Что такое металлические сплавы

СПЛАВЫ

Полезное

Смотреть что такое «СПЛАВЫ» в других словарях:

СПЛАВЫ — СПЛАВЫ, застывшие растворы металлов друг в друге. Вследствие появления у С. целого ряда новых свойств, отсутствующих у чистых металлов, вошедших в их состав, С. получили большое распространение и применение в технике. При сплавлении металлов… … Большая медицинская энциклопедия

СПЛАВЫ — металлические, макроскопические однородные системы, состоящие из двух (например, латунь) или более металлов (реже металлов и неметаллов, например сталь) с характерными металлическими свойствами. В широком смысле сплавы любые однородные системы,… … Современная энциклопедия

СПЛАВЫ — СПЛАВЫ, материалы, представляющие собой сочетание двух или более металлов. Свойства сплава отличаются от свойств исходных элементов. Сплавы обычно тверже и прочнее, и у них более низкая точка плавления. Сочетания с наиболее низкой точкой… … Научно-технический энциклопедический словарь

СПЛАВЫ — макроскопически однородные в ва, получаемые сплавлением двух или более металлов, неметаллов, окислов, органич. в в и т. п. Особенно важную роль в технике играют металлич. С. (основной вид конструкц. материалов). В общем случае С. не являются… … Физическая энциклопедия

СПЛАВЫ — макроскопически однородные вещества, образованные в результате охлаждения и затвердевания высокотемпературных жидких систем, состоящих из двух или нескольких компонентов (химически индивидуальных веществ), а также полученные методом (см.). С.… … Большая политехническая энциклопедия

СПЛАВЫ — металлические макроскопические однородные системы, состоящие из двух или более металлов (реже металлов и неметаллов), с характерными металлическими свойствами. В широком смысле сплавами называют любые однородные системы, полученные сплавлением… … Большой Энциклопедический словарь

Сплавы — I Сплавы металлов, металлические сплавы, твёрдые и жидкие системы, образованные главным образом сплавлением двух или более металлов (См. Металлы), а также металлов с различными неметаллами. Термин «С.» первоначально относился к материалам … Большая советская энциклопедия

Сплавы — [alloys] однородные системы из двух или более элементов, претерпевающие переход из жидкое в твердое агрегатное состояния и обладающие характерными металлическими свойствами. Первые сплавы были природно легированными, их состав и свойства… … Энциклопедический словарь по металлургии

СПЛАВЫ — макроскопические однородные системы, состоящие из двух или более металлов (реже металлов и неметаллов) с характерными металлич. св вами. В более широком смысле С. любые однородные системы, полученные сплавлением металлов, неметаллов, неорг. соед … Химическая энциклопедия

Сплавы* — (хим.). До самого последнего времени о природе С. не существовало точных и верных представлений и они вместе с растворами, стеклами и изоморфными смесями относились к классу неопределенных химических соединений. В настоящее время с очевидностью… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Источник

Сплавы металлов

Металлы используются человеком уже много тысячелетий. По именам металлов названы определяющие эпохи развития человечества: Бронзовый Век, Железный Век, Век Чугуна и т.д. Ни одно металлическое изделие из числа окружающих нас не состоит на 100% из железа, меди, золота или другого металла. В любом присутствуют сознательно введенные человеком добавки и попавшие помимо воли человека вредные примеси.

Абсолютно чистый металл можно получить только в космической лаборатории. Все остальные металлы в реальной жизни представляют собой сплавы — твердые соединения двух или более металлов (и неметаллов), полученные целенаправленно в процессе металлургического производства.

Классификация

Металлурги классифицируют сплавы металлов по нескольким критериям:

Виды сплавов по их основе

Металлы и сплавы на их основе имеют различные физико-химические характеристики.

Металл, имеющий наибольшую массовую долю, называют основой.

Свойства сплавов

Свойства, которыми обладают металлические сплавы, подразделяются на:

Для количественного выражения этих свойств вводят специальные физические величины и константы, такие, как предел упругости, модуль Гука, коэффициент вязкости и другие.

Основные виды сплавов

Самые многочисленные виды сплавов металлов изготавливаются на основе железа. Это стали, чугуны и ферриты.

Вещества с большим содержанием углерода, имеющие выраженные магнитные свойства, называют ферритами. Они используются при производстве трансформаторов и катушек индуктивности.

Сплавы металлов на основе меди, содержащие от 5 до 45% цинка, принято называть латунями. Латунь мало подвержена коррозии и широко применяется как конструкционный материал в машиностроении.

Если вместо цинка к меди добавить олово, то получится бронза. Это, пожалуй, первый сплав, сознательно полученный нашими предками несколько тысячелетий назад. Бронза намного прочнее и олова, и меди и уступает по прочности только хорошо выкованной стали.

