Сплавы металлов: строение, механические и химические свойства

Прочность металлов

Помимо способности перехода из твердого в жидкое состояние, одним из важных свойств материала является его прочность — возможность твердого тела сопротивлению разрушению и необратимым изменениям формы. Основным показателем прочности считается сопротивление возникающее при разрыве заготовки, предварительно отожженной. Понятие прочности не применимо к ртути, поскольку она находится в жидком состоянии. Обозначение прочности принято в МПа — Мега Паскалях.

Существуют следующие группы прочности металлов:

Непрочные. Их сопротивление не превышает 50МПа. К ним относят олово, свинец, мягкощелочные металлы
Прочные, 50−500МПа. Медь, алюминий, железо, титан. Материалы этой группы являются основой многих конструкционных сплавов.
Высокопрочные, свыше 500МПа. Например, молибден и вольфрам.

Таблица прочности металлов

Металл	Сопротивление, МПа
Медь	200−250
Серебро	150
Олово	27
Золото	120
Свинец	18
Цинк	120−140
Магний	120−200
Железо	200−300
Алюминий	120
Титан	580

Наиболее распространенные в быту сплавы

Как видно из таблицы, точки плавления элементов сильно разнятся даже у часто встречающихся в быту материалов.

Так, минимальная температура плавления у ртути -38,9 °C, поэтому в условиях комнатной температуры она уже в жидком состоянии. Именно этим объясняется то, что бытовые термометры имеют нижнюю отметку в -39 градусов Цельсия: ниже этого показателя ртуть переходит в твердое состояние.

Припои, наиболее распространенные в бытовом применении, имеют в своем составе значительный процент содержания олова, имеющего точку плавления 231.9 °C, поэтому большая часть припоев плавится при рабочей температуре паяльника 250−400°C.

Помимо этого, существуют легкоплавкие припои с более низкой границей расплава, до 30 °C и применяются тогда, когда опасен перегрев спаиваемых материалов. Для этих целей существуют припои с висмутом, и плавка данных материалов лежит в интервале от 29,7 — 120 °C.

Расплавление высокоуглеродистых материалов в зависимости от легирующих компонентов лежит в границах от 1100 до 1500 °C.

Точки плавления металлов и их сплавов находятся в очень широком температурном диапазоне, от очень низких температур (ртуть) до границы в несколько тысяч градусов

Знание этих показателей, а так же других физических свойств очень важно для людей, которые работают в металлургической сфере. Например, знание того, при какой температуре плавится золото и другие металлы пригодятся ювелирам, литейщикам и плавильщикам

Благородные цветные металлы

К ним относятся:

золото,
серебро,
платина.

Золото – химически стойкий металл. Процесс окисления не запускается даже при расплавленном его состоянии. Растворить металл способна только смесь из соляной и азотной кислот («царская водка»). Обладает высокими тягучими показателями, хорошо поддаётся обработке. На бирже цветных металлов золото ценится высоко – цена за 1 грамм составляет 2450 рублей.

Серебро – ковкий и пластичный металл. Имеет очень высокие показатели тепло- и электропроводимости. Несмотря на свою пластичность, он весьма тугоплавкий. Не окисляется под воздействием кислорода.

Платина – среди ювелиров ценится превыше всего, используется в чистом виде. Имеет замечательные антикоррозийные свойства и высокую стойкость к любым химическим реактивам и деформациям. В приёмном пункте цветных металлов 1 грамм лома платины покупают за 1600 рублей.

Цветной металлолом

В соответствии с классификацией металлических отходов, приведенной в ГОСТе, данный вид представлен отходами:

алюминия – чаще это провода;
меди – в том числе от металлообработки;
магния – отходы, образуемые при самолетостроении;
титана – чистый металл и его сплавы применяются в корабле-, самолетостроение;
медные сплавы (томпак, бронза, латунь);
свинца – аккумуляторные батареи, обмотка кабельно-проводниковой продукции;
редкоземельных металлов – образуются на производствах, используемых высокие технологии;
меди и алюминия – присутствуют в кабелях, трансформаторах, проводах;
полупроводниковый лом – образуется на производствах электронной промышленности.

