Металлы и сплавы как основа современных конструкционных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Новокузнецкий филиал-институт

Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Кемеровский государственный университет»

Кафедра гражданского права и процесса

Студент группы ЭПЗВ-09

Александрова Е.Е.

Курсовая работа

Металлы и сплавы как основа современных конструкционных материалов

Руководитель

КТН

Ф.И.О. Чмелева К.В.

Новокузнецк, 2010

Содержание

Введение

1. Общая характеристика металлов

1.1 Физические свойства металлов

1.2 Химические свойства металлов

2. Понятие о сплавах

2.1 Классификация сплавов. Требования к сплавам

3. Металлы и сплавы как основа конструкционных материалов

3.1 Применение конструкционных материалов в технике

Заключение

Список использованных источников

Введение

Человек с самого раннего возраста привыкает к окружающим его металлическим предметам домашнего обихода. Мы к ним настолько привыкли, что не замечаем и не задумываемся, откуда они берутся.

Современную жизнь нельзя представить без таких металлов и сплавов, как чугун, сталь, алюминий, медь, титан, бронза, золото, серебро и др. Будущее человечества тесно связано с использованием новых сплавов и металлов на металлической основе. Металл - фундамент современной цивилизации, основа основ технического прогресса. И чем выше поднимается человечество по ступеням развития, тем больше его нужда в металлах.

Металлы хорошо проводят тепло и электрический ток, т. е. они теплопроводны и электропроводны. Самую высокую электропроводность имеют серебро Ag, медь Си, алюминий Al, золото Au и железо Fe. Из меди и алюминия делают электрические провода.

Характерным свойством металлов является пластичность. Пластичностью называется свойство металлов изменять форму.

Металлы изменяют свою форму при ударе. В сильно нагретом состоянии они куются. Их можно прокатывать в листы, вытягивать в проволоку. Следовательно, металлы пластичны и ковки. Только марганец Mn, сурьма Sb и висмут Bi хрупки.

Химические элементы - это элементы, образующие в свободном состоянии простые вещества с металлической связью. Из 110 известных химических элементов 88-металлы и только 22-неметаллы. Такие металлы, как золото, серебро и медь, известны человеку с доисторических времен. В древние и средние века считали, что существует только 7 металлов (золото, серебро, медь, олово, свинец, железо и ртуть). М. В. Ломоносов определял металл как “светлое тело, которое ковать можно” и относил к металлам золото, серебро, медь, олово, железо и свинец” А. Лавуазье в “Начальном курсе химии” (1789) упоминал уже 17 металлов. В начале XIX в. последовало открытие платиновых металлов, а затем щелочных, щелочноземельных и ряда других.

Триумфом периодического закона было открытие металлов, предсказанных на его основе Д. И. Менделеевым, - галлия, скандия и германия. В середине XX в. с помощью ядерных реакций были получены трансурановые элементы - не существующие в природе радиоактивные металлы.

Современная металлургия получает свыше 60 металлов и на их основе более 5000 сплавов. В основе структуры металлов лежит кристаллическая решетка из положительных ионов, погруженная в плотный газ подвижных электронов. Эти электроны компенсируют силы электрического отталкивания между положительными ионами и тем самым связывают их в твердые тела.

Такой тип химической связи называют металлической связью. Она обусловила важнейшие физические свойства металлов: пластичность, электропроводность, теплопроводность, металлический блеск.

Актуальность темы обусловлена быстрым развитием и применением в различных областях промышленности на основе металлов и сплавов конструкционных изделий.

Объектом курсовой работы являются металлы и сплавы.

Предмет курсовой работы применение металлов и сплавов в конструкционных материалах.

Цель работы выявить особенности использования металлов и их сплавов в производстве конструкционных материалов.

Для решения поставленной цели были выдвинуты следующие задачи:

1. Рассмотреть основные свойства металлов и сплавов.

2. Охарактеризовать конструкционные материалы и их практическое применение.

В работе использовались следующие основные методы: сбор информации, ее направленное преобразование; теоретический анализ литературы по теме исследования; конкретизация, аналогия, сравнение и синтез полученной информации; обобщение.

1. Общая характеристика металлов

1.1 Физические свойства металлов и сплавов

Металлы хорошо проводят тепло и электрический ток, т. е. они теплопроводны и электропроводны. Самую высокую электропроводность имеют серебро Ag, медь Си, алюминий Al, золото Au и железо Fe. Из меди и алюминия делают электрические провода.

Характерным свойством металлов является пластичность.

Пластичность - способность изменять форму при ударе, вытягиваться в проволоку, прокатываться в тонкие листы. В ряду - Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe уменьшается.

Блеск, обычно серый цвет и непрозрачность. Это связано со взаимодействием свободных электронов с падающими на металл квантами света.

Электропроводность. Объясняется направленным движением свободных электронов от отрицательного полюса к положительному под влиянием небольшой разности потенциалов. В ряду - Ag, Cu, Al, Fe уменьшается. При нагревании электропроводность уменьшается, т.к. с повышением температуры усиливаются колебания атомов и ионов в узлах кристаллической решетки, что затрудняет направленное движение "электронного газа" [1,с.10,22].

Теплопроводность. Закономерность та же. Обусловлена высокой подвижностью свободных электронов и колебательным движением атомов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры по массе металла. Наибольшая теплопроводность - у висмута и ртути.

Твердость. Самый твердый - титан, хром (режет стекло); самые мягкие - щелочные металлы - калий, натрий, рубидий и цезий - режутся ножом.

Плотность. Она тем меньше, чем меньше атомная масса металла и чем больше радиус его атома (самый легкий - литий (r=0,53 г/смі); самый тяжелый - осмий(r=22,6г/смі). Металлы, имеющие r < 5 г/смі считаются "легкими металлами"[1,с.15].

Температуры плавления и кипения. Самый легкоплавкий металл - ртуть (т.пл. = -39°C), самый тугоплавкий металл - вольфрам (t°пл. = 3390°C).

Металлы с t°пл. выше 1000°C считаются тугоплавкими, ниже - низкоплавкими.

