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. Так, 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.
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%). До наших дней сохранились изделия из бронзы мастеров Древнего Египта, Греции, Китая. Из бронзы отливали в средние века орудия и многие другие изделия. Знаменитые Царь-пушка и Царь-колокол в Московском Кремле также отлиты из сплава меди с оловом. 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.
По следующим рецептам можно получить легкоплавкие сплавы. Сплав Ньютона: 31 массовая часть свинца, 19 частей олова и 50 частей висмута. Температура плавления 95 °С. Сплав Вуда: 25 частей свинца, 12,5 частей олова, 50 частей висмута и 12,5 частей кадмия. Температура плавления 60 °С. Ложка из такого сплава расплавится, если ею помешать горячий кофе. Раньше это демонстрировали в качестве шутливого опыта. Однако перемешанный таким образом напиток ядовит из-за солей свинца и висмута!
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. Мельхиор марки МН19 и нейзильбер марки МНЦ15-20 используются как резистивные сплавы.
К сплавам электротехническим относятся сплавы сопротивления - манганин (МНМц3-12) и константан (МНМц40-1б5) и сплавы для термоэлектродов и компенсационных проводов: копель (МНМц43-0,5).Использованная литература:
1. Книга для чтения по неогранической химии. - А. Крицман
2. Химия для любознательных - Эю Гроссе.СООБЩЕНИЕ
по химии
на тему: «Сплавы металлов»Ученика 11 «Б» класса
Тихонова Андрея.
www.coolreferat.com
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. Так, 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.
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%). До наших дней сохранились изделия из бронзы мастеров Древнего Египта, Греции, Китая. Из бронзы отливали в средние века орудия и многие другие изделия. Знаменитые Царь-пушка и Царь-колокол в Московском Кремле также отлиты из сплава меди с оловом. 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.
По следующим рецептам можно получить легкоплавкие сплавы. Сплав Ньютона: 31 массовая часть свинца, 19 частей олова и 50 частей висмута. Температура плавления 95 °С. Сплав Вуда: 25 частей свинца, 12,5 частей олова, 50 частей висмута и 12,5 частей кадмия. Температура плавления 60 °С. Ложка из такого сплава расплавится, если ею помешать горячий кофе. Раньше это демонстрировали в качестве шутливого опыта. Однако перемешанный таким образом напиток ядовит из-за солей свинца и висмута!
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 о С, а затем подвергают старению при 500-600 о С. 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. Мельхиор марки МН19 и нейзильбер марки МНЦ15-20 используются как резистивные сплавы.
К сплавам электротехническим относятся сплавы сопротивления — манганин (МНМц3-12) и константан (МНМц40-1б5) и сплавы для термоэлектродов и компенсационных проводов: копель (МНМц43-0,5).
Использованная литература:
1. Книга для чтения по неогранической химии. — А. Крицман
2. Химия для любознательных — Эю Гроссе.
СООБЩЕНИЕ
по химии
на тему: «Сплавы металлов»
Ученика 11 «Б» класса
Тихонова Андрея.
www.ronl.ru
Уже сейчас на сайте вы можете воспользоваться более чем 20 000 рефератами, докладами, шпаргалками, курсовыми и дипломными работами.Присылайте нам свои новые работы и мы их обязательно опубликуем. Давайте продолжим создавать нашу коллекцию рефератов вместе!!!
Вы согласны передать свой реферат (диплом, курсовую работу и т.п.), а также дальнейшие права на хранение, и распространение данного документа администрации сервера "mcvouo.ru"?
Дата добавления: март 2006г.
Металлы и сплавы в химии и технике.
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 XIXв. 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. Пластичность — это способность металлов изменять форму при ударе, прокатываться в тонкие листы и вытягиваться в проволоку. При этом происходит смещение атомов и ионов кристаллической решетки, однако связи между ними не разрываются, так как соответственно перемещаются и электроны, образующие связь. Пластичность металлов уменьшается в ряду Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn. Fe. Золото, например, можно прокатывать в листы толщиной до 0, 003 мм, которые используют для золочения.
Высокая электропроводность металлов объясняется присутствием свободных электронов, которые под влиянием даже небольшой разности потенциалов перемещаются от отрицательного полюса к положительному С повышением температуры колебания ионов и атомов металлов усиливаются, что затрудняет движение электронов и тем самым приводит к уменьшению электропроводности. При низких же температурах колебательное движение ионов и атомов, наоборот, сильно уменьшается, и электропроводность возрастает. Вблизи абсолютного нуля электрическое сопротивление у металлов практически отсутствует. Лучший проводник электричества - серебро, за ним идут медь, золото, алюминий, железо. Также изменяется и теплопроводность металлов, которая вызвана как высокой подвижностью свободных электронов, так и колебательным движением ионов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры в массе металла. Металлический блеск тоже связан с наличием свободных электронов. Из других физических свойств металлов наибольший практический интерес представляют плотность, температура плавления и твердость. Самый легкий из металлов - литий (плотность 0, 53 г/см3), самый тяжелый - осмий (22, 6 г/см3). Металлы с плотностью меньше 5 г/см 3 называются легкими, остальные - тяжелыми. Температуры плавления металлов различаются очень сильно: цезий и галлий можно расплавить теплом ладоней, а температура плавления вольфрама +3410° С. При обычных условиях единственный жидкий металл ртуть. В парообразном состоянии все металлы одноатомны, их кристаллическая решетка разрушается. Металлы различаются по твердости. Самый твердый из них - хром - режет стекло, а самые мягкие - калий, рубидий и цезий - легко режутся ножом. Прочность, температура плавления и твердость зависят от прочности металлической связи. Она особенно велика у тяжелых металлов. В технике сплавы на основе железа, т. е чугун, сталь, а также само железо, называют черными металлами, все остальные металлы называются цветными. Существуют и другие классификации металлов.
Химические свойства металлов определяются слабой связью валентных электронов с ядром атома. Атомы сравнительно легко отдают их, превращаясь при этом в положительно заряженные ионы. Поэтому металлы являются хорошими восстановителями. В этом их главная и наиболее общее химическое свойство. Очевидно, как восстановители металлы должны вступать в реакции с различными окислителями, среди которых могут быть простые вещества (неметаллы), кислоты, соли менее активных металлов и некоторые другие вещества. Соединения металлов с кислородом называются оксидами, с галогенами галогенидами, с серой - сульфидами, с азотом - нитридами, с фосфором фосфидами, с углеродом - боридами, с водородом - гидридами и т. д... Многие из этих соединений нашли важное применение в технике.
При взаимодействии металлов с кислотами окислителем является ион водорода Н, который принимает электрон от атома металла: Mg - 2e=Mg2+
2H+ +2e=h3+ ___________________ Mg+2H+=Mg2+H
Металлы, стоящие в ряду стандартных электродных потенциалов (ряду напряжений) левее водорода, обычно вытесняют (восстанавливают) водород из разбавленных кислот типа НС1 или Н2S04, а металлы, стоящие правее водорода, его не вытесняют.
Взаимодействие металлов с водными растворами солей менее активных металлов можно иллюстрировать примером:
Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu
В этом случае происходит отрыв электронов от атомов более активного металла — цинка и присоединение их ионами менее активного Сu2'. Руководствуясь рядом стандартных электродных потенциалов, можно сказать, что металл вытесняет (восстанавливает) из растворов их солей многие следующие за ним металлы. Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) взаимодействуют и с водой, которая в этом случае выступает в роли окислителя.
Металлы, гидроксиды, которые амфотерны, как правило, взаимодействуют с растворами и кислот, и щелочей. Металлы могут образовывать химические соединения между собой. Такие соединения обычно образуют типичные металлы с металлами, обладающими слабыми металлическими свойствами, например определенные соединения натрия со свинцом: Nа5РЬ2, NaРЬ, Na2РЬ, Na4РЬ
Соединения одних металлов с другими носят общее название интерметаллидов, интерметаллических соединений или металлоидов.
Рассмотренные свойства металлов, связанные с отдачей электронов в химических реакциях, называют металлическими. В различной степени ими обладают все химические элементы. О металлических свойствах судят, сопоставляя электроотрицательности элементов. Эта величина, выраженная в условных единицах, характеризует способность атома в молекуле притягивать электроны. Относительные значения электроотрицательностей элементов. Чем меньше электроотрицательность, тем сильнее выражены металлические свойства элементов.
ПОСТОЯННЫЕ МАГНИТЫ С ВЫСОКОЙ МАГНИТНОЙ ЭНЕРГИЕЙ.