Вещества на основе свинца широко применяются для пайки проводов и труб, а также в электрохимических изделиях, прежде всего, батарейках и аккумуляторах.

Двухкомпонентные материалы на основе алюминия, в состав которых вводят кремний, магний или медь, отличаются малым удельным весом и высокой обрабатываемостью. Они используются в двигателестроении, аэрокосмической промышленности и производстве электрокомпонентов и бытовой техники.

Цинковые сплавы

Сплавы на основе цинка отличаются низкими температурами плавления, стойкостью к коррозии и отличной обрабатываемостью. Они применяются в машиностроении, производстве вычислительной и бытовой техники, в издательском деле. Хорошие антифрикционные свойства позволяют использовать цинковые сплавы для вкладышей подшипников.

Титановые сплавы

Титан не самый доступный металл, он сложен в производстве и тяжело обрабатывается. Эти недостатки искупаются его уникальными свойствами титановых сплавов: высокой прочностью, малым удельным весом, стойкостью к высоким температурам и агрессивным средам. Эти материалы плохо поддаются механической обработке, но зато их свойства можно улучшить с помощью термической обработки.

Легирование алюминием и небольшими количествами других металлов позволяет повысить прочность и жаростойкость. Для улучшения износостойкости в материал добавляют азот или цементируют его.

Область применения титановых сплавов

Металлические сплавы на основе титана используются в следующих областях:

Алюминиевые сплавы

Если первая половина XX века была веком стали, то вторая по праву назвалась веком алюминия.

Трудно назвать отрасль человеческой жизнедеятельности, в которой бы не встречались изделия или детали из этого легкого металла.

Алюминиевые сплавы подразделяют на:

Основные преимущества соединений алюминия:

Основным недостатком сплавных материалов является низкая термостойкость. При достижении 175°С происходит резкое ухудшение механических свойств.

Еще одна сфера применения — производство вооружений. Вещества на основе алюминия не искрят при сильном трении и соударениях. Их применяют для выпуска облегченной брони для колесной и летающей военной техники.

Весьма широко применяются алюминиевые сплавные материалы в электротехнике и электронике. Высокая проводимость и очень низкие показатели намагничиваемости делают их идеальными для производства корпусов различных радиотехнических устройств и средств связи, компьютеров и смартфонов.

Слитки из алюминиевых сплавов

Присутствие даже небольшой доли железа существенно повышает прочность материала, но также снижает его коррозионную устойчивость и пластичность. Компромисс по содержанию железа находят в зависимости от требований к материалу. Отрицательное влияние железа скомпенсируют добавлением в состав лигатуры таких металлов, как кобальт, марганец или хром.

Конкурентом алюминиевым сплавам выступают материалы на основе магния, но ввиду более высокой цены их применяют лишь в наиболее ответственных изделиях.

Медные сплавы

Обычно под медными сплавами понимают различные марки латуни. При содержании цинка в 5-45% латунь считается красной (томпак), а при содержании в 20-35%- желтой.

Благодаря отличной обрабатываемости резанием, литьем и штамповкой латунь — идеальный материал для изготовления мелких деталей, требующих высокой точности. Шестеренки многих знаменитых швейцарских хронометров сделаны из латуни.

Малоизвестный сплав меди и кремния называют кремнистой бронзой. Он отличается высокой прочностью. По некоторым источникам, из кремнистой бронзы ковали свои мечи легендарные спартанцы. Если вместо кремния добавить фосфор, то получится отличный материал для производства мембран и листовых пружин.

Твердые сплавы

Это устойчивые к износу и обладающие высокой твердостью материалы на основе железа, к тому же сохраняющие свои свойства при высоких температурах до 1100 о С.

В качестве основной присадки применяются карбиды хрома, титана, вольфрама, вспомогательными являются никель, кобальт, рубидий, рутений или молибден.

Основными сферами применения являются:

Области применения твердых сплавов

Существуют и другие области применения твердосплавных веществ.

Источник

Особенности металлических сплавов

Работать с металлами человек начал в 4 тысячелетии. В истории, века ознакомления с новыми видами металлов названы в честь них — Бронзовый, Железный, Чугунный. Однако, в природе невозможно найти ни одного металлического изделия, которое будет на 100% состоять из одного вида металла. В изготавливаемых предметах, деталях или конструкциях есть добавки которые ввёл сам человек или они попали туда естественным путем. Из-за этого можно утверждать, что все представленные материалы металлического происхождения это сплавы металлов.

Расплавленный металл

Основные определения

Людям, работающим в сфере металлообработки, необходимо знать виды металлов и сплавов, чтобы понимать как происходят те или иные процессы в ходе обработки. Металлические материалы образую группу простых веществ, которые имеют собственные характерные свойства.