1.2 Химические свойства металлов и сплавов

физический металл химический сплав конструкционный

Металлам присущи многие общие химические свойства, обусловленные слабой связью валентных электронов с ядром атома: образование положительно заряженных ионов (катионов), проявление положительной валентности (окислительного числа), образование основных окислов и гидроокисей, замещение водорода в кислотах и т.д. Металлические свойства элементов можно сравнить, сопоставляя их электроотрицательность (способность атомов в молекулах (в ковалентной связи) притягивать электроны); элементу присущи свойства металла тем больше, чем ниже его электроотрицательность (чем сильнее выражен электроположительный характер) [2,с.33,52]..

Если расположить металлы в последовательности увеличения их нормальных потенциалов, получим так называемый ряд напряжений или ряд активностей. Рассмотрение этого ряда показывает, что по мере приближения к его концу - от щелочных и щёлочноземельных металлам к Pt и Аи - электроположительный характер членов ряда уменьшается. Металлы от Li по Na вытесняют Н2 из Н2О на холоду, а от Mg по Тl - при нагревании. Все металлы, стоящие в ряду выше Н2, вытесняют его из разбавленных кислот (на холоду или при нагревании). Металлы, стоящие ниже Н2, растворяются только в кислородных кислотах (таких, как концентрированная H2SO4 при нагревании или HNO3), a Pt, Аи - только в царской водке (Ir нерастворим и в ней).

Металлы от Li no Na легко реагируют с О2 на холоду; последующие члены ряда соединяются с О2 только при нагревании, a Ir, Pt, Аи в прямое взаимодействие с О2 не вступают. Окислы металлов от Li no Al и от La no Zn трудно восстановимы; по мере продвижения к концу ряда восстановимость окислов увеличивается, а окислы последних его членов разлагаются на металлы и О2 уже при слабом нагревании. О прочности соединений металлов с кислородом (и др. неметаллами) можно судить и по разности их электроотрицательностей: чем она больше, тем прочнее соединение [3, с. 133,134].

Большинство металлов кристаллизуется в относительно простых структурах - кубических и гексагональных ЛГУ, соответствующих наиболее плотной упаковке атомов. Лишь небольшое число металлов имеет более сложные типы кристаллических решёток. Многие металлы в зависимости от внешних условий (температуры, давления) могут существовать в виде двух или более кристаллических модификаций.

Электрические свойства. Характерным свойством металлов как проводников электрического тока является линейная зависимость между плотностью тока и напряжённостью приложенного электрического поля. Носителями тока в металлах являются электроны проводимости, обладающие высокой подвижностью. Согласно квантово-механическим представлениям, в идеальном кристалле электроны проводимости (при полном отсутствии тепловых колебаний кристаллической решётки) вообще не встречают сопротивления на своём пути. Существование у реальных металлов электросопротивления является результатом нарушения периодичности кристаллической решётки. Эти нарушения могут быть связаны как с тепловым движением атомов, так и с наличием примесных атомов, вакансий, дислокаций и др. дефектов в кристаллах. На тепловых колебаниях и дефектах (а также друг на друге) происходит рассеяние электронов[4,с.27].

При нагревании металлов до высоких температур наблюдается «испарение» электронов с поверхности металлов (термоэлектронная эмиссия. В металлах наблюдаются явления фотоэлектронной эмиссии, вторичной электронной эмиссии и ионно-электронной эмиссии. Перепад температуры вызывает в металлах появление электрического тока или разности потенциалов

Тепловые свойства. Теплоёмкость металлов обусловлена как ионным остовом (решёточная теплоёмкость Ср), так и электронным газом (электронная теплоёмкость Сэ). Хотя концентрация электронов проводимости в металлах очень велика и не зависит от температуры, электронная теплоёмкость мала и у большинства металлов наблюдается только при температурах в несколько градусов кельвина. Теплопроводность металлов осуществляется главным образом электронами проводимости.

Магнитные свойства. Переходные металлы с недостроенными f- и d-электронными оболочками являются парамагнетиками. Некоторые из них при определённых температурах переходят в магнитоупорядоченное состояние. Магнитное упорядочение существенно влияет на все свойства металлов, в частности на электрические свойства: в электросопротивление вносит вклад рассеяние электронов на колебаниях магнитных моментов. Гальваномагнитные явления при этом также приобретают специфические черты[5,с.139]..

Магнитные свойства остальных металлов определяются электронами проводимости, которые вносят вклад в диамагнитную и парамагнитную восприимчивости металлов, и диамагнитной восприимчивостью ионного состава. Магнитная восприимчивость X большинства металлов относительно мала и слабо зависит от температуры.

Механические свойства. Многие металлы обладают комплексом механических свойств, обеспечивающим их широкое применение в технике, в частности в качестве конструкционных материалов. Это, в первую очередь, сочетание высокой пластичности со значит, прочностью и сопротивлением деформации, причём соотношение этих свойств может регулироваться в большом диапазоне с помощью механических и термических обработки металлов, а также получением сплавов различного состава[2,с.11].

Протекание процессов релаксации напряжений и постоянная разрядка дислокационной структуры обеспечивают высокую пластичность металлов при их горячей обработке, что позволяет придавать изделиям из металлов разнообразную форму. Отжиг сильно деформированных монокристаллов металлов нередко приводит к образованию поликристаллов с малой плотностью дислокаций внутри зёрен (рекристаллизация) [6,с.37,54]. .

Достижимые степени деформации металлов ограничены процессом разрушения. По мере роста плотности дислокаций при холодной деформации растёт неравномерность их распределения, приводящая к концентрации напряжений в местах сгущения дислокаций и зарождению здесь очагов разрушения - трещин. В реальных кристаллах такие концентрации напряжений имеются и в исходном недеформированном состоянии (скопление примесей, частицы др. фаз и т.п.). Но вследствие пластичности металла деформация вблизи опасных мест снимает напряжения и предотвращает разрушение. Однако если сопротивление движению дислокаций растёт, то релаксационная способность материала падает, что под нагрузкой приводит к развитию трещин (хрупкое разрушение). Это особенно проявляется в металлах с объёмно-центрированной решёткой, в которых подвижность дислокаций резко уменьшается при понижении температуры (из-за взаимодействия с примесями и уменьшения числа кристаллографических возможных плоскостей скольжения). Предотвращение хладноломкости - одна из важнейших технических проблем разработки конструкционных металлических материалов. Другая актуальная проблема - увеличение прочности и сопротивления деформации при высоких температурах. Зародышами разрушения в этих условиях служат микропоры, образующиеся в результате скопления вакансий.