Использование редкоземельных соединений дает возможность создавать материалы для постоянных магнитов малого веса с большой магнитной энергией. Наиболее эффективными для этой цели являются интерметаллические соединения кобальта с легкими редкоземельными металлами, такие как SmCo5, NdCo5, PrCo5.
При соответствующей технологической обработке (прессование мелких частиц в магнитном поле и последующее спекание), обеспечивающей возникновение однодоменных частиц, появляются огромные коэрцитивные силы. Кроме того, они обладают высокой намагниченностью насыщения при комнатных температурах и, как следствие этого, высокой остаточной индукцией BR. Все это позволяет создавать из таких материалов постоянные магниты с очень большой максимальной магнитной энергией до 32 млн. Гс-Э, что в несколько раз больше, чем соответствующие энергии для лучших сплавов на основе элементов группы железа. Подобные материалы открывают большие возможности в создании миниатюрных автономных источников постоянного магнитного поля. Соединения типа SmCo5 сейчас занимают ведущее место среди материалов, из которых изготовляются весьма сильные и компактные магниты для различных устройств в электротехнике, радиотехнике и автоматике (например, для создания миниатюрных электромоторов, магнитных элементов вакуумных приборов —ламп с бегущей волной, магнетронов, магнито - фокусирующих систем, для медицинских приборов и др. ).
Дальнейшее улучшение материалов для постоянных магнитов на основе редкоземельных соединений требует лучшего понимания физики намагничивания ферромагнитных систем RCо5, а также изучения магнитных свойств новых соединений, например, Sm2Co17 и различных смешанных систем. Важным также является изучение влияния кристаллической структуры и дефектов структуры на магнитные свойства подобных материалов, а также отработка технологических приемов получения качественных магнитов из этих соединений.
МАТЕРИАЛЫ С ГИГАНТСКОЙ МАГНИТОСТРИКЦИЕЙ
Металлы ТЬ, Dу и ферриты-гранаты этих металлов при низких температурах имеют гигантские магнитострикции, на 2—3 порядка большие, чем магнитострикции в металлах, сплавах и ферритах элементов группы железа. Интерметаллические соединения ТЬFе2 и DуFe2 также обладают огромными магнитострикциями, преимуществом этих соединений является то, что они имеют огромные магнитострикции при комнатных температурах. Техническое использование подобных материалов возможно для получения ультразвука большой мощности, для конструирования приборов, позволяющих с помощью магнитного поля безынерционно управлять различными контактными и сканирующими устройствами, для вибробурения, для геофизического карротажа скважин, дефектоскопии. Для успешного применения редкоземельных магнитострикционных материалов необходимо, прежде всего, принимать меры к снижению вредного влияния огромной магнитной анизотропии, т. е. уменьшать поле НS для того, чтобы можно было “управлять” этой магнитострикцией с помощью малого поля.
В настоящее время большой интерес к редкоземельным магнитострикционным материалам проявляют ученые-гидроакустики. В современной гидроакустике в основном применяются пьезокерамические преобразователи звука. Недостатком последних является малая мощность излучения и небольшая механическая прочность. Исследования показывают, что магнитострикционные излучатели, в которых используются соединения типа RFe2, могут быть более эффективными, чем пьезокерамические излучатели. Эффективность работы магнитострикционного преобразователя характеризуется рядом параметров, наиболее важными из которых являются: константа динамической магнитострикции Л и коэффициент полезного действия преобразователя или, как его еще называют, коэффициент электромеханической связи k. НОВЫЕ МАГНИТЫ ИЗ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ С КОБАЛЬТОМ
Основой первых спеченных постоянных магнитов из редкоземельных металлов с кобальтом (R—Со) было соединение SmСо5, и сегодня большинство R—Со магнитов все еще получают из спеченного порошка соединения SmСо5. Популярность SmСо5 объясняется тем, что из него довольно легко можно изготовить магниты с прекрасными магнитными свойствами. Тем не менее становится все более очевидным, что в конкретном случае применения не 'все свойства в равной степени важны, так что потенциальные возможности магнитов из SmСо5 не всегда полностью используются. Вследствие этого стало желательным расширить разнообразие R—Со магнитов путем разработки новых типов со свойствами, ориентированными на конкретное применение. В данной статье мы представляем три новых типа R—Со магнитов: СеММ0, 8Sm0, 2Co5 , типа 2 : 17 и магниты с пластичными связками. Магниты из СеММ0, 8Sm0, 2Co5
Сегодня большинство постоянных магнитов из редкоземельных металлов с кобальтом изготовляют на основе SmСо5. Для уменьшения стоимости сырьевых материалов Sm может быть частично или целиком замещен более дешевым цериевым мишметаллом (СеММ), представляющим собой природную смесь легких редкоземельных элементов, содержащую, %(ат. ): 45— 60 Се, 23—25 Lа, 9-20 Nd и 3—7 Рг . Замещение самария СеММ ведет к уменьшению как магнитной энергии, так и коэрцитивной силы. Но магниты СеММСо5, не содержащие самарий, все еще обладают хорошими свойствами. Снижение магнитных свойств, вызванное замещением самария СеММ, до некоторой степени отражает сопутствующее понижение первичных магнитных свойств. Магниты СеММ0, 8Sm0, 2Co5 изготавливают по той же технологии, что и магниты SmСо5. Технологические этапы процесса производства магнитов из редкоземельных металлов с кобальтом.
Сплавы редкоземельных металлов с кобальтом получают или плавкой металлов в атмосфере инертного газа, или кальциетермическим восстановлением окислов РЗМ в присутствии кобальта или окиси кобальта.
Затем cплавы R—Со подвергают размолу в порошок с частицами размером менее 0, 5 мм, смешиванию с целью корректировки состава и дальнейшему измельчению в струе газообразного азота до получения тонкого порошка с размером частиц в несколько микрон. Размер зерен и их распределение тщательно контролируют. кроме того окисление порошка следует сводить до минимума. На следующем этапе порошок ориентируют в магнитном поле и прессуют до получения полуфабрикатов с плотностью приблизительно 70% от теоретической. Можно применять гидростатическое прессование или прессование через матрицу. При прессовании через матрицу получают магниты желаемой формы и размеров, совсем или почти не требующие дополнительной механической обработки. Заготовки магнитов затем опекают в атмосфере инертного газа для достижения высокой плотности (свыше 92% от теоретической). Процесс спекания - наиболее ответственный технологический этап, где требуется точный контроль температуры, чтобы обеспечить отсутствие открытой пористости и сохранение высокой коэрцитивной силы. Вслед за процессом спекания с целью дальнейшего увеличения коэрцитивной силы проводят термическую обработку. Затем магниты подвергают механической обработке для получения изделий заданных размеров. Поскольку магниты из редкоземельных металлов с кобальтом довольно хрупки, то следует применять шлифование, резку алмазными кругами, сверление ультразвуком, электроискровую обработку. Используя эти ды, легко достичь допусков порядка 10 мкм. Затем магниты намагничивают в сильном магнитном поле.
Для достижения максимальной долговременной стабильности магниты подвергают температурной стабилизации.
МЕХАНИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ МЕТАЛЛОВ
Это свойство металлов открыто сравнительно недавно и оно получило название “память формы”. Примером этого может служить лезвие, если его согнуть, то оно сразу же разогнется, значит метал помнит исходную форму, находясь под любым напряжением, не превышающем предела упругости. Такая память металла имеет два важных недостатка.
Во-первых, ее “объем” мал: она хорошо работает только при небольших отклонениях от исходной формы, когда деформации измеряются долями процента, однако при деформации около 10%% поведение металла уже характеризуется практически полной забывчивостью. Значение даже такой “куцей” памяти металлов очень велико. Достаточно сказать, что не будь ее, не работала бы ни одна пружина. Кроме того, есть способ увеличения памяти путем использования сплавов, обладающих сверхупругостью. Гораздо интереснее иметь дело с металлом, обладающим полноценной памятью, когда фазы хранения и извлечения независимы и когда хранение не связанно с участием посторонних сил.
Здесь мы можем сказать прямо, что удалось получить сплавы обладающие именно такой памятью. Они могут хранить исходную форму в своей памяти очень долго, а вспоминают ее при нагреве, так что в наших силах “взывать к памяти” металла в тот момент и в той обстановке, когда нам это потребуется.