Структура представляет собой совокупность атомов, которые выстраиваются в отдельные ячейки. Ячейки, в свою очередь, объединяются между собой, образуя кристаллическую решётку. Внутреннюю часть решётки образуют атомные ядра. Вокруг них располагаются электроны. Кристаллическая решётка представляет собой совокупность простых геометрических форм.

Свойства металлов

Эту группу веществ определяют по характерным признакам. Механические свойства алюминия, стали, железа, свинца, олова и других видов металлов давно известны науке:

Среди дополнительных свойств выделяют устойчивость к воздействию высоких температур и холода, а также температуру плавления. К химическим свойствам можно отнести возможность контактировать с другими веществами.

Признаки металлов

Изначально считалось, что металлы и сплавы обладают тремя характерными признаками — ковкость, пластичность и блеск. Однако оказалось, что некоторые неметаллические вещества также обладают блеском. Сейчас главным признаком металла считается понижение электропроводности при изменении температуры.

Классификация металлов

В природе существует несколько видов металлов, которые отличаются по своим свойствам, характеристикам и внешнему виду. Каждая из разновидностей по-разному ведёт себя при взаимодействии с другими материалами или под воздействием факторов окружающей среды.

Виды металлов

Черные

В эту группу входит железо и сплавы на его основе. Характерные особенности чёрных металлов:

К представителям группы чёрных металлов относятся: вольфрам, хром, кобальт, молибден, железо, никель, титан, марганец, уран, нептуний, плутоний и другие. Используются они в различных отраслях и обладают разными свойствами. Популярными считаются сталь и чугун.

В состав черных металлов входит не только железо, но и различные примеси к которым относится сера, фосфор или кремний. В своём составе они содержат разное количество углерода.

Цветные

Представители этой группы более востребованы. Связано это с тем, что цветные металлы применяют в большем количестве отраслей. Их могут использовать в машиностроении, передовых технологиях, радиоэлектронике, металлургии. Ключевые особенности цветных металлов:

Из-за низкой прочности представителей цветной группы их используют в связке с разными видами более плотных материалов. Представители этой группы: магний, алюминий, никель, свинец, олово, цинк, серебро, платина, родий, золото и другие.

Слитки золота (Фото: pixabay.com)

Мягкие

Можно выделить отдельные виды металлов, которые будут относиться к группе твёрдых и мягких. В качестве мягких выступают:

Это ключевые представители группы мягких металлов.

Твердые

Популярными материалами этой группы являются:

Представители «твёрдой группы» хуже поддаются обработке и используются в меньшем количестве направлений деятельности человека, чем мягкие.

Основные виды сплавов

Существуют различные виды сплавов металлов, однако стоит поговорить только об основных.

Самыми популярными считаются составы на основе железа. К ним относится сталь, чугун и ферриты. Если с первыми двумя сплавами всё понятно, то стоит кратко сказать о том, что такое ферриты. Это соединения металлов, в которых содержится большое количество углерода. Их используют для изготовления катушек индуктивности. Также стоит упомянуть другие основные сплавы металлов.

Изделия выполненные из металлических сплавов

Магниевые сплавы

Обладают высокой прочностью при малом размере и массе заготовки. Слабо защищены от коррозии, не обладают достаточной пластичностью для удобной обработки. Используются в машиностроении. Главная особенность сплавов на основе магния — свойство поглощать вибрации подвижных элементов.

Бериллиевые сплавы

Устойчивы к коррозийным процессам. Бериллий чаще всего смешивается с медью. Такая смесь называется Бериллиевой бронзой. Её используют для изготовления шестерней, контактов, часовых механизмов, подшипников.

Цинковые сплавы

Особенности этих соединений заключаются в низкой температуре плавления, высоким показателе пластичности, устойчивости к коррозиям. Используются для изготовления подшипников, бытовой техники, в машиностроении.

Титановые сплавы

Тяжелый в обработке материал. Сплавы на его основе обладают малым весом, высокой прочностью, стойкостью к воздействию факторов окружающей среды. Чтобы облегчить обработку металла, его необходимо нагреть. Используется в различных направлениях промышленности.

Алюминиевые сплавы

Сплавы на основе этого материала считаются наиболее популярными. Встретить их можно в большинстве сфер жизни человека. У них такие преимущества:

Главный недостаток этого материала — низкая температура плавления. Уже к 200 градусам, свойства сплава ухудшаются. Алюминиевые сплавы используются в различных направлениях промышленности. Благодаря малому удельному весу алюминий получил большую популярность в строительстве самолётов.

Алюминий (Фото: pixabay.com)

Медные сплавы

Большинство соединений на основе меди представляют собой латунь. В зависимости от содержания меди в составе сплава выделяется красная и жёлтая латунь. Из этого материала изготавливаются маленькие детали для высокоточных и миниатюрных механизмов. Обладает высоким показателем пластичности, благодаря чему с соединениями на основе меди легко работать.

