктуре (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Микроструктура механической смеси (схема)

Рентгенограмма сплава покажет наличие двух решеток компонентов А и В . Если бы исследовать в таком сплаве отдельно свойства кристаллов А и кристаллов В , то они были бы тождественны свойствам чистых металлов А и В . Механические свойства полученного вещества зависят от количественного соотношения компонентов, а также от размера и формы зерен.

Понятие сплава, их классификация и свойства.

В технике металлами называют все металлические материа­лы. К ним относятся простые металлы и сложные металлы - сплавы.

Простые металлы состоят из одного основного элемента и незна­чительного количества примесей других элементов. Например, тех­нически чистая медь содержит от 0,1 до 1% примесей свинца, вис­мута, сурьмы, железа и других элементов.

Сплавы - это сложные металлы, представляющие сочетание какого-либо простого металла (основы сплава) с другими метал­лами или неметаллами. Например, латунь - сплав меди с цинком. Здесь основу сплава составляет медь.

Химический элемент, входящий в состав металла или спла­ва, называется компонентом. Кроме основного компонента, преобла­дающего в сплаве, различают еще легирующие компоненты, вводи­мые в состав сплава для получения требуемых свойств. Так, для улучшения механических свойств и коррозионной стойкости латуни в нее добавляют алюминий, кремний, железо, марганец, олово, сви­нец и другие легирующие компоненты.

По числу компонентов сплавы делятся на двухкомпонентные (двойные), трехкомпонентные (тройные) и т. д. Кроме основных и легирующих компонентов, в сплаве содержатся примеси других эле­ментов.

Большинство сплавов получают сплавлением компонентов в жид­ком состоянии. Другие способы приготовления сплавов: спекания, электролиз, возгонка. В этом случае вещества называются псевдосплавами.

Способность металлов к взаимному растворению создает хорошие условия для получения большого числа сплавов, обладаю­щих самыми разнообразными сочетаниями полезных свойств, ко­торых нет у простых металлов.

Сплавы превосходят простые металлы по прочности, твердости, обрабатываемости и т. д. Вот почему они применяются в технике значительно шире простых металлов. Например, железо - мягкий металл, почти не применяющийся в чистом виде. Зато самое широ­кое применение в технике имеют сплавы железа с углеродом - ста­ли и чугуны.

На современном этапе развития техники наряду с увеличе­нием количества сплавов и усложнением их состава большое зна­чение приобретают металлы особой чистоты. Содержание основного компонента в таких металлах составляет от 99,999 до 99,999999999%
и более. Металлы особой чистоты нужны ракетостроению, атомной, электронной и другим новым отраслям техники.

В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы:

1) механические смеси;

2) химические соединения;

3) твердые растворы.

1) Механическая смесь двух компонентов образуется тогда, ко­гда они в твердом состоянии не растворяются друг в друге и не вступают в химическое взаимодействие. Сплавы - механические смеси (например, свинец - сурьма, олово - цинк) неоднородны по своей структуре и представляют смесь кристаллов данных компо­нентов. При этом кристаллы каждого компонента в сплаве полно­стью сохраняют свои индивидуальные свойства. Вот почему свой­ства таких сплавов (например, электросопротивление, твердость и др.) определяются как среднее арифметическое от величины свойств обоих компонентов.

2) Твердые растворы характеризуются образованием общей пространственной кристаллической решетки атомами основ­ного металла-растворителя и атомами растворимого элемента.
Структура таких сплавов состоит из однородных кристаллических зерен, подобно чистому металлу. Существуют твердые растворы за­мещения и твердые растворы внедрения.

К таким сплавам относятся ла­туни, медноникелевые, железохромистые и др.

Сплавы - твердые растворы являются самыми распространен­ными. Их свойства отличаются от свойств составляющих компонен­тов. Так, например, твердость и электросопротивление у твердых растворов значительно выше, чем у чистых компонентов. Благодаря высокой пластичности они хорошо поддаются ковке и другим видам обработки давлением. Литейные свойства и обрабатываемость резанием у твердых растворов низкие.

3) Химические соединения , подобно твердым растворам, явля­ются однородными сплавами. При их затвердевании образуется совершенно новая кристаллическая решетка, отличная от решеток составляющих сплав компонентов. Поэтому свойства химического соединения самостоятельны и не зависят от свойств компонентов. Химические соединения образуются при строго опре­деленном количественном соотношении сплавляемых компонентов. Состав сплава химического соединения выражается химической формулой. Эти сплавы обладают обычно высоким электросопротив­лением, большой твердостью, малой пластичностью. Так, химиче­ское соединение железа с углеродом - цементит (Fe 3 C) тверже чистого железа в 10 раз.

Материаловедение: конспект лекций Алексеев Виктор Сергеевич

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.