стружка – образуется при обработке заготовок на металлорежущих станках;
кусковой лом – отходы, имеющие значительную толщину; его класс определяется уровнем примесей;
порошкообразный – пыль, образующаяся при производстве цветных металлов;
иные разновидности – отходы, к которым относится металлическая крошка, проволока, разнообразные тонкие пластинки.

Состав и свойства металла

Общий состав включает разные пропорции, но высокопробные изделия всегда содержат не менее 90% чистого золота.

Червонный металл от чистого исходного сырья почти не отличается по функциональным параметрам — тягучий, мягкий, плавкий, имеет склонность к истиранию, деформации даже при проверке «по-старинке» — сжатием между зубами. На поверхности червонца остается оттиск зубов.

На сегодняшний день применение червонного металла осуществляется, в основном, при создании ювелирных украшений. Также можно встретить изделия из него внутри различных музеев, где представлены старинные монеты, фамильные драгоценности.

Особым успехом материал пользовался при изготовлении обручальных колец.

Классификация сплавов

Существует несколько способов классификации сплавов:

по способу изготовления (литые и порошковые сплавы);
по способу получения изделия (литейные, деформируемые и порошковые сплавы);
по составу (гомогенные и гетерогенные сплавы);
по характеру металла – основы (черные –основа Fe, цветные – основа цветные металлы и сплавы редких металлов – основа радиоактивные элементы);
по числу компонентов (двойные, тройные и т.д.);
по характерным свойствам (тугоплавкие, легкоплавкие, высокопрочные, жаропрочные, твердые, антифрикционные, коррозионностойкие и др.);
по назначению (конструкционные, инструментальные и специальные).

Особенности ухода

Бижутерные сплавы обладают низкой устойчивостью к воздействию факторов окружающей среды. При отсутствии ухода они быстро утратят привлекательность. Поэтому нужно заранее изучить правила ухода за подобными украшениями.

Темнеет ли сплав?

Чтобы понять, темнеет или нет бижутерный сплав, необходимо изучить его состав, покрытие. Изделия, покрытые серебром, потемнеют даже при соблюдении правил ухода.

Подвержен ли бижутерный сплав коррозии?

Без дополнительного защитного покрытия при длительном воздействии влаги некоторые сплавы могут покрыться ржавчиной. Если металл, на основе которого изготовлено украшение имеет высокую коррозионную стойкость, риск того, что поверхности покроются ржавчиной, минимален.

Способы очистки

Для чистки украшений можно использовать салфетки, мягкие тканевые тряпочки. Применять чистящие средства и мыло при этом не рекомендуется.

Достоинства и недостатки магниевых сплавов

Они довольно мягкие, сравнительно неплохо сопротивляются износу, но отличаются не слишком впечатляющей пластичностью. Зато они отличаются прекрасной приспособленностью к формовке в условиях высоких температур, отлично приспособлены для соединения с использованием всех существующих разновидностей сварок, а также могут быть соединены посредством болтовых соединений, клепки и даже склеивания.

Увы, но все эти сплавы не отличаются особенной стойкостью к воздействию кислот и щелочей. Крайне негативно на них воздействует долгое пребывание в морской воде. Впрочем, магниевые сплавы на удивление стабильны в условиях воздушной среды, так что многими их недостатками можно пренебречь. Если же требуется надежно защитить такие детали от действия коррозии, то применяют нанесение хромового покрытия, анодирование или подобные же методы.

Их можно плакировать при помощи никеля, меди или хрома, предварительно погружая в расплав химически чистого цинка. При такой обработке резко возрастают показатели их прочности и устойчивости к истиранию. Нужно напомнить, что магний является довольно-таки активным с химической точки зрения металлом, а потому при работе с ним необходимо соблюдать хотя бы базовые меры безопасности.

Переработка

Из-за повышения оборотов производства и потребительского спроса все больше организаций занимается переработкой лома. Если не следить за отходами, то в скором времени экология и люди пострадают, поскольку некоторые материалы опасны для здоровья, окружающей среды.