Распространение сплавов в современной промышленности

Выделяют следующие направления промышленности, в которых используются сплавы:

Это направления применения металлов и их сплавов в промышленности. Металлы и сплавы можно найти в любых сферах жизни. Каждое соединение обладает своими свойствами и характеристиками, которые изменяются по мере добавления посторонних примесей в состав.

Источник

An сплав это комбинация металлы или металлы в сочетании с одним или несколькими другими элементы. Например, сочетание металлических элементов золото и медь производит красное золото, золото и серебро становится белое золото, а серебро в сочетании с медью дает серебро 925 пробы. Элементаль утюг, в сочетании с неметаллическими углерод или же кремний, производит сплавы под названием стали или же кремнистая сталь. Полученная смесь образует вещество, свойства которого часто отличаются от свойств чистых металлов, например повышенная прочность или твердость. В отличие от других веществ, которые могут содержать металлические основания, но не ведут себя как металлы, например оксид алюминия (сапфир), силикат бериллия алюминия (изумруд) или хлорид натрия (соль) сплав сохранит все свойства металла в полученном материале, например электрическая проводимость, пластичность, непрозрачность, и блеск. Сплавы используются в самых разных сферах применения: от стальных сплавов, используемых во всем, от зданий до автомобилей и хирургических инструментов, до экзотических титановых сплавов, используемых в аэрокосмической промышленности, до бериллиево-медных сплавов для искробезопасных инструментов. В некоторых случаях сочетание металлов может снизить общую стоимость материала при сохранении важных свойств. В других случаях комбинация металлов придает синергетические свойства составляющим металлическим элементам, такие как коррозионная стойкость или механическая прочность. Примеры сплавов: сталь, припаять, латунь, оловянный, дюралюминий, бронза и амальгамы.

Сплавы определяются металлическое соединение персонаж. [1] Составляющие сплава обычно измеряются в процентах по массе для практического применения, а в атомная доля для изучения фундаментальных наук. Сплавы обычно классифицируются как замещающие или межузельные сплавы, в зависимости от расположения атомов, образующих сплав. Они могут быть далее классифицированы как гомогенные (состоящие из одной фазы), гетерогенные (состоящие из двух или более фаз) или интерметаллид.

Содержание

Вступление

Как масло и вода, расплавленный металл не всегда может смешиваться с другим элементом. Например, чистое железо почти полностью нерастворимый с медью. Даже когда компоненты растворимы, каждый из них обычно имеет точка насыщения, сверх которого больше нельзя добавлять составляющие. Железо, например, может содержать максимум 6,67% углерода. Хотя элементы сплава обычно должны растворяться в жидкость состояние, они не всегда могут быть растворимы в твердый государственный. Если металлы остаются растворимыми в твердом состоянии, сплав образует Твердый раствор, превращаясь в однородную структуру, состоящую из одинаковых кристаллов, называемую фаза. Если по мере охлаждения смеси компоненты становятся нерастворимыми, они могут разделиться с образованием двух или более разных типов кристаллов, создавая гетерогенный микроструктура различных фаз, некоторые из которых содержат больше одного компонента, чем другого. Однако в других сплавах нерастворимые элементы могут не разделяться до тех пор, пока не произойдет кристаллизация. При очень быстром охлаждении они сначала кристаллизуются как гомогенная фаза, но они перенасыщенный с вторичными составляющими. Со временем атомы этих пересыщенных сплавов могут отделяться от кристаллической решетки, становясь более стабильными и образуя вторую фазу, которая служит для внутреннего упрочнения кристаллов.

Некоторые сплавы, такие как электрум- сплав серебро и золото- возникают естественно. Метеориты иногда состоят из природных сплавов железа и никель, но не родом с Земли. Одним из первых сплавов, сделанных людьми, был бронза, который представляет собой смесь металлов банка и медь. Бронза была чрезвычайно полезным сплавом для древних, потому что она намного прочнее и тверже любого из ее компонентов. Сталь была еще одним распространенным сплавом. Однако в древности он мог образоваться только как случайный побочный продукт при нагревании железной руды при пожарах (плавка) при изготовлении железа. Другие древние сплавы включают оловянный, латунь и чугун. В современную эпоху сталь можно создавать во многих формах. Углеродистая сталь можно получить, варьируя только содержание углерода, получая мягкие сплавы, такие как мягкая сталь или твердые сплавы, такие как стальная пружина. Легированные стали можно сделать, добавив другие элементы, например хром, молибден, ванадий или же никель, в результате чего получаются такие сплавы, как быстрорежущей стали или же инструментальная сталь. Небольшие количества марганец обычно легированы большинством современных сталей из-за их способности удалять нежелательные примеси, такие как фосфор, сера и кислород, которые могут отрицательно повлиять на сплав. Однако большинство сплавов не было создано до 1900-х годов, например различные алюминиевые, титан, никель, и магниевые сплавы. Некоторые современные суперсплавы, Такие как инколой, инконель, и Hastelloy, может состоять из множества различных элементов.

