Металлы и сплавы
При изучении изделий и металлов из них нужно знать их свойства, классификацию, факторы, воздействующие на уровень качества. Уровень качества металлоизделий, срок их работы зависят от природы металла, его строения (структуры), от разработки изготовления, отделки, и от условий эксплуатации, хранения и транспортирования.
Одинаковые металлоизделия в одних условиях смогут продолжительно эксплуатироваться, а в других скоро выходят из строя.
Металлы. Металлы являются кристаллические вещества неорганического происхождения, характеризующиеся высокой электро- и теплопроводностью, прочностью, вязкостью, пластичностью.
Приблизительно три четверти элементов таблицы Д. И. Менделеева приходится на долю металлов. Самый распространенные из них — железо, алюминий, медь, свинец, цинк, хром, титан, вольфрам, магний, молибден.
К металлам относят кроме этого и их сплавы.
Металлы делятся на тёмные и цветные.
К тёмным относятся сплавы и железо железа с углеродом (чугун и сталь), к цветным (нежелезным) — все остальные металлы.
По плотности нежелезные металлы подразделяют на тяжелые (4,5 г/см3) и легкие (
По температуре плавления металлы дробят на легкоплавкие и тугоплавкие. К легкоплавким относят металлы с температурой плавления до 1539°С (свинец, олово, цинк, алюминий и др.), остальные— к тугоплавким (вольфрам, молибден, ниобий и др.).
По степени чистоты (наличию примесей) металлы подразделяют на шесть подгрупп. В первую подгруппу (пониженной чистоты) включены металлы с содержанием примесей от 1 до 5%.
Во второй подгруппе (средней, технической чистоты) примесей допускается от 0,1 до 1%; в третьей (повышенной чистоты) —от 0,01 до 0,1%: в четвертой (высокой чистоты) —от 0,001 до 0,01%; в пятой (особенной чистоты)—от 0,0001 до 0,001%; в шестой подгруппе (сверхчистых металлов) примесей должно находиться не более 0,0000001%.
Металлы второй и третьей подгрупп используют для производства металлоизделий, четвертой и пятой — для изготовления токо-ведущих жил, проводов, шнуров, клемм и самых разнообразных подробностей в радио- и электротехнике, шестой — цля выработки полупроводниковых материалов и других особых изделий.
По степени окисления металлы подразделяют на добропорядочные и обычные. К драгоценным металлам относятся золото, серебро, платина; к обычным — все остальные.
Все металлы в жёстком состоянии имеют кристаллическое строение. Элементарные частицы, из которых состоят металлы, находятся в определенном порядке, образуя наряду с этим простые либо сложные решетки (рис. 1).
Любая решетка имеет соответствующее число атомов и характеризуется определенным расстоянием между ними.
Любой металл имеет определенную решетку. Но последовательность металлов в зависимости от температуры, других факторов и давления может иметь пара решеток.
Существование одного металла в нескольких кристаллических формах именуется аллотропией. Разные кристаллические формы одного металла именуются аллотропическими модификациями.
Переход одной модификации в другую может приводить в некоторых случаях к разрушению металла. К примеру, олово при охлаждении ниже, температуры — 18°С благодаря громадных объемных трансформаций преобразовывается в порошок.
Переход металла из жидкого состояния в жёсткое именуется кристаллизацией, а из жёсткого в жидкое — плавлением. Кристаллизация металла начинается при наличии в расплаве атомов металла или других элементов, являющихся центрами кристаллизации.
Чем больше в расплаве центров кристаллизации, тем меньших размеров образуются зерна. Металл с мелкозернистой структурой характеризуется более большой прочностью, чем металл с крупнозернистой структурой.
Исходя из этого в жидкий металл время от времени вводят добавки, являющиеся дополнительными центрами кристаллизации. Таковой процесс именуется модифицированием.
Он используется для увеличения механических особенностей изделий.
Рис. 1. Главные виды кристаллических решеток: а — объемно-центрированная кубическая; б — гранецен’грированная кубическая; в — гексагональная
Свойства металлов разнообразны. самые важными из них являются физические, химические и технологические особенности.
К физическим особенностям относятся механические и электрические. Наиболее значимыми показателями механических особенностей металлов являются разрушающее напряжение (предел прочности), предел пропорциональности, предел текучести, ударная вязкость, твердость, пластичность и др.