Сотрудники лаборатории военно-морской артиллерии США, вели планомерный поиск сплавов никеля с титаном с приблизительно равным содержанием этих двух компонентов. Каждый из двух металлов хорошо сопротивляется коррозии, и сплав получится в этом отношении отличным. Кроме того, оказалось, что он имеет высокую прочность и пластичность. Но вовсе неожиданным и замечательным было то, что он проявлял ярко выраженную способность к запоминанию формы. Это было редчайшей удачей. Никель и титан значительно дешевле и доступней, чем, например, сплав Оландера, в котором около половины - золото. Сочетание же свойств нового сплава было удивительно благоприятным и этот сплав был назван нитинол.
КОСМИЧЕСКИЕ И ЗЕМНЫЕ ПРОФЕССИИ ЗАПОМИЕАЮЩИХ СПЛАВОВ
Возможности практического применения сплавов, обладающих уникальным свойством запоминать форму, исключительно разнообразны и заманчивы. Здесь перед конструкторами–широкое поле деятельности, усеянное принципиально новыми инженерными решениями. Например, в космической технике с помощью этих сплавов эффектно решается традиционная проблема экономии места. Свернутые или скрученные в компактную форму и уложенные в небольших нишах космического корабля антенны, механизмы стабилизации, солнечные батареи распрямляются или выдвигаются от действия солнечного тепла.
Созданы соединения способами, заменяющими сварку, пайку и другие трансформационные методы. Для соединения двух трубок в топлевном двигателе самолета, берут втулку из низкотемпературного запоминающего сплава, внутренний диаметр которой на 4% меньше наружного диаметра соединительных трубок. В жидком азоте деформируем втулку методом раздачи, так что ее внутренний диаметр становится на 4% больше наружного диаметра трубок. Теперь концы трубок мы можем ввести внутрь втулки, которая, отогреваясь до комнатной температуры, сжимается и сжимает концы трубок, обеспечивая прочное и герметичное соединение. В авиации и кораблестроении уже установлены сотни тысяч таких соединений. Они показали высокую надежность и работают безотказно. Это значительно проще, чем сваривать или паять. Можно легко выполнять такие соединения в труднодоступных местах, когда сварка или пайка вообще невозможны, - например, на дне моря. Интересны возможности использования этих сплавов в медицине. Их применяют при операциях, связанных со сращиванием костных переломов. В организм больного оперативным путем вводят стержень, изогнутый так, что он повторяет неправильную форму кости. Стержень помнит заранее заданную ему форму правильной кости и начинает вспоминать ее при небольшом превышении температуры. Другой пример –фильтры для улавливания тромбов в сосудах. Слегка охлажденная прямая тонкая проволочка вводится в нужное место кровеносного сосуда, там, отогреваясь до температуры тела принимает ранее заданную ей причудливо запутанную форму. Фильтр пропускает кровь, но задерживает тромб, который, добравшись до сердца или мозга, мог бы привести к смертельному исходу.
Нитинол не ржавеет, он легок и прочен. Не исключено, что в будущем из него будут, например, делать корпусы автомобилей. Такой автомобиль, даже после серьезного дорожного происшествия, восстановит форму кузова просто в результате легкого подогрева поврежденных мест.
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СТЕКЛА
В самом начале этого реферата мы выяснили, что при обычных условиях затвердевания жидкого металла его атомы образуют кристаллическую решетку того или иного типа. Строгую периодичность системы ионов называют “дальним порядком”. Например, при многократном повторении в пространстве той комбинации ионов воспроизводится объемно-центрированная кубическая решетка. При наличии дальнего порядка мы можем точно указать координаты любого иона, если знаем его порядковый номер по отношению к произвольно выбранному исходному иону. Все позиции ионов, все межатомные расстояния четко определены.
Возвращаясь к системе атомов, мы назовем такую ситуацию “ближним порядком”. Можно довольно точно указать координаты и количество атомов, окружающих данный атом, но более далеких прогнозов делать уже нельзя. Но в природе существует и другая категория веществ, которые называются аморфными. При охлаждении, когда энергия тепловых колебаний атомов становится столь низкой, что они уже не могут свободно путешествовать, эти вещества сохраняют структуру жидкости. Здесь может идти речь только о ближнем порядке в расположении атомов. Движение “толпы” как бы постепенно затихает, люди все менее энергично толкают друг друга и, наконец, застывают на своих случайных местах, слегка покачиваясь из стороны в сторону. Обычное стекло, смола, парафин, асфальт - это примеры природно аморфных материалов, не имеющих правильного кристаллического строения. Такие материалы при нагревании и охлаждении лишь изменяют свою вязкость, но никаких принципиальных изменений во взаимном расположении составляющих их атомов не происходит.
У кристаллических тел подобные изменения свойств при нагреве происходят гораздо более резко, а само плавление - у чистых металлов - идет при строго определенной температуре, так что температура плавления металла является одной из его фундаментальных физических характеристик (констант). Если не меняется внешнее давление и металл хорошо очищен от примесей, то по появлению первой капли при нагреве можно определить температуру с точностью до десятых долей градуса.
Возникает вопрос: нельзя ли и в металлическом сплаве “заморозить” ту атомную структуру которая характерна для жидкости, нельзя ли лишить металл дальнего порядка в твердом состоянии. Ведь тогда можно ожидать значительного изменения всех тех его свойств, которые определяются правильным строением кристаллов. В принципе способ, с помощью которого можно решить такую задачу, ясен - надо пытаться резко увеличить скорость охлаждения жидкого металла, чтобы быстро спуститься в ту область температур, где атомы уже не могут менять своих соседей. Расчеты и эксперименты показали, что подавить процесс кристаллизации действительно удается, но для этого нужны скорости охлаждения порядка миллионов градусов в секунду. Один из разработанных способов заключается в разбрызгивании мелких капель жидкого металла на хорошо отпалированную поверхность быстро вращающегося холодного медного диска. Капля на поверхности диска размазывается очень тонким слоем (несколько микрометров), а хорошая теплопроводность меди обеспечивает высокую скорость теплоотвода.
В настоящее время уже налажен промышленный выпуск десятков сплавов в аморфном состоянии. Оказалось, что легче всего аморфизуются сплавы переходных и благородных металлов с металлоидами (неметаллами, углеродом, бором, фосфором и др. ), причем есть сплавы, в которых удается подавить кристаллизацию при скорости охлаждения порядка тысяч и даже сотен градусов в секунду. Какие же свойства аморфных сплавов особо ценны для техники? Как и ожидалось, аморфные металлы во многих отношениях отличаются от своих кристаллических собратьев. Хотя модули упругости при аморфизации снижаются в среднем на 30%(силы межатомной связи уменьшаются), но прочность и твердость резко возрастают. Отсутствие дислокации приводит к тому, что металлические стекла по прочности превосходят самые лучшие легированные стали. Высокая твердость определяет их великолепную износостойкость. Правда, пластичность аморфных сплавов низкая, что даже можно было ожидать, так как “носителями” пластичности являются дислокации. Все же металлические стекла не так хрупки - как обычное стекло. Их можно, например, прокатывать при комнатной температуре.
Другое важнейшее преимущество аморфных металлических сплавов - их исключительно высокая коррозионная стойкость. Во многих весьма агрессивных средах (морской воде, кислотах) металлические стекла вообще не корродируют. Например, скорость коррозии аморфного сплава, содержащего железо, никель и хром, в растворе соляной кислоты практически равны нулю. Для сравнения можно сказать, что скорость коррозии “классического” коррозионностойкого сплава железа с никелем и хромом (знаменитая нержавеющая сталь, которую так и называют - “нержавейка”) в той же среде превышает 10мм/год. Основная причина такой высокой коррозионной стойкости аморфных сплавов, по-видимому, состоит в том, что, не имея кристаллической решетки, они лишены и характерных “дефектов” кристаллов дислокации и, главное, границ между зернами. Высокая плотность упаковки атомов в кристалле в близи этих “дефектов” уменьшается столь резко, что вдоль них легко проникают в металл “вражеские агенты”. Важно, что бездефектная структура аморфного сплава передается той тонкой окисной пленке, которая образуется на его поверхности на начальных стадиях коррозионного процесса и в дальнейшем защищает металл от прямого контакта с “агрессором”.
Весьма интересным показалось и сочетание некоторых физических свойств аморфных сплавов, в частности, магнитных и электрических. Выяснилось, что сплавы на основе ферромагнитных металлов (железа, никеля) в аморфном состоянии так же ферромагнитны.