Эффективный способ повышения высокотемпературной прочности - уменьшение диффузионной подвижности точечных дефектов, в частности легированием.

Применяемые в технике конструкционные металлические материалы являются поликристаллическими. Их механические свойства практически изотропны и могут существенно отличаться от свойств монокристаллов металлов. Межфазные границы вносят дополнительный вклад в упрочнение. С другой стороны, они могут быть местами предпочтительного разрушения (межзёренное разрушение) или деформации. Изменяя число и строение межфазных границ, форму и пространственное расположение отдельных структурных составляющих многофазных систем (поликристаллов, гетерофазных агрегатов, возникающих вследствие фазовых превращений, или искусственно полученных композиций), а также регулируя состав и дефектную структуру отдельных кристаллов, можно получить огромное разнообразие механических свойств, необходимых для практического использования металлических материалов. [3, стр. 133-136].

Основным химическим свойством металлов является способность их атомов легко отдавать свои валентные электроны и переходить в положительно заряженные ионы. Типичные металлы никогда не присоединяют электронов; их ионы всегда заряжены положительно.

Легко отдавая при химических реакциях свои валентные электроны, типичные металлы являются энергичными восстановителями.

Способность к отдаче электронов проявляется у отдельных металлов далеко не в одинаковой степени. Чем легче металл отдает свои электроны, тем он активнее, тем энергичнее вступает во взаимодействие с другими веществами.

Опустим кусочек цинка в раствор какой-нибудь свинцовой соли. Цинк начинает растворяться, а из раствора выделяется свинец. Реакция выражается уравнением: Zn + Pb(NO3)2 = Pb + Zn(NO3)2

Из уравнения следует, что эта реакция является типичной реакцией окисления-восстановления. Сущность ее сводится к тому, что атомы цинка отдают свои валентные электроны ионам двухвалентного свинца, тем самым превращаясь в ионы цинка, а ионы свинца восстанавливаются и выделяются в виде металлического свинца. Если поступить наоборот, то есть погрузить кусочек свинца в раствор цинковой соли, то никакой реакции не произойдет. Это показывает, что цинк более активен, чем свинец, что его атомы легче отдают, а ионы труднее присоединяют электроны, чем атомы и ионы свинца.

Вытеснение одних металлов из их соединений другими металлами впервые было подробно изучено русским ученым Бекетовым, расположившим металлы по их убывающей химической активности в так называемый “вытеснительный ряд”. В настоящее время вытеснительный ряд Бекетова носит название ряда напряжений[3,с.251].

2. Понятие о сплавах

Окружающие нас металлические предметы редко состоят из чистых металлов. Только алюминиевые кастрюли или медная проволка имеют чистоту около 99,9%. В большинстве же других случаев люди имеют дело со сплавами.

Характерной особенностью металлов является их способность образовывать друг с другом или с неметаллами сплавы. Чтобы получить сплав, смесь металлов обычно подвергают плавлению, а затем охлаждают с различной скоростью, которая определяется природой компонентов и изменением характера их взаимодействия в зависимости от температуры. Иногда сплавы получают спеканием тонких порошков металлов, не прибегая к плавлению (порошковая металлургия). Итак, сплавы - это продукты химического взаимодействия металлов.

Кристаллическая структура сплавов во многом подобна чистым металлам, которые, взаимодействуя друг с другом при плавлении и последующей кристаллизации, образуют: а) химические соединения, называемые интерметаллидами; б) твердые растворы; в) механическую смесь кристаллов компонентов.

Тот или иной тип взаимодействия определяется соотношением энергии взаимодействия разнородных и однородных частиц системы, то есть соотношением энергий взаимодействия атомов в чистых металлах и сплавах.

Современная техника использует огромное число сплавов, причем в подавляющем большинстве случаев они состоят не из двух, а из трех, четырех и большего числа металлов. Интересно, что свойства сплавов часто резко отличаются от свойств индивидуальных металлов, которыми они образованы. Так, сплав, содержащий 50% висмута, 25% свинца, 12,5% олова и 12,5% кадмия, плавится всего при 60,5 градусах Цельсия, в то время как компоненты сплава имеют соответственно температуры плавления 271, 327, 232 и 321 градус Цельсия. Твердость оловянной бронзы (90% меди и 10% олова) втрое больше, чем у чистой меди, а коэффициент линейного расширения сплавов железа и никеля в 10 раз меньше, чем у чистых компонентов.

Однако некоторые примеси ухудшают качество металлов и сплавов. Известно, например, что чугун (сплав железа и углерода) не обладает той прочностью и твердостью, которые характерны для стали. Помимо углерода, на свойства стали влияют добавки серы и фосфора, увеличивающие ее хрупкость. [6,с.121].

Среди свойств сплавов наиболее важными для практического применения являются жаропрочность, коррозионная стойкость, механическая прочность и др. Для авиации большое значение имеют легкие сплавы на основе магния, титана или алюминия, для металлообрабатывающей промышленности - специальные сплавы, содержащие вольфрам, кобальт, никель. В электронной технике применяют сплавы, основным компонентом которых является медь. Сверхмощные магниты удалось получить, используя продукты взаимодействия кобальта, самария и других редкоземельных элементов, а сверхпроводящие при низких температурах сплавы - на основе интерметаллидов, образуемых ниобием с оловом и др.

Различные виды железа и стали, содержат наряду с металлическими добавками незначительные количества углерода, которые оказывают решающее влияние на механическое и термическое поведение сплавов. Все сплавы имеют специальную маркировку, т.к. сплавы с одним названием (например, латунь) могут иметь разные массовые доли других металлов.