Терминология

Как существительное, термин сплав используется для описания смеси атомов, основной составляющей которой является металл. При использовании в качестве глагола этот термин относится к смешиванию металла с другими элементами. Первичный металл называется основание, то матрица, или растворитель. Вторичные составляющие часто называют растворенные вещества. Если имеется смесь только двух типов атомов (не считая примесей), например, медно-никелевый сплава, то его называют бинарный сплав. Если смесь состоит из трех типов атомов, таких как железо, никель и хром, то это называется тройной сплав. Сплав с четырьмя составляющими является четвертичный сплав, в то время как пятикомпонентный сплав называется пятый сплав. Поскольку процентное содержание каждого компонента может варьироваться, для любой смеси весь диапазон возможных изменений называется система. В этом отношении все различные формы сплава, содержащего только два компонента, такие как железо и углерод, называются сплавом. бинарная система, в то время как все комбинации сплавов, возможные с тройным сплавом, такие как сплавы железа, углерода и хрома, называются троичная система. [2]

На практике некоторые сплавы используются настолько преимущественно по отношению к их основным металлам, что название основного компонента также используется в качестве названия сплава. Например, 14 карат золото представляет собой сплав золота с другими элементами. Точно так же серебро используется в ювелирные украшения и алюминий в качестве конструкционного строительного материала также используются сплавы.

Термин «сплав» иногда используется в повседневной речи как синоним определенного сплава. Например, автомобильные колеса из алюминиевый сплав обычно называют просто «литые диски», хотя на самом деле стали и большинство других металлов, которые используются на практике, также являются сплавами. Сталь является настолько распространенным сплавом, что многие изделия из нее, например колеса, бочки, или же фермы, упоминаются просто по названию предмета, если он сделан из стали. Когда они изготовлены из других материалов, они обычно указываются как таковые (например: «бронзовое колесо», «пластиковая бочка» или «деревянная балка»).

Теория

Легирование металла осуществляется путем объединения его с одним или несколькими другими элементами. Самый распространенный и самый старый процесс легирования выполняется путем нагрева основного металла сверх его температура плавления и затем растворение растворенных веществ в расплавленной жидкости, что может быть возможным, даже если точка плавления растворенного вещества намного выше, чем у основания. Например, в жидком состоянии титан это очень сильный растворитель, способный растворять большинство металлов и элементов. Кроме того, он легко поглощает газы, например кислород, и горит в присутствии азота. Это увеличивает вероятность загрязнения с любой соприкасающейся поверхности, поэтому его необходимо расплавить в вакууме с индукционным нагревом и специальной медью с водяным охлаждением. тигли. [5] Однако некоторые металлы и растворенные вещества, такие как железо и углерод, имеют очень высокие температуры плавления, и древние люди не могли их расплавить. Таким образом, легирование (в частности, легирование внедрения) также может выполняться с одним или несколькими компонентами в газообразном состоянии, например, в доменная печь производить чугун (жидкость-газ), азотирование, нитроцементация или другие формы упрочнение (твердый газ), или процесс цементирования раньше делал блистерная сталь (твердый газ). Это также может быть сделано с одним, несколькими или всеми компонентами в твердом состоянии, например, с помощью древних методов узорная сварка (твердый-твердый), режущая сталь (твердый-твердый), или тигельная сталь производство (твердое-жидкое), смешивание элементов посредством твердотельного распространение.

В отличие от чистых металлов большинство сплавов не имеют единой температура плавления, но диапазон плавления, в течение которого материал представляет собой смесь твердый и жидкость фазы (слякоть). Температура, при которой начинается плавление, называется солидус, а температура, когда плавление только что закончилось, называется ликвидус. Для многих сплавов существует определенная пропорция сплава (в некоторых случаях более одного), называемая либо эвтектика смесью или перитектическим составом, что придает сплаву уникальную низкую температуру плавления и отсутствие перехода жидкость / твердое вещество.

Термообрабатываемые сплавы

В основной металл добавляются легирующие элементы, чтобы твердость, стойкость, пластичность, или другие желаемые свойства. Большинство металлов и сплавов можно закаленный в работе создавая дефекты в их кристаллической структуре. Эти дефекты возникают во время Пластическая деформация молотком, сгибанием, выдавливанием и т. д. и являются прочными, если металл не перекристаллизованный. В противном случае некоторые сплавы могут также изменить свои свойства из-за термическая обработка. Почти все металлы можно смягчить отжиг, который рекристаллизует сплав и устраняет дефекты, но не так много может быть упрочнено контролируемым нагревом и охлаждением. Многие сплавы алюминий, медь, магний, титан, и никель можно до некоторой степени усилить каким-либо методом термической обработки, но немногие реагируют на это в той же степени, что и стали. [9]