Если вернуться сердечникам трансформаторов то будет видно, что замена обычной трансформаторной стали аморфным сплавом даст огромную экономию энергии. В США подсчитано, что потери на вихревые токи уменьшается при этом в 4 раза. Необычное сочетание магнитных и электрических свойств металлических стекол позволяет с большим эффектом использовать их и для других преобразователей тока, датчиков, сердечников и разного рода реле.
Количество компонентов в сплавах возрастает вместе с требованиями. Уже не редкость сплавы с десятком и более компонентов. Их составление - большое искусство, так как компоненты должны работать в гармонии и согласии. Недаром создателей новых сплавов металлурги называют композиторами. Изготовить такие композиции в промышленности часто труднее, чем составить. У компонентов разные температуры плавления, химические свойства, плотность. Если при плавке еще удается управлять множеством процессов, используя вакуум или защитные атмосферы, флюсы, разделяя плавку на этапы, то при кристаллизации влиять на ход событий можно только режимом охлаждения. Здесь-то компоненты и проявляют свой характер. Одни упрямо не хотят растворяться в общей массе сплава и выделяются прослойками, другие жадно поглощают все загрязнения и примеси, образуя стойкие и вредные соединения, третьи кристаллизуются в слишком крупные или слишком мелкие зерна, нарушая структурную однородность сплава. И чем больше компонентов, тем больше подобных проблем.
Чтобы избавиться от трудностей, связанных с кристаллизацией, можно изготовить металл из смеси компонентов в виде частиц, гранул или волокон, спрессовав и сварив их в сплошную массу. Так возникла технология композитных металлов, а затем порошковая металлургия. Это была первая попытка начать революцию в металлургии, но она удалась лишь частично.
Порошковая металлургия и композиты занимают хотя и важную, но довольно ограниченную область в выпуске металлических изделий. Это прежде всего производство твердых сплавов для инструмента, затем изготовление изделий из тугоплавких металлов - вольфрама, молибдена и других, плавление которых сопряжено с техническими трудностями, наконец, получение деталей с особой структурой - пористых, волокнистых, чешуйчатых.
Порошковая технология ограничена прежде всего стоимостью продукции, которая пока раз в десять выше, чем продукция, полученная традиционными металлургическими приемами. Кроме того, хотя при спекании происходит диффузия компонентов и протекают некоторые химические реакции, композиты все же обладают свойствами смеси, а не сплава.
Вторая попытка состоялась сравнительно недавно, когда новая наука - физика металлов - обнаружила, что теоретическая прочность металла на полтора-два порядка выше реальной. Оказалось, что низкая прочность металла объясняется дефектами кристаллической решетки. Количество дефектов в металле может быть соизмеримо с числом атомов, поэтому в расчетах используют плотность, или концентрацию дефектов в единице объема. Если эта величина близка к нулю, что соответствует идеальному кристаллу, то прочность такого кристалла близка к теоретической. С повышением концентрации дефектов прочность сначала стремительно снижается, а затем начинает снова возрастать, но значительно медленнее. Минимум обычно соответствует реальной прочности чистого металла. Примеси, легирующие добавки, деформация увеличивают концентрацию дефектов и повышают прочность материала. Была поставлена задача получить бездефектные и достаточно крупные металлические монокристаллы. Однако она не решена до сих пор. Правда, удалось вырастить тонкие, в несколько десятков микрон, и длиной до полутора сантиметров почти бездефектные кристаллы некоторых металлов. Их прочность действительно оказалась во много раз выше обычной. Из таких “усов” были даже изготовлены высокопрочные композиты. Но дальше лабораторий дело пока не пошло: скорость роста “усов” оказалась слишком низкой, а потому цена - слишком высокой. Третья попытка совершить революцию в металлургии делается сегодня. Четверть века назад эксперименты по быстрому охлаждению металлических расплавов которые проводились с целью получения субмикроскопической структуры металла, обнаружили, что в некоторых случаях кристаллическая решетка в металле вообще отсутствует, а расположение атомов характерно для бессструктурного, аморфного тела. Это не было неожиданностью: твердые аморфные тела - стекла получают путем переохлаждения жидкого расплава. Правда, для образования обычных стекол достаточно очень небольшой скорости охлаждения. Для металлов же, чтобы опеределить кристаллизацию, необходимы громадные скорости охлаждения - миллионы градусов в секунду. Такая скорость была достигнута, когда порции расплавленного металла выстреливали в воду, получались частицы с аморфной, стеклообразной структурой.
Неожиданным оказалось другое: у аморфного металла совсем другие, не сходные свойства с металлом кристаллическим. Нет, металл остается металлом, со всеми характерными для него свойствами–блеском, электропроводностью и т. д. Но он становится в несколько раз прочнее, повышается стойкость к коррозии, меняются электоромагнитные характеристики и даже одна из самых устойчивых констант - модуль упругости. Но главное достоинство нового материала заключается в том, что в нем прекрасно соединяются, уживаются все необходимые компоненты. При сверхбыстром охлаждении сплав затвердевает, прежде чем компоненты- антагонисты успевают проявить свой антагонизм. Аморфные сплавы получили название металлических стекол. Интерес к ним стремительно возрастает Сейчас ставится задача не только получать сплавы с новыми свойствами, но и создавать их промышленную технологию. А здесь еще очень много нерешенных проблем. Первым из полученных металлических. стекол был сплав Аu—Si. Затем удалось получить в аморфном состоянии не только сплавы, но и, некоторые чистые металлы — от Gе, Те и Вi до ярко выраженных А1, V, Сг, Fе, Ni и других. Для этого потребовались фантастические скорости охлаждения - до 1010 К/с. Однако аморфное состояние металла оставалось не устойчивым – при нагреве начиналась кристаллизация. Необходимо было найти сплавы с разумными скоростями охлаждения и температурой, с устойчивой аморфной структурой.
На основании этих теоретических представлений металлурги составляют сейчас аморфные сплавы, получая превосходные практические результаты. Уже есть металлические стекла, у которых критическая скорость всего лишь 100 - 200 К/с, а температура стеклования в несколько раз меньше температуры плавления основного компонента. Таковы, например двойной сплав Pd80Si20, с двадцатипроцентной добавкой кремния сплавы Ni80P20, Fe80B20, Au81Si19 и многие другие. Нетрудно заметить, что общее содержание металлоидов во всех этих сплавах около 20 %. Какие же свойства металлических стекол особенно ценны для современной техники?
Прежде всего исследователей заинтересовали ферромагнитные свойства сплавов на основе железа, никеля и кобальта. Металлургия готовит для промышленности сотни тысяч тонн специальных электротехнических сталей и сплавов в виде тонкого листа. Из них 95 % составляют армко-железо, динамные и трансформаторные стали. Из листа набираются сердечники электродвигателей и генераторов, трансформаторов и магнитопроводов. Материалы для сердечников электромашин называют магнитомягкими. Они должны обладать высокой магнитной проницаемостью, высокой индукцией насыщения, значительным удельным электросопротивлением. Это чрезвычайно важно для снижения потерь на гистерезис и вихревые токи, для повышения к. п. д. электрических машин. Трансформаторные и другие электротехнические стали - это сплав железа с кремнием. Причем больше 4 % кремния добавлять нельзя, но и при этом металл получается хрупким, плохо прокатывается, легко теряет столь необходимые магнитомягкие свойства. В результате потери в сердечниках обычно достигают 0, 3-1 %, падает к. п. д. Правда, есть еще и более магнитомягкие материалы. Это пермаллои - сплавы на основе железа и никеля, которые применяются в магнитофонных головках и других точных приборах. Однако они в десятки раз дороже стали и тоже легко теряют свои свойства при обработке или перегреве. А магнитомягкие свойства металлических стекол оказались на уровне пермаллоев лучших марок, притом эти свойства более стойки и стабильны.