Для изготовления сплавов применяют различные металлы. Самое большое значение среди всех сплавов имеют, стали различных составов. Простые конструкционные стали, состоят из железа относительно высокой чистоты с небольшими (0,07-0,5%) добавками углерода. Так, чугун, получаемый в доменной печи, содержит около 10% других металлов, из них примерно 3% составляет углерод, а остальные - кремний, марганец, сера и фосфор. А легированные стали, получают, добавляя к железу кремний, медь, марганец, никель, хром, вольфрам, ванадий и молибден[15,с28]..

Никель наряду с хромом является важнейшим компонентом многих сплавов. Он придает сталям высокую химическую стойкость и механическую прочность. Так, известная нержавеющая сталь содержит в среднем 18% хрома и 8% никеля. Для производства химической аппаратуры, сопел самолетов, космических ракет и спутников требуются сплавы, которые устойчивы при температурах выше 1000 °С, то есть не разрушаются кислородом и горючими газами и обладают при этом прочностью лучших сталей. Этим условиям удовлетворяют сплавы с высоким содержанием никеля. Большую группу составляют медно-никелевые сплавы.

Сплав меди, известный с древнейших времен, - бронза содержит 4-30% олова (обычно 8-10%).. В настоящее время в бронзах олово часто заменяют другими металлами, что приводит к изменению их свойств. Алюминиевые бронзы, которые содержат 5-10% алюминия, обладают повышенной прочностью. Из такой бронзы чеканят медные монеты. Очень прочные, твердые и упругие бериллиевые бронзы содержат примерно 2% бериллия. Пружины, изготовленные из бериллиевой бронзы, практически вечны. Широкое применение в народном хозяйстве нашли бронзы, изготовленные на основе других металлов: свинца, марганца, сурьмы, железа и кремния.

Сплав мельхиор содержит от 18 до 33% никеля (остальное медь). Температура плавления мельхиора составляет 1170 °С. Он имеет красивый внешний вид. Из мельхиора изготавливают посуду и украшения, чеканят монеты («серебро»). Похожий на мельхиор сплав - нейзильбер - содержит, кроме 15% никеля, до 20% цинка. Этот сплав используют для изготовления художественных изделий, медицинского инструмента. Медно-никелевые сплавы константан (40% никеля) и манганин (сплав меди, никеля и марганца) обладают очень высоким электрическим сопротивлением. Их используют в производстве электроизмерительных приборов. Характерная особенность всех медно-никелевых сплавов - их высокая стойкость к процессам коррозии - они почти не подвергаются разрушению даже в морской воде. Сплавы меди с цинком с содержанием цинка до 50% носят название латунь. Латунь "60" содержит, например, 60 весовых частей меди и 40 весовых частей цинка. Для литья цинка под давлением применяют сплав, содержащий около 94% цинка, 4% алюминия и 2% меди. Это дешевые сплавы, обладают хорошими механическими свойствами, легко обрабатываются. Латуни благодаря своим качествам нашли широкое применение в машиностроении, химической промышленности, в производстве бытовых товаров. Для придания латуням особых свойств в них часто добавляют алюминий, никель, кремний, марганец и другие металлы. Из латуней изготавливают трубы для радиаторов автомашин, трубопроводы, патронные гильзы, памятные медали, а также части технологических аппаратов для получения различных веществ[14,с.18]..

Промышленные медно-никелевые сплавы условно можно разделить на две группы: конструкционные (или коррозионностойкие) и электротехнические (термоэлектродные сплавы и сплавы сопротивления). К конструкционным сплавам относятся, куниаль, мельхиор, нейзильбер и др. Мельхиорами называют двойные и более сложные сплавы на основе меди, основным легирующим компонентом которых является никель. Для повышения коррозионной стойкости в морской воде их дополнительно легируют железом и марганцем. Нейзильберы по сравнению с мельхиорами характеризуются высокой прочностью из-за дополнительного легирования цинком. Куниалями называются сплавы тройной системы Cu-Ni-Al. Никель и алюминий при высоких температурах растворяются в меди в больших количествах, но с понижением температуры растворимость резко уменьшается. По этой причине сплавы системы Cu-Ni-Al эффективно упрочняются закалкой и старением. Сплавы под закалку нагревают до 900 -1000 оС, а затем подвергают старению при 500-600 оС. Упрочнение при старении обеспечивают дисперсные выделения фаз Ni3Al и NiAl. Мельхиор, нейзильбер, куниали отличаются высокими механическими и коррозионными свойствами, применяются для изготовления теплообменных аппаратов в морском судостроении (конденсаторные трубы и термостаты), медицинского инструмента, деталей точной механики и химической промышленности, деталей приборов в электротехнике, радиотехнике и для изготовления посуды. К сплавам электротехническим относятся сплавы сопротивления - манганин и константан, и сплавы для термоэлектродов и компенсационных проводов: копель.

В настоящее время известны 104 элемента, из них 84 являются металлами.

Все металлы, кроме ртути Hg, являются твердыми веществами. Они имеют характерный металлический блеск. Но блестят металлы только в кусках.

Все металлы, кроме магния Mg и алюминия Al, в виде порошка имеют черный и темно-серый цвет[7,с.52]..

Металлы хорошо проводят тепло и электрический ток, т. е. они теплопроводны и электропроводны. Самую высокую электропроводность имеют серебро Ag, медь Си, алюминий Al, золото Au и железо Fe. Из меди и алюминия делают электрические провода.

Характерным свойством металлов является пластичность. Пластичностью называется свойство металлов изменять форму. Металлы изменяют свою форму при ударе. В сильно нагретом состоянии они куются. Их можно прокатывать в листы, вытягивать в проволоку. Следовательно, металлы пластичны и ковки. Только марганец Mn, сурьма Sb и висмут Bi хрупки.

Кроме общих физических свойств каждый металл имеет свойства, присущие ему одному.

Например, металлы отличаются по твердости. Самым твердым металлом является хром Сг, самыми мягкими - натрий Na и калий К.

Металлы отличаются по удельному весу. Металлы, которые имеют удельный вес меньше пяти, называются легкими. Калий, натрий и алюминий являются легкими металлами.