Основное металлическое железо из сплава железа с углеродом, известного как сталь, претерпевает изменение в расположении (аллотропия) атомов его кристаллической матрицы при определенной температуре (обычно от 1500 ° F (820 ° C) до 1600 ° F (870 ° C), в зависимости от содержания углерода). Это позволяет более мелким атомам углерода проникать в пустоты кристалла железа. Когда это распространение происходит, говорят, что атомы углерода находятся в решение в железе, образуя особую единую однородную кристаллическую фазу, называемую аустенит. Если сталь охлаждается медленно, углерод может диффундировать из железа, и он постепенно вернется к своему низкотемпературному аллотропу. Во время медленного охлаждения атомы углерода больше не будут такими растворимый с железом, и будет вынужден осадок вне решения, зарождение в более концентрированную форму карбида железа (Fe₃В) в промежутках между кристаллами чистого железа. В этом случае сталь становится неоднородной, поскольку состоит из двух фаз: железоуглеродистой фазы, называемой цементит (или же карбид) и чистое железо феррит. Такая термообработка дает довольно мягкую сталь. Однако, если сталь охлаждается быстро, атомы углерода не успевают диффундировать и выпадать в осадок в виде карбида, а будут захвачены кристаллами железа. При быстром охлаждении бездиффузионное (мартенситное) превращение происходит, когда атомы углерода оказываются захваченными в растворе. Это заставляет кристаллы железа деформироваться, поскольку кристаллическая структура пытается перейти в низкотемпературное состояние, в результате чего кристаллы становятся очень твердыми, но гораздо менее пластичными (более хрупкими).

В то время как высокая прочность стали достигается за счет предотвращения диффузии и осаждения (образование мартенсита), большинство термически обрабатываемых сплавов являются осадочное твердение сплавы, прочность которых зависит от диффузии легирующих элементов. При нагревании до образования раствора и последующем быстром охлаждении эти сплавы становятся намного мягче, чем обычно, во время бездиффузионного превращения, но затем затвердевают по мере старения. Растворенные вещества в этих сплавах со временем будут выпадать в осадок, образуя интерметаллид фазы, которые трудно отличить от основного металла. В отличие от стали, в которой твердый раствор разделяется на различные кристаллические фазы (карбид и феррит), дисперсионно-твердеющие сплавы образуют разные фазы в одном и том же кристалле. Эти интерметаллические сплавы кажутся однородными по кристаллической структуре, но имеют тенденцию вести себя неоднородно, становясь твердыми и в некоторой степени хрупкими. [9]

Замещающие и внедренные сплавы

Когда расплавленный металл смешивается с другим веществом, есть два механизма, которые могут вызвать образование сплава, называемые обмен атомами и межстраничный механизм. Относительный размер каждого элемента в смеси играет первостепенную роль в определении того, какой механизм произойдет. Когда атомы относительно близки по размеру, обычно применяется метод обмена атомами, при котором некоторые из атомов, составляющих металлические кристаллы, замещаются атомами другого компонента. Это называется замещающий сплав. Примеры сплавов замещения включают бронзу и латунь, в котором некоторые из атомов меди замещены атомами олова или цинка соответственно.

В случае механизма внедрения один атом обычно намного меньше другого и не может успешно заменить атом другого типа в кристаллах основного металла. Вместо этого более мелкие атомы оказываются захваченными в промежутках между атомами кристаллической матрицы, которые называются пустоты. Это называется межузельный сплав. Сталь является примером сплава внедрения, потому что очень маленькие атомы углерода входят в пустоты в матрице железа.

Нержавеющая сталь представляет собой пример комбинации сплавов внедрения и замещения, поскольку атомы углерода входят в промежутки, но некоторые атомы железа замещены атомами никеля и хрома. [9]

История и примеры

Метеоритное железо

Бронза и латунь

Железо обычно встречается в виде железная руда на Земле, за исключением одного месторождения самородное железо в Гренландия, который использовался Инуиты люди. [12] Родные медь, однако, был найден по всему миру вместе с серебро, золото, и платина, которые также использовались для изготовления инструментов, украшений и других предметов со времен неолита. Медь была самым твердым из этих металлов и наиболее широко распространенным. Он стал одним из важнейших металлов в древности. Около 10000 лет назад в высокогорье Анатолия (Турция) люди научились нюхать металлы, такие как медь и банка из руда. Около 2500 г. до н.э. люди начали сплавлять два металла с образованием бронза, который был намного сложнее, чем его ингредиенты. Однако олово было редкостью, в основном в Великобритании. На Ближнем Востоке люди начали легировать медь цинк формировать латунь. [13] Древние цивилизации принимали во внимание смесь и различные свойства, которые она производила, такие как твердость, стойкость и температура плавления, при различных условиях температура и упрочнение, развивая большую часть информации, содержащейся в современных фазовые диаграммы сплавов. [14] Например, наконечники стрел из китайского Династия Цинь (около 200 г. до н.э.) часто изготавливались с твердой бронзовой головкой, но с более мягкой бронзовой головкой, сочетающей сплавы для предотвращения тусклости и поломки во время использования. [15]