Поскольку ожидаемая стоимость промышленных металлических стекол даже ниже, чем электротехнической стали, то применение нового материала сулит громадные выгоды. У нас в стране производится в год около 1275. млрд. квт-ч электроэнергии. На своем пути до потребителя электрический ток не менее четырех раз проходит через электротехнические устройства —генераторы, трансформаторы, электродвигатели. И везде потери. Если сократить их вдвое только в сердечниках, это составит экономию 20 млрд. квт-ч. А некоторые марки металлических стекол сокращают потери не в 2, а в 3—4 раза. Так что интерес к новым материалам понятен и оправдан. К этому необходимо еще добавить, что из-за более низкой, чем у сталей, электропроводности для металлических стекол частично или полностью к отпадает необходимость в изоляции пластин в пакетах сердечников. А это означает уменьшение габаритов и повышение к. п. д. электрических машин. Не менее привлекательны механические свойства металлических стекол. Аморфный металл в среднем в 5—7 раз прочнее своего кристаллического аналога. Например, сплав Fе80В20 имеет прочность на разрыв 370 кгс/мм2 - в десять раз прочнее железа, вдвое прочнее лучших легированных сталей. К недостаткам металлических стекол, как и всех стекол вообще, следует отнести их малую пластичность, а также характерное снижение прочности при увеличении скорости нагружения. И все же есть основания считать аморфные сплавы пластичными стеклами: их можно вырубать и резать на полосы в штампах, на полосы и проволоку, можно гнуть и сплетать, поэтому не трудно представить плетенные сетки из аморфного металла вместо арматуры в железобетонных плитах, прочнейшие волокнистые композиты, канаты и многие другие изделия, где уникальная прочность металлических стекол позволит сэкономить тысячи тонн металла.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
“Химия и жизнь”, научно-популярный журнал академии наук Украины. (№-8 1998г. ) “Необычные свойства обычных металлов”, В. А. Займовский, Т. Л. Колупаева, библиотека “Квант” (№-32 1997г. )
“Магниты из сплавов редкоземельных металлов с кобальтом”(proceedings of the second international workshop on RARE EARTH-COBALT PERMANENT MAGNETS and their applica-tions, Dayton, Ohio, Usa , edited Karl. J. Strnat), перевод Р. С. Торчиновой, Є. М. Лазарева, Москва “Москва”1995г.
“Редкоземельные магнетики и их применение”, К. П. Белов, Издательство “Наука”, 1990г.
“Химия и научно-технический прогресс”, И. Н. Семенов, А. С. Максимов, А. А. Макареня, Москва “Просвящение” 1988г. (для учеников 10-11 классов)
“Энциклопедический словарь юного химика”, Москва 1990г.
Скачен 1965 раз.
mcvouo.ru
Использованная литература: 1. Книга для чтения по неогранической химии. - А. Крицман 2. Химия для любознательных - Эю Гроссе.
СООБЩЕНИЕ по химии на тему: «Сплавы металлов»
Ученика 11 «Б» класса Тихонова Андрея.
www.ronl.ru
Контрольная работа №1
по металловедению
Тема: Металлы и их сплавы
Вариант№14
Вопросы
1.Изложите сущность пластической деформации металлов и влияние на неё химического состава, структуры, температуры нагрева, скорости и степени деформации
2.Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа. Укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до 0 °С для сплава, содержащего 3,7 % С
3.Дайте определение легированным сталям. Опишите влияние легирующих элементов хрома, никеля, кремния, марганца, титана на свойства легированных сталей. Укажите, что называется нержавеющей сталью. Какой элемент и в каком количестве необходимо ввести в сталь, чтобы она стала корозионностойкой
4. Приведите описание литейных сплавов на основе алюминия: их маркировку, состав, литейные и физико-механические свойства, область применения. Рассмотрите особенности изготовления и термической обработки отливок из алюминиевых сплавов
5. Для изготовления деталей выбран сплав АМг3. Укажите состав сплава. Опишите каким способом производится упрочение этого сплава и объясните природу упрочения. Укажите характеристики механических свойств сплава
1.Изложите сущность пластической деформации металлов и влияние на неё химического состава, структуры, температуры нагрева, скорости и степени деформации
ДЕФОРМАЦИЯ (от лат. deformatio — искажение)- изменение взаимного расположения точек твердого тела, при котором меняется расстояние между ними, в результате внешних воздействий или различных физико-механических процессов, возникающих в самом теле (например, изменение объёма кристаллов при изменении температуры). Деформация называется упругой, если она исчезает после удаления воздействия, и пластической, если она полностью не исчезает. Наиболее простые виды деформации — растяжение, сжатие, изгиб, кручение.
С понятием деформации связаны два механических свойства металла :
Прочность- сопротивление металла (сплава) деформации и разрушению.
Пластичность- способность металла к остаточной деформации (остающейся после удаления деформирующих сил) без разрушения.
При упругой деформации происходит незначительное и полностью устранимое смещение атомов или поворот блоков кристалла. Происходит незначительное изменение межатомных расстояний в кристаллической решётке, что схематически изображено на рисунке 1.б. Если под действием внешних нагрузок нормальные напряжения σ превысят допустимые для данного материала значения, искажения решётки станут необратимыми и произойдёт хрупкое разрушение за счёт разрыва межатомных связей (рис1.в).
Возникающие при деформации напряжения σ зависят от приложенной силы P к некоторой площадке F.
σ = P / Fкгс/мм²
Образование внутренних напряжений связано с неоднородным распределением деформации по объёму тела.
Пластическими называют деформации, при которых происходит необратимое смещение атомов в кристаллической решётке под действием предельных значений касательных напряжений τ. Необратимое смещение атомов в решётке происходит за счёт сдвига части атомов при их скольжении по плоскостям сдвига в направлениях наиболее плотной упаковки. Сдвигу атомов по плоскостям скольжения явно способствуют искажения решётки, вызванные дислокациями. Дислокации под действием касательных напряжений легко перемещаются в направлении действия сил, облегчая тем самым пластическое (остаточное) деформирование. При пластическом (остаточном) деформировании после снятия внешней нагрузки в деформируемом теле наблюдается остаточное изменение формы и размеров при сохранении сплошности тела. При дальнейшем развитии пластического деформирования может произойти пластичное (вязкое) разрушение путём сдвига. (рис2.б)
Как было сказано ранее, сдвиг в кристаллической решётке сопровождается скольжением одной части решётки относительно другой в направлении наиболее плотной упаковки атомов. Эти плоскости называются плоскостями скольжения или сдвига и зависят от типа кристаллической решётки. Чем больше элементов сдвига в решётке, тем выше пластичность металла. Заштрихованные плоскости на рис.3 являются плоскостями скольжения. По этим плоскостям смещаются атомы вещества при пластическом деформировании кристалла.
Реальные металлы состоят из большого числа кристаллов и имеют большое число дефектов, которые получаются при кристаллизации из расплава. К линейным дефектам относятся дислокации.Дефекты в металлах снижают его прочность, но например, бездефектное железо невозможно подвергнуть пластическому деформированию, а следовательно затруднена его обработка в холодном состоянии.
На рис.4 а) и б) изображены краевая и винтовая дислокации. В первом случае дислокация представляет собой границу неполной атомной плоскости, во втором дислокация- сдвиг одной части кристалла относительно другой. На рис.4 в) изображены двойники, которые относятся к поверхностным дефектам и представляют собой симметрично переориентированные области кристаллической решётки, которые находятся в зеркальном отражении друг к другу.
Итак: Пластическая деформация в кристаллах может осуществляться скольжением и двойникованием. Скольжение- это смещение частей кристалла друг относительно друга и зависит от вида кристаллической решётки. Чем больше направлений в кристалле вдоль которых происходит скольжение, тем пластичнее металл.
Процесс скольжения не нужно представлять, как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой. Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций т.е перемещение атомов. Дислокации могут двигаться по плоскости скольжения в кристаллической решетке при очень малых напряжениях сдвига. Подтверждением этого служат небольшие напряжения при которых происходит пластическая деформация у монокристаллов чистых металлов. При больших деформациях движение дислокаций вызывает появление или размножение большого количества новых дислокаций в процессе пластической деформации.
Двойникование. Пластическая деформация некоторых металлов, имеющих плотноупакованные решётки, помимо скольжения, может осуществляться двойникованием, которое сводится к переориентировке части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой части относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования. Двойникование подобно скольжению сопровождается прохождением дислокаций сквозь кристалл.
Пластичность металла очень важное свойство, кот учитывается и при проектировании деталей механизмов и в машине, что особенно важно при изготовлении этих деталей давлением, резанием и т.д. По показаниям пластичности можно дать частичную оценку свойств различных металлов, а также произвести контроль качества их изготовления.
Свойства металлов, влияющих на прочность металла, определяют с помощью испытаний. К статическим относятся испытания на растяжение, сжатие, кручение, изгиб. На рисунке 5 построены две характеристики прочности металлов, подвергнутых растяжению. Верхний график показывает, что хрупкие материалы разрушаются под воздействием силы Р при незначительном удлинении Δl. Тогда как пластичные материалы имеют короткий прямолинейный участок упругой деформации и далее способны растягиваться под действием силы. Разрушаются намного позже.