Металлы, которые имеют удельный вес больше пяти, называются тяжелыми металлами. Цинк Zn, железо Fe и золото Au являются тяжелыми металлами.

Металлы отличаются друг от друга по температуре плавления (tпл). Например, цезий Cs плавится при температуре +28,5° С. Это легкоплавкий металл. Самым тугоплавким металлом является вольфрам W. Его температура плавления +3370° С. Из вольфрама делают нити электроламп[11,с.56]..

2.1 Классификация сплавов. Требования к сплавам

В строительстве обычно применяют не чистые металлы, а сплавы. Наибольшее распространение получили сплавы на основе черных металлов (~94%) и незначительное - сплавы цветных металлов

Самый распространенный способ получения сплавов - затвердевание однородной смеси их расплавленных компонентов. Существуют и другие методы производства - например, порошковая металлургия. В принципе, четкую границу между металлами и сплавами трудно провести, так как даже в самых чистых металлах имеются «следовые» примеси других элементов. Однако обычно под металлическими сплавами понимают материалы, получаемые целенаправленно добавлением к основному металлу других компонентов[3,с.78]..

Почти все металлы, имеющие промышленное значение, используются в виде сплавов. Так, например, все выплавляемое железо почти целиком идет на изготовление обычных и легированных сталей, а также чугунов. Дело в том, что сплавлением с некоторыми компонентами можно существенно улучшить свойства многих металлов. Если для чистого алюминия предел текучести составляет всего лишь 35 МПа, то для алюминия, содержащего 1,6% меди, 2,5% магния и 5,6% цинка, он может превышать 500 МПа. Аналогичным образом могут быть улучшены электрические, магнитные и термические свойства. Эти улучшения определяются структурой сплава - распределением и структурой его кристаллов и типом связей между атомами в кристаллах. Многие металлы, скажем магний, выпускают высокочистыми, чтобы можно было точно знать состав изготавливаемых из него сплавов. Число металлических сплавов, применяемых в наши дни, очень велико и непрерывно растет. Их принято разделять на две большие категории: сплавы на основе железа и сплавы цветных металлов. Ниже перечисляются наиболее важные сплавы промышленного значения и указываются основные области их применения.

Сталь. Сплавы железа с углеродом, содержащие его до 2%, называются сталями. В состав легированных сталей входят и другие элементы - хром, ванадий, никель. Сталей производится гораздо больше, чем каких-либо других металлов и сплавов, и все виды их возможных применений трудно было бы перечислить. Малоуглеродистая сталь (менее 0,25% углерода) в больших количествах потребляется в качестве конструкционного материала, а сталь с более высоким содержанием углерода (более 0,55%) идет на изготовление таких низкоскоростных режущих инструментов, как бритвенные лезвия и сверла. Легированные стали находят применение в машиностроении всех видов и в производстве быстрорежущих инструментов.

Чугун. Чугуном называется сплав железа с 2-4% углерода. Важным компонентом чугуна является также кремний. Из чугуна можно отливать самые разнообразные и очень полезные изделия, например крышки для люков, трубопроводную арматуру, блоки цилиндров двигателей. В правильно выполненных отливках достигаются хорошие механические свойства материала.

Сплавы на основе меди. В основном это латуни, т.е. медные сплавы, содержащие от 5 до 45% цинка. Латунь с содержанием от 5 до 20% цинка называется красной (томпаком), а с содержанием 20-36% Zn - желтой (альфа-латунью). Латуни применяются в производстве различных мелких деталей, где требуются хорошая обрабатываемость и формуемость. Сплавы меди с оловом, кремнием, алюминием или бериллием называются бронзами. Например, сплав меди с кремнием носит название кремнистой бронзы. Фосфористая бронза (медь с 5% олова и следовыми количествами фосфора) обладает высокой прочностью и применяется для изготовления пружин и мембран.

Свинцовые сплавы. Обычный припой (третник) представляет собой сплав примерно одной части свинца с двумя частями олова. Он широко применяется для соединения (пайки) трубопроводов и электропроводов. Из сурьмяно-свинцовых сплавов делают оболочки телефонных кабелей и пластины аккумуляторов. Сплавы свинца с кадмием, оловом и висмутом могут иметь точку плавления, лежащую значительно ниже точки кипения воды (~70° C); из них делают плавкие пробки клапанов спринклерных систем противопожарного водоснабжения. Пьютер, из которого ранее отливали столовые приборы (вилки, ножи, тарелки), содержит 85-90% олова (остальное - свинец). Подшипниковые сплавы на основе свинца, называемые баббитами, обычно содержат олово, сурьму и мышьяк.

Легкие сплавы. Современная промышленность нуждается в легких сплавах высокой прочности, обладающих хорошими высокотемпературными механическими свойствами. Основными металлами легких сплавов служат алюминий, магний, титан и бериллий. Однако сплавы на основе алюминия и магния не могут применяться в условиях высокой температуры и в агрессивных средах.

Алюминиевые сплавы. К ним относятся литейные сплавы (Al - Si), сплавы для литья под давлением (Al - Mg) и самозакаливающиеся сплавы повышенной прочности (Al - Cu). Алюминиевые сплавы экономичны, легкодоступны, прочны при низких температурах и легко обрабатываемы (они легко куются, штампуются, пригодны для глубокой вытяжки, волочения, экструдирования, литья, хорошо свариваются и обрабатываются на металлорежущих станках). К сожалению, механические свойства всех алюминиевых сплавов начинают заметно ухудшаться при температурах выше приблизительно 175° С. Но благодаря образованию защитной оксидной пленки они проявляют хорошую коррозионную стойкость в большинстве обычных агрессивных сред. Эти сплавы хорошо проводят электричество и тепло, обладают высокой отражательной способностью, немагнитны, безвредны в контакте с пищевыми продуктами (поскольку продукты коррозии бесцветны, не имеют вкуса и нетоксичны), взрывобезопасны (поскольку не дают искр) и хорошо поглощают ударные нагрузки. Благодаря такому сочетанию свойств алюминиевые сплавы служат хорошими материалами для легких поршней, применяются в вагоно-, автомобиле- и самолетостроении, в пищевой промышленности, в качестве архитектурно-отделочных материалов, в производстве осветительных отражателей, технологических и бытовых кабелепроводов, при прокладке высоковольтных линий электропередачи.