Амальгамы

Меркурий был выплавлен из киноварь на тысячи лет. Ртуть растворяет многие металлы, такие как золото, серебро и олово, с образованием амальгамы (сплав в виде мягкой пасты или жидкости при температуре окружающей среды). Амальгамы использовались с 200 г. до н.э. в Китае для позолота такие объекты, как броня и зеркала с драгоценными металлами. Древние римляне часто использовали ртуть-оловянные амальгамы для позолоты своих доспехов. Амальгаму наносили в виде пасты, а затем нагревали до испарения ртути, оставляя после себя золото, серебро или олово. [16] Ртуть часто использовалась в горнодобывающей промышленности для извлечения драгоценных металлов, таких как золото и серебро, из их руд. [17]

Сплавы драгоценных металлов

Многие древние цивилизации сплавили металлы в чисто эстетических целях. В древности Египет и Микенызолото часто сплавили с медью для получения красного золота или с железом для получения яркого бордового золота. Золото часто находили в сплаве с серебром или другими металлами для производства различных типов цветное золото. Эти металлы также использовались для усиления друг друга в более практических целях. Медь часто добавляли в серебро, чтобы серебро 925 пробы, увеличивая его прочность для использования в посуде, столовом серебро и других практических предметах. Довольно часто драгоценные металлы смешивались с менее ценными веществами, чтобы обмануть покупателей. [18] Около 250 г. до н.э., Архимед был заказан королем Сиракузы найти способ проверить чистоту золота в короне, что привело к знаменитому банному крику «Эврика!» после открытия Принцип архимеда. [19]

Оловянный

Период, термин оловянный охватывает различные сплавы, состоящие в основном из олова. Как чистый металл, олово слишком мягкое, чтобы его можно было использовать в большинстве практических целей. Однако во время Бронзовый веколово было редким металлом во многих частях Европы и Средиземноморья, поэтому часто ценилось выше золота. Чтобы сделать из олова украшения, столовые приборы или другие предметы, рабочие обычно легировали его другими металлами, чтобы увеличить прочность и твердость. Эти металлы обычно вести, сурьма, висмут или медь. Эти растворенные вещества иногда добавляли индивидуально в различных количествах или складывали вместе, создавая широкий спектр предметов, начиная от практических предметов, таких как посуда, хирургические инструменты, подсвечники или воронки, до декоративных предметов, таких как серьги и заколки для волос.

Самые ранние образцы олова происходят из Древнего Египта, около 1450 г. до н.э. Использование олова было широко распространено в Европе, от Франции до Норвегии и Великобритании (где добывалась большая часть древнего олова) до Ближнего Востока. [20] Сплав также использовался в Китае и на Дальнем Востоке, прибыв в Японию около 800 г. н.э., где он использовался для изготовления таких предметов, как церемониальные сосуды, чайные банки или чаши, используемые в синтоизм святыни. [21]

Сталь и чугун

Первая известная выплавка железа началась в Анатолия, около 1800 г. до н.э. Называется процесс цветения, получается очень мягкий, но пластичный кованое железо. К 800 г. до н.э. технология производства железа распространилась в Европу, прибыв в Японию около 700 г. н.э. Чугун, очень твердый, но хрупкий сплав железа и углерод, производился в Китай еще в 1200 году до нашей эры, но не прибыл в Европу до средневековья. Чугун имеет более низкую температуру плавления, чем железо, и его использовали для изготовления чугун. Однако эти металлы не нашли практического применения до появления тигельная сталь около 300 г. до н.э. Эти стали были низкого качества, и введение узорная сварка, примерно в 1 веке нашей эры, стремились сбалансировать экстремальные свойства сплавов, ламинировав их, чтобы создать более прочный металл. Приблизительно в 700 году нашей эры японцы начали складывать цветную сталь и чугун чередующимися слоями, чтобы увеличить прочность своих мечей, используя глиняные флюсы для удаления шлак и примеси. Этот метод Японское кузнечное дело произвел один из самых чистых стальных сплавов древнего мира. [14]

Введение доменной печи в Европу в средние века означало, что люди могли производить чугун в гораздо больших объемах, чем кованое железо. Поскольку чугун можно плавить, люди начали разрабатывать процессы для снижения содержания углерода в жидкость чугун для создания стали. Лужа использовался в Китае с первого века и был представлен в Европе в 1700-х годах, где расплавленный чугун перемешивали на воздухе, чтобы удалить углерод путем окисление. В 1858 г. Генри Бессемер разработал процесс выплавки стали путем продувки горячим воздухом жидкого чугуна для снижения содержания углерода. В Бессемеровский процесс привело к первому крупномасштабному производству стали. [22]