Для пластичных металлов предел прочности σв. характеризует сопротивление металла значительным пластическим деформациям.
На пластичность материала влияют различные факторы:
1)Чем больше в металле возможных плоскостей и направлений скольжения, тем выше его способность к пластической деформации. Металлы, имеющие кубическую кристаллическую решётку (например, алюминий, медь) обладают высокой пластичностью, так как скольжение в них происходит во многих направлениях. Металлы с гексагональной плотноупакованной структурой(цинк, магний) менее пластичны и поэтому труднее, чем металлы с кубической структурой, поддаются прокатке, штамповке и другим способам деформации.
2)С увеличением плотности дислокаций происходит взаимодействие между ними, что тормозит их перемещение и уменьшает пластичность. В металле, упрочённом деформацией, при нагреве обычно повышается пластичность (напр., у меди, никеля).
3)Перспективными являются волокнистые (композиционные материалы). Высокая прочность и пластичность в них достигается путём армирования мягкой металлической матрицы (медь, алюминий, серебро и т.д.) бездефектными нитевидными кристаллами или волокнами неметаллов (напр., углеродные волокна)
4)Деформация бывает горячая- при температуре выше температуры рекристаллизации. Её в зависимости от состава сплава обычно проводят при Т=0,7-0,75 Т пл. При такой темп снижается сопротивление металла пластической деформации и повышается пластичность.
5)Снижение температуры повышает сопротивление пластической деформации уменьшается пластичность. Поэтому металлы, вязкие при сравнительно высоких температурах, могут при низких температурах разрушаться хрупко.
6)На пластичность влияют различные соединения и примеси. В стали, например, количество цементита прямо пропорционально содержанию углерода и чем его больше, тем больше сопротивление деформации и уменьшение пластичности. Марганец повышает прочность и практически не влияет на пластичность. Сера снижает пластичность( особенно в поперечном направлении вытяжки при прокате и ковке) Фосфор сильно уменьшает пластичность. 7) Скорость и степень деформации зависят от приложенной силы. σ = P / Fкгс/мм²
2.Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа. Укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до 0 °Сдля сплава, содержащего 3,7 % С
Диаграмма состояния сплава представляет собой графическое изображение состояния сплава при изменении его состава, температуры, давления, концентрации элементов. Она показывает устойчивые состояния сплава, при которых компоненты и фазы обладают минимумом свободной энергии. Эти фазы называются равновесными фазами, вследствие чего и диаграммы называют диаграммами равновесия, то есть равновесные состояния- это устойчивые состояния вещества, обладающие минимумом свободной энергии.
Обычно для построения диаграммы состояния пользуются результатами термического анализа, те строят кривые охлаждения сплава.
Сплав нагревают выше температуры плавления и выше, затем охлаждают до 0. В процессе охлаждения с определёнными промежутками времени фиксируется температура сплава, изменяющаяся вместе с агрегатным состоянием. По полученным данным строим кривую охлаждения в координатах время-температура. Если взять сплавы с различным %-ым содержанием, то диаграмма состояния может быть построена в осях концентрация(х), температура(у)
--PAGE_BREAK--Диаграмма состояния сплава при его кристаллизации показ изменение его состояния в зависимости от температуры и концентрации при постоянном давлении внешней среды.
Ликвидус (по латыни ликва-жидкий)- линия на графике, кот показывает температуру начала кристаллизации сплава.
Солидус ( солид-твёрдый)—точки графика, определяющие температуру конца кристаллизации.
Рассматривая охлаждение металла, отметим, что железо известно в таких модификациях, отличающихся видом кристаллической решётки:
1539°С- температура плавления чистого железа.
При температуре ниже 1539 до 1392°С-α-железо, которое часто обозначаюткакδ-железо
1392°С-критическая точка превращения δ ↔ γ -железо (γ -железо-решётка гранецентрированный кубическая ГЦК)
Ниже 1392 до 910°С устойчивым является γ -железо
910°С-критическая точка превращения γ ↔ α -железо
При температуре ниже 910°С-α-железо
Эти данные для удобства запишем в таблицу №1
Таблица1.
1539°С
Температура плавления железа
1539-1392°С
α-железо, часто обозначают как δ-железо
1392°С
критическая точка превращения δ ↔ γ-железо
1392-910°С
устойчивым является γ -железо
910°С
критическая точка превращения γ ↔ α -железо
ниже 910°С
α-железо
В системе Fe-C в процессе охлаждения и кристаллизации различают следующие фазы:
Жидкая фаза- однородный жидкий расплав
Твёрдые фазы:
А)феррит- твёрдый раствор углерода и других примесей в α-железе. ( α-железо — до 910°С и выше 1392 (δ) ) Низкотемпературный α-феррит имеет растворимость углерода до 0,02% (предельная растворимость 0,02% при температуре727°С) и высокотемпературный δ-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1% при 1499°С
Б) аустенит- твёрдый раствор углерода и других примесей в γ -железе (γ -железо от 910 до 1392 °С) При 1147°С аустенит содержит 2,14% С, при 727°С- около 0,8%
В) Цементит- химическое соединение железа с углеродом- карбид железа Fe3C. В цементите содержится 6,67% углерода по его массе. Температура плавления цементита около 1550°С≈1600°С.Цементит первичный Ц1 выделяется из жидкого металлического расплава, цементит вторичный Ц2- из аустенита, цементит третичный Ц3- из феррита.
Б)+В)=Ледебурит-механическая смесь(эвтектика)- аустенита и Ц1
Формируется при температуре 1147°С из жидкого металлического расплава, содержащего более 2,14%С .
При понижении температуры до 727°С формируется окончательная структура ледебурита, состоящая из механической смеси (Ф+Ц2)+Ц1. Перлит- механическая смесь Ф+Ц2 .
1.Для построения диаграммы состояния Fe-Fe3C используем координатную плоскость и оси:
ось Х, вдоль которой будем откладывать одновременно 2 параметра: состав сплава по содержанию углерода в % и по содержанию цементита в %
ось Y, вдоль которой будем откладывать температуру охлаждения сплава от 1600 до 600 °С
Наносим метки:
-по верхней оси Х- равномерно с шагом1 от 0% до 7%- процентное содержание углерода.
-по оси Y — равномерно с шагом 100от 600 от 600°С до 1600°С
X
0,1
0,16
0,51
0,8
2,14
4,3
6,67
Y
1539
1392
911
727
1499
1499
1499
727
1147
1147
1600
точка
А
N
G
Р
Н
J
В
S
Е
С
D
3. Строим диаграмму состояния.
4.Рассмотрим основные точки диаграммы состояния, для которых характерны строго определённые температуры превращений и концентраций углерода в сплавах. Результаты занесём в таблицу2.
№
Х(%)
Y(°С)
Точка
Превращения
1
6,67
1600
продолжение --PAGE_BREAK--D
ТочкаD-температура плавления цементита.
2
1539
А
1539°С — температура плавления железа. Углерода нет. Точка А-предельная концентрация углерода в высокотемпературном феррите.
3
0,1
1499
Н
ТочкаН- 0,1%-предельное содержание(растворимость) С в δ-феррите при 1499°С.
4
0,16
1499
J
Точка J— концентрация 0,16% углерода в аустените при перитектической температуре 1499°С.
5
0,51
1499
В
ТочкаВ- 0,51%-концентрация углерода в жидкой фазе, находящейся в равновесии с δ-ферритом и аустенитом при перитектической температуре1499°С .
6
1392
N
Углерода нет. ТочкаN— превращение высокотемпературного δ-железа в φ-железо.(Ниже 1392 до 910°С устойчивым является φ-железо.
7
2,14
1147
Е
Точка Е- 2,14%-предельная концентрация углерода в аустените при эвтеклической температуре 1147°С.
8
4,3
1147
С
ТочкаС-концентрация углерода в ледебурите, состоящем изА+Ц1
9
911
G
Углерода нет. ТочкаG— превращение φ-железа в низкотемпературное α-железо. Т.е при температуре ниже 910 устойчиво α-железо
10.
0,8
727
S
ТочкаS— концентрация углерода в перлите, состоящем изФ+Ц2 при эвтекоидной температуре 727°С
11
0,02
727
Р
Предельная концентрация углерода в низкотемпературном α-железе. Т.е мах растворимость углерода — 0,02% при 727°С
Сплавы железа с углеродом при содержании в них 2,14-6,67 % С называют белыми чугунами. 3,7%С находится в интервале 2,14-4,3%.