Примесь железа, от которой трудно избавиться, повышает прочность алюминия при высоких температурах, но снижает коррозионную стойкость и пластичность при комнатной температуре. Кобальт, хром и марганец ослабляют охрупчивающее действие железа и повышают коррозионную стойкость. При добавлении лития к алюминию повышаются модуль упругости и прочность, что делает такой сплав весьма привлекательным для авиакосмической промышленности. К сожалению, при своем превосходном отношении предела прочности к массе (удельной прочности) сплавы алюминия с литием обладают низкой пластичностью[15,с.122]..

Магниевые сплавы. Магниевые сплавы легки, характеризуются высокой удельной прочностью, а также хорошими литейными свойствами и превосходно обрабатываются резанием. Поэтому они применяются для изготовления деталей ракет и авиационных двигателей, корпусов для автомобильной оснастки, колес, бензобаков, портативных столов и т.п. Некоторые магниевые сплавы, обладающие высоким коэффициентом вязкостного демпфирования, идут на изготовление движущихся частей машин и элементов конструкции, работающих в условиях нежелательных вибраций.

Магниевые сплавы довольно мягки, плохо сопротивляются износу и не очень пластичны. Они легко формуются при повышенных температурах, пригодны для электродуговой, газовой и контактной сварки, а также могут соединяться пайкой (твердым), болтами, заклепками и клеями. Такие сплавы не отличаются особой коррозионной стойкостью по отношению к большинству кислот, пресной и соленой воде, но стабильны на воздухе. От коррозии их обычно защищают поверхностным покрытием - хромовым травлением, дихроматной обработкой, анодированием. Магниевым сплавам можно также придать блестящую поверхность либо плакировать медью, никелем и хромом, нанеся предварительно покрытие погружением в расплавленный цинк. Анодирование магниевых сплавов повышает их поверхностную твердость и стойкость к истиранию. Магний - металл химически активный, а потому необходимо принимать меры, предотвращающие возгорание стружки и свариваемых деталей из магниевых сплавов[15,с.93]..

Титановые сплавы. Титановые сплавы превосходят как алюминиевые, так и магниевые в отношении предела прочности и модуля упругости. Их плотность больше, чем всех других легких сплавов, но по удельной прочности они уступают только бериллиевым. При достаточно низком содержании углерода, кислорода и азота они довольно пластичны. Электрическая проводимость и коэффициент теплопроводности титановых сплавов малы, они стойки к износу и истиранию, а их усталостная прочность гораздо выше, чем у магниевых сплавов. Предел ползучести некоторых титановых сплавов при умеренных напряжениях (порядка 90 МПа) остается удовлетворительным примерно до 600° C, что значительно выше температуры, допустимой как для алюминиевых, так и для магниевых сплавов. Титановые сплавы достаточно стойки к действию гидроксидов, растворов солей, азотной и некоторых других активных кислот, но не очень стойки к действию галогеноводородных, серной и ортофосфорной кислот.

Титановые сплавы ковки до температур около 1150° C. Они допускают электродуговую сварку в атмосфере инертного газа (аргона или гелия), точечную и роликовую (шовную) сварку. Обработке резанием они не очень поддаются (схватывание режущего инструмента). Плавка титановых сплавов должна производиться в вакууме или контролируемой атмосфере во избежание загрязнения примесями кислорода или азота, вызывающими их охрупчивание. Титановые сплавы применяются в авиационной и космической промышленности для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах (150-430° C), а также в некоторых химических аппаратах специального назначения. Из титанованадиевых сплавов изготавливается легкая броня для кабин боевых самолетов. Титаналюминиевованадиевый сплав - основной титановый сплав для реактивных двигателей и корпусов летательных аппаратов.

Бериллиевые сплавы. Пластичный бериллиевый сплав можно получить, например, вкрапляя хрупкие зерна бериллия в мягкую пластичную матрицу, такую, как серебро. Сплав этого состава удалось холодной прокаткой довести до толщины, составляющей 17% первоначальной. Бериллий превосходит все известные металлы по удельной прочности. В сочетании с низкой плотностью это делает бериллий пригодным для устройств систем наведения ракет. Модуль упругости бериллия больше, чем у стали, и бериллиевые бронзы применяются для изготовления пружин и электрических контактов. Чистый бериллий используется как замедлитель и отражатель нейтронов в ядерных реакторах. Благодаря образованию защитных оксидных слоев он устойчив на воздухе при высоких температурах. Главная трудность, связанная с бериллием, - его токсичность. Он может вызывать серьезные заболевания органов дыхания и дерматит[15,с.137]..

3. Металлы и сплавы как основа конструкционных материалов

Конструкционные материалы - это металлические, неметаллические и композиционные материалы, обладающие комплексом свойств, позволяющих использовать их для изготовления деталей машин, механизмов и сооружений.

Основные конструкционные материалы бывают металлические, керамические, полимерные и композиционные. Выбор для их применения в конструкциях определяется соотношением между прочностью и пластичностью. Металлические материалы обладают наилучшим соотношением. Керамические и полимерные материалы менее пластичны, нежели металлические, а композиционные по указанным характеристикам занимают промежуточное положение между керамическими и металлическими материалами. Оптимальное соотношение между прочностью и пластичностью металлических материалов определило их превалирующую долю в общем объеме конструкционных материалов, которая превышает 90%.

Мировое производство стали непрерывно возрастало и к концу XX в. достигло 800 млн. т в год . Прирост прочностных свойств конструкционных материалов за последние десятилетия был обусловлен в основном разработкой сплавов с новым химическим и фазовым составом. В последние годы наметились новые пути повышения свойств конструкционных материалов за счет целенаправленного формирования микро- и нано-кристаллической структуры.