Легированные стали

После того, как Бенджамин Хантсман разработал свой тигельная сталь в 1740 году он начал экспериментировать с добавлением таких элементов, как марганец (в виде высокомарганцевого чугуна, называемого Spiegeleisen), который помог удалить такие примеси, как фосфор и кислород; процесс, принятый Бессемером и до сих пор использующийся в современных сталях (хотя и в достаточно низких концентрациях, чтобы по-прежнему считаться углеродистой сталью). [25] После этого многие люди без особого успеха начали экспериментировать с различными сплавами стали. Однако в 1882 г. Роберт Хэдфилд, будучи пионером в металлургии стали, заинтересовалась и произвела стальной сплав, содержащий около 12% марганца. Называется мангаллой, она продемонстрировала исключительную твердость и вязкость, став первой коммерчески жизнеспособной легированной сталью. [26] Впоследствии он создал кремнистая сталь, начав поиск других возможных сплавов стали. [27]

Роберт Форестер Мушет обнаружил, что добавив вольфрам по отношению к стали он может давать очень твердую кромку, которая не теряет своей твердости при высоких температурах. «Особая сталь Р. Мушета» (РМС) стала первой быстрорежущей стали. [28] Сталь Мушета была быстро заменена на карбид вольфрама Сталь, разработанная Тейлором и Уайтом в 1900 году, в которой они удвоили содержание вольфрама и добавили небольшое количество хрома и ванадия, что позволило получить сталь превосходного качества для использования в токарных станках и механических инструментах. В 1903 г. Братья Райт использовали хромоникелевую сталь для изготовления коленчатого вала двигателя своего самолета, а в 1908 г. Генри Форд начал использовать ванадиевую сталь для таких деталей, как коленчатые валы и клапаны в его Модель T Ford, из-за их более высокой прочности и устойчивости к высоким температурам. [29] В 1912 году на заводе Krupp Ironworks в Германии была разработана нержавеющая сталь с добавлением 21% хром и 7% никель, производя первые нержавеющая сталь. [30]

Алюминий и другие цветные сплавы

Цветные сплавы не содержат заметных количеств железа. Первые сплавы, бронза и латунь, использовались в течение тысяч лет, наряду со сплавами свинца, оловом и другими, но все они были сделаны из металлов, которые были довольно инертными и могли плавиться в открытом огне. В 18 веке Антуан Лавуазье помог установить кислородную теорию горение, вытесняя несуществующие теория флогистона который правил с позднего средневековья. Теория кислорода помогла правильно объяснить феномен таких вещей, как окисление металлов (например, ржавчины) и как каменистые руды превращаются в металлы при нагревании. Лавуазье предсказал, что многие земли, соли и щелочи, например, в квасцысоль, используемая с древних времен, содержала металлические основания, которые были слишком реактивны по отношению к кислороду, чтобы их можно было плавить обычными методами. Его работа в конечном итоге привела к периодическая таблица элементов, что помогло подтвердить существование этих «недостающих металлов».

Из-за их высокой реакционной способности большинство металлов не были обнаружены до 19 века. Способ извлечения алюминия из боксит был предложен Хэмфри Дэви в 1807 г., используя электрическая дуга. Хотя его попытки не увенчались успехом, к 1855 году на рынок поступили первые продажи чистого алюминия. Однако, как добывающая металлургия все еще находился в зачаточном состоянии, большинство процессов извлечения алюминия производили непредусмотренные сплавы, загрязненные другими элементами, обнаруженными в руде; Самым распространенным из них была медь. Эти алюминиево-медные сплавы (в то время называемые «алюминиевой бронзой») предшествовали чистому алюминию, предлагая большую прочность и твердость по сравнению с мягким чистым металлом, и было обнаружено, что в некоторой степени они поддаются термической обработке. [31] Однако из-за своей мягкости и ограниченной прокаливаемости эти сплавы не нашли практического применения и были скорее новинкой, пока Братья Райт использовал алюминиевый сплав для создания первого двигателя самолета в 1903 году. [32] В период между 1865 и 1910 годами были открыты способы извлечения многих других металлов, таких как хром, ванадий, вольфрам, иридий, кобальт, и молибден, были разработаны различные сплавы. [33]

До 1910 года исследования в основном проводились частными лицами, работающими в собственных лабораториях. Однако по мере роста авиационной и автомобильной промышленности исследования сплавов стали промышленными усилиями в годы после 1910 г. магниевые сплавы были разработаны для поршней и колеса в машинах и горшок из металла для рычагов и ручек, а также из алюминиевых сплавов, разработанных для планеры и скины самолетов были введены в эксплуатацию. [34]

Сплавы с дисперсионным твердением

Источник