В интервале точек 1,2 из жидкого расплава выделяются кристаллы аустенита, в инт точек 2-3 при частичном распаде аустенита избыточный углерод образует сетку цементита вторичного; оставшийся аустенит с частью кристаллов Ц2 образует механическую смесь- ледебурит; ниже точки 3 углерод, выделившийся из остатков аустенита образует дополнительное количество цементита, который соединяясь с кристаллами перлита, образует окончательную структуру ледебурита при сохранении в составе чугунов эвтектоида-перлита и сетки цементита вторичного.
3.Дайте определение легированным сталям. Опишите влияние легирующих элементов хрома, никеля, кремния, марганца, титана на свойства легированных сталей. Укажите, что называется нержавеющей сталью. Какой элемент и в каком количестве необходимо ввести в сталь, чтобы она стала корозионностойкой
СТАЛЬ — сплав железа(Fe) (основа) с углеродом(С) и содержащий ряд постоянных или неизбежных примесей которые оказывают влияние на её свойства. По химическому составу различают стали углеродистые и легированные, по назначению — конструкционные, инструментальные, стали с особыми физическими и химическими свойствами (нержавеющая, жаропрочная, электротехническая и др.).
Легирование- (нем. legieren — сплавлять, от лат. ligo — связываю, соединяю), введение в состав металлических сплавов т. н. легирующих элементов (напр., в сталь — Cr, Ni, Mo, W, V, Nb(ниобий), Ti и др.) для придания сплавам определенных физических, химических или механических свойств.
ЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ помимо обычных примесей содержит легирующие элементы. Различают низколегированную (суммарное содержание легирующих элементов до 2,5%), среднелегированную (2,5-10%) и высоколегированную (св. 10%) сталь.
Все элементы, вводимые в стали специально или сохранившиеся при её выплавке, можно разбить на 4 группы, что запишем в таблице3.
Таблица3.Примеси в сталях.
№
Примеси
Химические элементы
1
постоянные или обыкновенные примеси:
марганец (Mn), кремний (Si), алюминий (Al), сера(S), фосфора(P).
2
Скрытые примеси:
кислород(О2), азот(N2), водород(Н2).
3
Случайные примеси:
медь(Cu), ртуть(Hg) олово(Sn)и др.
4
Легирующие элементы (от греческого слова сложные)
К ним относятся: хром (Cr), никель (Ni), молибден(Mo), вольфрам(W), V, Nb, Ti и др. Если количество Siи Mnв стали более 0,7-1% их тоже называют легирующими элементами.
В зависимости от того, какими элементами насыщена сталь, её называют, например, хромистая, хромомарганцовистая и т.д.
Хром(Cr) — Хорошо растворяется в феррите, упрочняя его, является активным карбидообразователем, что повышает твёрдость и износостойкость сталей; увеличивает их прокаливаемость ( способность воспринимать закалку на большую глубину). Содержание в стали более 12% хрома приводит к увелич. Её коррозионной стойкости и уменьшает окислительные процессы в агрессивных средах. В хромистых сталях образуются специальные хромистые карбиды, состав и структура которых зависит от содержания C и Cr. При низком содержании С и высоком содержании Cr образуются ферритные стали не претерпевающие полиморфного превращения. Оказывает влияние на структурные превращения в сталях при их термической обработке. Хром (а также Mo,W) наиболее значительно повышает устойчивость аустенита при температурах 450-550, тогда как у углеродистых сталей она при этих температурах наименьшая. Способность легирующих элементов замедлять скорость распада аустенита в районе перлитных превращений и тем самым повышать его устойчивость приводит к понижению критической скорости закалки и увеличению прокаливаемости стали.
Никель(Ni)- активно расширяет гамма- область на диаграмме «железо-легирующие элементы»; хорошо растворяется в феррите, упрочняя его и увеличивая ударную вязкость стали при нормальной и пониженной температуре; увеличивает прокаливаемость стали.Стали с содержанием 7-9% никеля, например 09Х15Н8Ю, 09Х17Н8Ю отличаются повышенной прочностью после закалки и последующего старения при Т=500-750град или обработки холодом при т=-70град. Стали с содержанием 9-15% и 17-18% никеля хорошо обрабатываются давлением и сваркой, обладают высокой прочностью, вязкоупругостью, коррозионной устойчивостью. Содержание 24-26% Ni приводит к потере сталями магнитных свойств; дальнейшее повышение Ni возвращает сталям магнитные свойства.
Совместное использование Cr и Ni даёт возможность получать стали, обладающие повышенной вязкоупругостью, твёрдостью, прокаливаемостью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью.
Кремний(Si)-активный раскислитель, при содержании более 0,7%- легирующий элемент. Хорошо растворяется в феррите, упрочняя его; при содержании более 1,5% охрупчает сталь и снижает её вязкоупругие свойства; изменяет электромагнитные характеристики, увеличивает электросопротивление сталей. Кремний, как и хром вводят для улучшения способности стали устойчиво сохранять твёрдость при высоких температурах(красностойкость)Введение кремния в небольших количествах(0,8-1,2%) повышает вязкоупругость и пластичность.
продолжение --PAGE_BREAK--Марганец (Mn)-являясь раскислителем, устраняет вредное влияние серы, а при содержании в стали более 1% ведёт себя как легирующий элемент; хороший заменитель дорогостоящего Ni; увеличивает устойчивость аустенита и прокаливаемость; хорошо растворяется в феррите, но при содержании более 1,5% охрупчивает его.
Титан(Ti)-титан, как и ниобий(Nb) добавляются в небольших количествах, являются активными карбидообразователями. Чаще всего исп. Для связывания углерода в хромоникелевых нержавеющих сталях в целях устранения межкристаллитной коррозии и измельчения структуры стальных отливок. Оказывает влияние на структурные превращения в сталях при их термической обработке. Титан (и ванадий) образуют устойчивые карбиды, препятствуют росту зерна аустенита при нагреве стали до 1000-1100, поэтому такие стали имеют мелкое природное зерно и не боятся перегрева при термической обработке.
НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ, легированная сталь, устойчивая к коррозии на воздухе, в воде, а также в некоторых агрессивных средах. Наиболее распространены хромоникелевая и хромистая нержавеющая сталь, часто с добавкой Mn, Ti и других элементов. Нержавеющая сталь устойчива против электрохимической коррозии, т.е коррозии, вызванной действием электролитов: кислот, щелочей, солей.
КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ, способность материалов сопротивляться коррозии. У металлов и сплавов определяется скоростью коррозии, т. е. массой материала, превращенной в продукты коррозии, с единицы поверхности в единицу времени, либо толщиной разрушенного слоя в мм в год. Повышение коррозионной стойкости достигается легированием, нанесением защитных покрытий, созданием шлифованной и полированной поверхности и т. д. При легировании в сталь вводятся элементы, образующие на поверхности защитные плёнки, прочно связанные с основным металлом и предупреждающие контакт между сталью и наружной агрессивной средой, а также повышающие электрохимический потенциал стали в разных агрессивных средах. КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ не разрушаются под действием агрессивных сред ( кислот, щелочей, солей, кислорода, влаги) и стойки при одновременном действии коррозионной среды и напряжений растяжения. К коррозионностойким материалам относятся нержавеющие стали, которые применяются в производстве химической аппаратуры, трубопроводов, резервуаров, в судостроении, и мн. др.
Чтобы сталь стала короззионностойкой необходимо оценить среду, для которой она предназначена. Эти стали можно разделить на 2 основных класса: хромистые, имеющие после охлаждения на воздухе ферритную или мартенситную структуру, и хромоникелевые, имеющие аустеническую структуру.
При введении в сталь 12-14% хрома её электрохимический потенциал становится положительным и она приобретает устойчивость против коррозии в атмосфере, морской(пресной) воде, ряде кислот, солей, щелочей.(например стали 12Х13, 30Х13, 12Х17,15Х28 и т.д)
Аустенические нержавеющие стали, обычно легированные хромом и никелем ( или марганцем), после охлаждения до комнатной температуры имеют аустеническую структуру, низкий предел текучести, умеренную прочность, высокую пластичность и хорошую коррозионную стойкость в окислитедьных средах. (например стали 12Х18Н9, 17Х18Н9 содержат 17-18% хрома,8-10% никеля). Хромоникелевые нержавеющие стали дороги. Применяют более дешёвые хромомарганцевоникелевые, в которых часть никеля заменена марганцем(10Х14Г14Н3Т) или азотом в количестве 0,15-0,4% (15Х17АГ14).