С уменьшением размера зерна от 1 мкм до 2 нм объемная доля межзеренного вещества увеличивается до 88%. Формирование нанокристаллических структур позволяет получать конструкционные материалы с уникально высокими свойствами. Например, их микротвердость в 2-7 раз выше, чем твердость крупнозернистых аналогов. Прочность нанокристаллических материалов при растяжении в 1.5-2 раза выше, чем у крупнозернистых аналогов. При уменьшении размера зерна от 10 мкм до 10 нм скорость износа никеля уменьшается от 1330 до 7.9 мкм3/мкм . Износостойкость алюминиевых сплавов с нанокристаллической структурой значительно выше, чем крупнозернистых.

Такие хрупкие материалы, как интерметаллиды, становятся пластичными при уменьшении размеров зерен ниже критических размеров, что можно объяснить наличием специфических механизмов зарождения и распространения микротрещин. Для керамических нанокристаллических материалов обнаружена повышенная пластичность при низких температурах, ее можно использовать в промышленных процессах экструзии и прокатки .

Для всех наноматериалов (так же как и для малых частиц) имеет место увеличение теплоемкости с уменьшением размера зерна, но наибольший ее прирост наблюдается для наноматериалов, полученных прессованием порошков. Коэффициент объемного термического расширения увеличивается с уменьшением размера зерна. Коэффициент граничной диффузии в наноматериалах значительно выше, чем в крупнозернистых, что позволяет их легировать нерастворимыми или слаборастворимыми при обычных условиях элементами за счет более развитой зеренной структуры .

Итак, наноразмерные структуры конструкционных материалов открывают уникальные возможности для получения нового уровня свойств: высокой прочности, твердости, износостойкости при достаточно высокой пластичности. Повышение пластичности керамики и интерметаллидов открывает большие перспективы для их использования в конструкциях.

3.1 Применение конструкционных материалов в технике

Конструкционные материалы, материалы, из которых изготовляются детали конструкций (машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку. Определяющими параметрами К. м. являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и др.). К основным критериям качества Конструкционных материалов относятся параметры сопротивления внешним нагрузкам: прочность, вязкость, надежность, ресурс и др. Длительный период в своём развитии человеческое общество использовало для своих нужд (орудия труда и охоты, утварь, украшения и др.) ограниченный круг материалов: дерево, камень, волокна растительного и животного происхождения, обожжённую глину, стекло, бронзу, железо. Промышленный переворот 18 в. и дальнейшее развитие техники, особенно создание паровых машин и появление в конце 19 в. двигателей внутреннего сгорания, электрических машин и автомобилей, усложнили и дифференцировали требования к материалам их деталей, которые стали работать при сложных знакопеременных нагрузках, повышенных температурах и др. Основой конструкционных материалы стали металлические сплавы на основе железа (чугуны и стали), меди (бронзы и латуни), свинца и олова.

При конструировании самолётов, когда главным требованием, предъявляемым к конструкционным материалам стала высокая удельная прочность, широкое распространение получили древесные пластики (фанера), малолегированные стали, алюминиевые и магниевые сплавы. Дальнейшее развитие авиационной техники потребовало создания новых жаропрочных сплавов на никелевой и кобальтовой основах, сталей, титановых, алюминиевых, магниевых сплавов, пригодных для длительной работы при высоких температурах. Совершенствование техники на каждом этапе развития предъявляло новые, непрерывно усложнявшиеся требования к конструкционным материалам (температурная стойкость, износостойкость, электрическая проводимость и др.). Например, судостроению необходимы стали и сплавы с хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью, а химическому машиностроению - с высокой и длительной стойкостью в агрессивных средах. Развитие атомной энергетики связано с применением конструкционных материалов обладающих не только достаточной прочностью и высокой коррозионной стойкостью в различных теплоносителях, но и удовлетворяющих новому требованию - малому поперечному сечению захвата нейтронов.

Конструкционные материалы подразделяются: по природе материалов - на металлические, неметаллические и композиционные материалы, сочетающие положительные свойства тех и др. материалов; по технологическому исполнению - на деформированные (прокат, поковки, штамповки, прессованные профили и др.), литые, спекаемые, формуемые, склеиваемые, свариваемые (плавлением, взрывом, диффузионным сращиванием и т.п.); по условиям работы - на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионно-, окалино-, износо-, топливо-, маслостойкие и т.д.; по критериям прочности - на материалы малой и средней прочности с большим запасом пластичности, высокопрочные с умеренным запасом пластичности.

Отдельные классы конструкционных материалов в свою очередь, делятся на многочисленные группы. Например, металлические сплавы различают: по системам сплавов - алюминиевые, магниевые, титановые, медные, никелевые, молибденовые, ниобиевые, бериллиевые, вольфрамовые, на железной основе и др.; по типам упрочнения - закаливаемые, улучшаемые, стареющие, цементируемые, цианируемые, азотируемые и др.; по структурному составу - стали аустенитные и ферритные, латуни и т.д.

Неметаллические конструкционные материалы подразделяют по изомерному составу, технологическому исполнению (прессованные, тканые, намотанные, формованные и пр.), по типам наполнителей (армирующих элементов) и по характеру их размещения и ориентации. Некоторые конструкционные материалы например сталь и алюминиевые сплавы, используются как строительные материалы и, наоборот, в ряде случаев строительные материалы, например железобетон, применяются в конструкциях машиностроения.

Технико-экономические параметры конструкционных материалов включают: технологические параметры - обрабатываемость металлов давлением, резанием, литейные свойства (жидкотекучесть, склонность к образованию горячих трещин при литье), свариваемость, паяемость, скорость отверждения и текучесть полимерных материалов при нормальных и повышенных температурах и др.; показатели экономической эффективности (стоимость, трудоёмкость, дефицитность, коэффициент использования металла и т.п.).

К металлическим конструкционным материалам относится большинство выпускаемых промышленностью марок стали. Исключение составляют стали, не используемые в силовых элементах конструкций: инструментальные стали, для нагревательных элементов, для присадочной проволоки (при сварке) и некоторые другие с особыми физическими и технологическими свойствами. Стали составляют основной объём К. м., используемых техникой. Они отличаются широким диапазоном прочности - от 200 до 3000 Мн/м2 (20-300 кгс/мм2), пластичность сталей достигает 80%, вязкость - 3 МДж/м2. Конструкционные (в т. ч. нержавеющие) стали выплавляются в конверторах, мартеновских и электрических печах. Для дополнительной рафинировки применяются продувка аргоном и обработка синтетическим шлаком в ковше.