Предел пропорциональности соответствует большому напряжению, при котором сохраняется прямая зависимость между удлинением и нагрузкой.
Твердость определяют способом вдавливания в пример металлического закаленного шарика (способ Бринелля) либо алмазного конуса (способ Роквелла). Твердость по Бринеллю (НВ) выражается в МПа.
Твердость по Роквеллу (HR) выражается в условных единицах (по шкале А — HRA и шкале С — HRC). Данный способ используют в тех случаях, в то время, когда твердость материалов 40 МПа и более.
Пластические особенности учитывают как при определении механических особенностей, так и при обработке железных заготовок при получении из них готовых изделий.
Электрические особенности металлов характеризуют их свойство проводить электрический ток. Прекрасно выполняют электрический ток серебро, медь, алюминий. Металлы, имеющие высокое сопротивление прохождению электрического тока с выделением громадного количества теплоты, обширно используют для изготовления электронагревательных элементов, нитей накаливания в осветительных устройствах и т. п.
Металлы смогут намагничиваться и притягиваться магнитом. Эти свойства металлов учитываются при изготовлении генераторов, электромоторов, трансформаторов, реле.
самые высокие магнитные особенности имеют железо, никель, сплавы и кобальт на их базе.
Ответственное значение имеют кроме этого и термические, свойства металлов — линейное и объемное расширение, теплопроводность и др. Линейное и объемное расширение обширно употребляется при изготовлении биметаллических подробностей для других приборов и терморегуляторов.
Химические особенности характеризуют свойство металла сопротивляться разрушению от коррозии. Стойкость к коррозии зависит от природы металлов, состава и степени легирования окружающей среды.
Технологические особенности металлов характеризуют их поведение при разных видах обработки — формовке, отделке и декорировании изделий из металлов. Различают литейные свойства металлов (жидкотекучесть, усадку, температуру плавления), ковкость, вытяжку, свойство к обработке резанием и т. д.
Жидкотекучесть — свойство жидкого металла либо сплава всецело заполнять форму.
Усадка — изменение количества металла при переходе его из жидкого состояния в жёсткое. Чем меньше усадка и ниже температура плавления металла, тем легче отливать из него отличные изделия.
вытяжка и Ковкость характеризуют возможность обработки металлов давлением.
Сплавы. Железными сплавами именуют материалы, полученные соединением двух металлов либо нескольких расплавленных металлов с неметаллами (с кремнием, другими элементами и углеродом) либо выплавкой из руд.
Сплавы благодаря своим особенностям используются существенно шире, чем металлы.
Сплавы классифицируют по назначению, количеству элементов, входящих в их состав, наличию особых примесей, структуре, методу получения из них изделий и вторым показателям.
По назначению сплавы бывают неспециализированного применения и особые (шарикоподшипниковые, для того чтобы и др.).
По количеству элементов (компонентов) сплавы дробят на двойные (двоичные) и сложные — тройные, четверные и т. д.
По наличию особых примесей сплавы дробят на легированные и нелегированные. К первым относят сплавы со особыми добавками, придающими им определенные особенности.
По количеству легирующих добавок они бывают низколегированными (до 5%), среднелегированными (5—10%) и высоколегированными (более 10%). Нелегированные сплавы особых добавок не имеют.
По структуре сплавы дробят на эвтектические, химические соединения и твёрдые растворы. Эвтектические сплавы складываются из разных зерен с характерными для них решетками.
Эти сплавы отличаются высокими литейными особенностями, что характерно для чугунов и алюминиевых сплавов.
Жёсткие растворы характеризуются тем, что их компоненты взаимно растворяются как в жидком, так и в жёстком состояниях. В отличие от эвтектических сплавов они имеют однородное строение.
Свойства жёстких растворов зависят по большей части от количества одного из элементов.
В химических соединениях атомы исходных компонентов образуют новую решетку. Свойства их сильно отличаются от особенностей исходных компонентов.
Сплавы по методу получения из них изделий делятся на деформируемые и литейные. Из первых изделия приобретают способами давления — прокаткой, ковкой, вытяжкой и т. п. К литейным относят сплавы, из которых изделия изготовляют литьем.
Помимо этого, сплавы подразделяют на прецизионные и обычные. К первым относят сплавы со строго определенным специфическими свойствами и химическим составом (магнито-мягкие, магнито-жёсткие, сплавы с особенными электрическими, тепловыми особенностями и др.).