Молибден повышает устойчивость против коррозии в органических кислотах, серной кислоте и морской воде(10Х17Н13М2Т).
Низкоуглеродистая высоколегированная аустеническая сталь 06Х23Н28М3Д3Т применяется для сварных конструкций и узлов, стойких против действия горячей( до 80град) серной кислоты содержит до 0,006% с, 22-25%сr,26-29%Ni,0,5-0,9% Ti,2,5-3%Мо,2,5-3,5% Сu. Устойчивость к серной кислоте обеспечивает никель, молибден и медь. Титан уменьшает склонность к интеркристаллитной коррозии.
4. Приведите описание литейных сплавов на основе алюминия: их маркировку, состав, литейные и физико-механические свойства, область применения. Рассмотрите особенности изготовления и термической обработки отливок из алюминиевых сплавов
Все сплавы алюминия можно разделить на 3 группы:
1.деформируемые для прокатки, прессовки, ковки, штамповки и т.д.
2.литейные, предназначенные для фасонного литья
3. сплавы, получаемые методом порошковой металлургии.
Сплавы для фасонного литья должны обладать высокой жидкотекучестью, сравнительно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористости в сочетании с хорошими механическими свойствами, сопротивлением коррозии и др.
В сплавы вводят дегирующие элементы. Содержание легирующих элементов в литейных сплавах выше, чем в деформируемых. Чаще применяются сплавы Аl-Si, Al-Cu, Al-Mg. В сплавы дополнительно включают небольшие количества кремния, марганца, никеля, хрома. Для измельчения зерна и улучшения механических свойств в сплавы вводят модифицирующие добавки Ti,Ni, В,Cl,Cr,Fe,Vи др.
В таблице 5 приведены основные марки литейных алюминиевых сплавов.
СПЛАВЫ Al-Si. Наиболее распространёнными литейными сплавами являются сплавы алюминия с кремнием, называемые силуминами. По составу силумины бывают доэвтектическими (4-5% кремния) и эвтектическими (10-13%Si)/
Маркируются силумины буквами АЛ, за которыми следуют цифры, характеризующие условный номер сплава.
Широкое применение получил силумин марки АЛ2, содержащий 10-13% кремния, имеющий малую усадку и высокую жидкотекучесть. Структура сплава состоит из кристаллов кремния и эвтектики(α+Si) грубого строения, в которой кремний находится в виде крупных игл, играющих роль крупных надрезов в пластичном алюминии. Силумин с такой структурой обладает низкими механическими свойствами. Для измельчения структуры и устранения избыточных кристаллов кремния силумины модифицируют натрием( 0,05-0,08% Na) путём присадки к расплаву смеси солей 67% NaF и 33% NaCl. В процессе затвердевания кристаллы кремния обволакиваются плёнкой силицида натрия (Na2Si), кот затрудняет их рост. В структуре происходят изменения, улучшающие механические свойства. Увеличивается пластичность и прочность. Сплав Ал2 применяется для изготовления отливок сложной формы, таких как детали масляных насосовкартеры и блоки двигателей внутреннего сгорания и т.д.
Силумина Ал3, АЛ4 с добавками меди, марганца и магния после их термической обработки становятся более прочными и твёрдыми.
Средненагруженные детали из сплава АЛ4 подвергаются только искусственному старению, а крупные нагруженные детали( корпуса компрессоров, картеры и блоки цилиндров двигателей и т.д.)- закалке и искусственному старению.
Сплав Ал8, так называемый магналий, обладает высокой коррозионной стойкостью, прочностью и небольшой плотностьюИз него изготовляют судовую арматуру, корпуса различных насосов, работающие в условиях высокой влажности.
Повышеннойтеплостойкостью и жаропрочностью обладают сплавы АЛ1 и АЛ20.Они применяются для изготовления поршней, головок цилиндров и других деталей, работающих при т300-350град.Структура литого сплава ал1 состоит из α-твёрдого раствора, содержащего Cu,Mg иNi и избыточных фаз Al2CuMg и Al6Cu3Ni. Сплав ал20 по сравн с ал1 облад лучш литейными св-вами, что объясняется присутствием в нём кремния.Для увеличения жаропрочности и измельчения структуры сплав легируют Ti,Cr иMn.Структура сплава: α-твёрдый раствор, избыточные фазы CuAl2,Al5SiFe,Al3Ti, а также фазы, содержащие марганец и хром.
СПЛАВЫ Al-Cu. Эти сплавы (Ал7, Ал19) после термической обработки имеют высокие механические свойства при комнатной и повыш темп и хорошо обрабатываются резанием. Литейные свойства сплавов низкие (большая усадка, склонность к образованию горячих трещин и т.д.Ъ Сплав Ал7 используют для отливки небольших деталей простой формы( арматура, кронштейны и т.д.)Сплав склонен к хрупкому разрушению вследствие выделения по границам зёрен грубых частиц CuAl2 и AL7Сu2Fе.Поэтому его применяют в закалённом состоянии, когда эти соединения переведены в твёрдый раствор. Если требуется повышенная прочность, то отливки после закалки подвергают старению при т150град,2-4ч. В сплаве Ал19, кроме СuAl2, образуются фазы Al12Mn2Cu и Al3Ti, располагающиеся в объёме зёрен твёрдого раствора. Присутствие в твёрдом растворе марганца и образование в объёме зерна интерметаллидных фаз повышает жаропрочность сплава.Титан измельчает зерно.
Для крупногабаритных деталей, для работы при 300-350 применяют сплав АЛ-21.Отливки сложной формы из сплава подвергают отжигу при 300 град. Для получения более высоких механ св-в отливки закаливают с 525град в горячей воде и подвергают стабилизирующему отпуску при 300град.
СПЛАВЫ Al-Mg. Сплавы алюминия с магнием имеют низкие литейные свойства, так как не содержат эвтектики. Их характерная особенность-хорошая коррозионная стойкость, повышенные механические свойства и обрабатываемость резанием. Добавление к сплаву 9,5-11,5%Mg модифицирующих присадок (Ti,Zr) улучшает механич свойства, а бериллий уменьшает окисляемость расплава, что позволяет вести плавку без защитных флюсов.
Сплавы Ал8 и Ал27 предназначены для отливок, работающих во влажной атмосфере, например, в судостроении и авиации. Структура сплавов состоит из α-твёрдого раствора и грубых включений частиц Al3Mg2, располагающихся по границам зёрен, охрупчивая сплав. Поэтому сплавы ал8 и ал27 применяют после закалки при т430град с охлаждением в масле (40-50град) и выдерживают при темп закалки в теч 12-20ч, что обеспечивает растворение частиц Al3Mg2 в α-твёрдом растворе и получение после закалки однородного твёрдого раствора.
Добавление к сплавамAl-Mg до 1,5%Si( сплавыал13 и ал22) улучшает литейные св-ва в рез образования тройной эвтектики. Прим в судостроении и авиации.
5. Для изготовления деталей выбран сплав АМг3. Укажите состав сплава. Опишите каким способом производится упрочение этого сплава и объясните природу упрочения. Укажите характеристики механических свойств сплава
Состав сплава: Это сплав алюминия и магния. Концентрация магния 3,2-3,8%.Магний повышает прочность. С увеличением концентрации магния уменьшается пластичность.
Упрочение: Добавочно легирован марганцем (0,3-0,6%).При этом образуются дисперсные частицы Al6Mn, кот. упрочает сплав и способствует измельчению зерна. Упрочение сплавов достигается в рез образования твёрдого раствора и в меньшей степени избыточными фазами.
Сплавы типа АМг в равновесном состоянии после охлаждения двухфазные (α+β). Однако вследствие высокой устойчивости твёрдого раствора и малой скорости диффузии магния в алюминии, даже после медленного охлаждения они не содержат избыточных фаз и состоят только из α-твёрдого раствора.Эффект от закалки и старения невелик, и их применяют в отожжённом состоянии и после наклёпа. Отжиг сплавов производится при темп270-280 град, охлаждение на воздухе.
Характеристики мех св-в:
Напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называют пределом прочности σв=22кгс/мм2.
Напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2% называют условным пределом текучести σ0,2=11кгс/мм2
Пластичность характеризует величина δ=20%
Прим для сварных клёпаных элементов конструкций, испытывающих небольшие нагрузки и высоко сопротивляющиеся коррозии, например, ёмкости для жидкостей, трубопроводов, палубных надстроек.
www.ronl.ru