Стали ответственного назначения, от которых требуется высокая надёжность, изготовляются вакуумно-дуговым, вакуумно-индукционным и электрошлаковым переплавом, вакуумированием, а в особых случаях - улучшением кристаллизации (на установках непрерывной или полунепрерывной разливки) вытягиванием из расплава.

Чугуны широко применяются в машиностроении для изготовления станин, коленчатых валов, зубчатых колёс, цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей, работающих при температуре до 1200 °С в окислительных средах, и др. Прочность чугунов в зависимости от легирования колеблется от 110 Мн/м2 (чугаль) до 1350 Мн/м2 (легированный магниевый чугун).

Никелевые сплавы и кобальтовые сплавы сохраняют прочность до 1000-1100 °С. Выплавляются в вакуумно-индукционных и вакуумно-дуговых, а также в плазменных и электроннолучевых печах. Применяются в авиационных и ракетных двигателях, паровых турбинах, аппаратах, работающих в агрессивных средах, и др. Прочность алюминиевых сплавов составляет: деформируемых до 750 Мн/м2, литейных до 550 Мн/м2, по удельной жёсткости они значительно превосходят стали. Служат для изготовления корпусов самолётов, вертолётов, ракет, судов различного назначения и др. Магниевые сплавы отличаются высоким удельным объёмом (в 4 раза выше, чем у стали), имеют прочность до 400 Мн/м2 и выше; применяются преимущественно в виде литья в конструкциях летательных аппаратов, в автомобилестроении, в текстильной и полиграфической промышленности и др. Титановые сплавы начинают успешно конкурировать в ряде отраслей техники со сталями и алюминиевыми сплавами, превосходя их по удельной прочности, коррозионной стойкости и по жёсткости. Сплавы имеют прочность до 1600 Мн/м2 и более. Применяются для изготовления компрессоров авиационных двигателей, аппаратов химической и нефтеперерабатывающей промышленности, медицинских инструментов и др.

К конструкционным материалам относятся также сплавы на основе меди, цинка, молибдена, циркония, хрома, бериллия, которые нашли применение в различных отраслях техники (см. Бериллиевые сплавы, Медноникелевые сплавы, Молибденовые сплавы).

Неметаллические конструкционные материалы включают пластики, термопластичные полимерные материалы (см. Полимеры), керамику, огнеупоры, стекла, резины, древесину. Пластики на основе термореактивных, эпоксидных, фенольных, кремнийорганических термопластичных смол и фторопластов, армированные (упрочнённые) стеклянными, кварцевыми, асбестовыми и др. волокнами, тканями и лентами, применяются в конструкциях самолётов, ракет, в энергетическом, транспортном машиностроении и др. Термопластичные полимерные материалы - полистирол, полиметилметакрилат, полиамиды, фторопласты, а также реактопласты используют в деталях электро- и радиооборудования, узлах трения, работающих в различных средах, в том числе химически активных: топливах, маслах и т.п.

Стекла (силикатные, кварцевые, органические), триплексы на их основе служат для остекления судов, самолётов, ракет; из керамических материалов изготовляют детали, работающие при высоких температурах. Резины на основе различных каучуков, упрочнённые кордными тканями, применяются для производства покрышек или монолитных колёс самолётов и автомобилей, а также различных подвижных и неподвижных уплотнений.

Развитие техники предъявляет новые, более высокие требования к существующим конструкционным материалам, стимулирует создание новых материалов. С целью уменьшения массы конструкций летательных аппаратов используются, например, многослойные конструкции, сочетающие в себе лёгкость, жёсткость и прочность. Внешнее армирование металлических замкнутых объёмов (шары, баллоны, цилиндры) стеклопластиком позволяет значительно снизить их массу в сравнении с металлическими конструкциями. Для многих областей техники необходимы К. м., сочетающие конструкционную прочность с высокими электрическими, теплозащитными, оптическими и другими свойствами[14,с.28]..

Т. к. в составе конструкционных материалов нашли своё применение почти все элементы таблицы Менделеева, а эффективность ставших уже классическими для металлических сплавов методов упрочнения путём сочетания специально подобранного легирования, высококачественной плавки и надлежащей термической обработки снижается, перспективы повышения свойств конструкционных материалов связаны с синтезированием материалов из элементов, имеющих предельные значения свойств, например предельно прочных, предельно тугоплавких, термостабильных и т.п. Такие материалы составляют новый класс композиционных конструкционных материалов. В них используются высокопрочные элементы (волокна, нити, проволока, нитевидные кристаллы, гранулы, дисперсные высокотвёрдые и тугоплавкие соединения, составляющие армировку или наполнитель), связуемые матрицей из пластичного и прочного материала (металлических сплавов или неметаллических, преимущественно полимерных, материалов). Композиционные конструкционные материалы по удельной прочности и удельному модулю упругости могут на 50-100% превосходить стали или алюминиевые сплавы и обеспечивают экономию массы конструкций на 20-50%.

Наряду с созданием композиционных конструкционных материалов, имеющих ориентированную (ортотропную) структуру, перспективным путём повышения качества конструкционных материаов является регламентация структуры традиционных конструкционных материалов. Так, путём направленной кристаллизации сталей и сплавов получают литые детали, например лопатки газовых турбин, состоящие из кристаллов, ориентированных относительно основных напряжений таким образом, что границы зёрен (слабые места у жаропрочных сплавов) оказываются ненагруженными. Направленная кристаллизация позволяет увеличить в несколько раз пластичность и долговечность. Ещё более прогрессивным методом создания ортотропных К. м. является получение монокристальных деталей с определённой кристаллографической ориентацией относительно действующих напряжений. Весьма эффективно используются методы ориентации в неметаллических К. м. Так, ориентация линейных макромолекул полимерных материалов (ориентация стекол из полиметилметакрилата) значительно повышает их прочность, вязкость и долговечность[14,с.72]..