Переработка доступна для черных и цветных металлов. Самое ценное для этого процесса сырье содержится в аккумуляторах, батареях и бытовой технике. Процесс переработки сырья подразумевает несколько этапов:

Прием металлолома, взвешивание и оплата.
Сортировка в специальном пункте по профилю и разновидности. Это самый трудоемкий этап, на который уходит много времени.
Деление материала на мелкие фрагменты для удобной транспортировки и дальнейшей переработки.
Очистка от примесей вручную или с использованием специальных приборов.
Переплавка материала для его повторного использования.

Крупным предприятиям сдача металла позволяет сократить расходы. Именно такие организации в основном и влияют на экологическую обстановку, поскольку потребители не производят отходы в таких масштабах.

Цветные и черные металлы используются почти во всех отраслях жизни человека

Умение отличать их друг от друга позволит заранее принять во внимание слабые и сильные стороны материала, а также заранее спланировать их переработку и повторное использование

Из-за чего металл тускнеет

Причин у изменения вида нового колечка может быть несколько:

Новое изделие было покрыто полирующим составом. В этом случае кожа на пальце тоже потемнеет. Загрязнение легко удаляется.
К сожалению, иногда изменение цвета колечка может свидетельствовать о малом содержании драгоценного металла. О том, как легко можно выдать недорогие сплавы, за драгоценность, мы уже знаем.
Нательные украшения могут реагировать на различные изменения в организме. Такие пятна с хорошего украшения легко очищаются.
Золото разрушается и покрывается пятнами под воздействием ртути и йода. С первым веществом соприкасаемся в крайнем случае, а вот от добавки йода в воду общественного бассейна никто не застрахован. Отправляясь в бассейн, украшения лучше снимать, даже если они 375 пробы.

Разница между температурой плавления и кипения

Точкой фазового перехода вещества из твердого кристаллического состояния в жидкое нередко называют температуру плавления металла. В расплаве молекулы не имеют определенного расположения, но притяжение удерживает их вместе, в жидком состоянии кристаллическое тело сохраняет объем, но теряет форму.

При кипении теряется объем, молекулы слабо взаимодействуют, хаотично движутся во всех направлениях, отрываются от поверхности. Температура кипения – это когда давление металлических паров достигает давления внешней среды.

Для наглядности разницу между критическими точками нагрева лучше представить в виде таблицы:

Свойства	Температура плавки	Температура кипения
Физическое состояние	Сплав превращается в расплав, кристаллическая структура разрушается, исчезает зернистость	Переход в газообразное состояние, отдельные молекулы улетают за пределы расплава
Фазовый переход	Равновесие между жидкой и твердой фазами	Равновесие между давлением паров металла и внешним давлением воздуха
Влияние внешнего давления	Не меняется	Изменяется, падает при разряжении

Маркировка меди и сплавов на ее основе

Когда речь идет о технической меди, то маркировка содержит букву М. Далее указываются цифры, обозначающие степень ее чистоты. Например, медь М3 включает в себя больше примесей по сравнению с материалом М000. Буквы в конце означают следующее:

Б-безкислородный материал;
Р — раскисленный;
К-катодный.

Медь в чистом виде часто применяется в качестве проводникового материала в электротехнических целях. Материал хорошо поддается пайке, деформации и свариванию, единственный минус — плохо поддается резке.

В медных сплавах маркировка имеет буквенно-цифровую систему, по которой можно определить их химический состав. Так, легирующие элементы указаны своими начальными буквами, например:

К-кремний;
Ф-фосфор;
Б-бериллий;
О-олово и т. д.

Латунь

Латунью называют сплав меди и цинка. Они подразделяются на такие виды:

двухкомпонентные (простые) — включают в себя преимущественно медь и цинк, а также примеси в незначительном количестве;
многокомпонентные (специальные) — помимо основных элементов есть дополнительные легирующие.

Маркировка простой латуни включает в себя букву «Л», обозначающую тип сплава, а также двузначное число, которое означает среднее количество меди в составе.

Двухкомпонентные сплавы хорошо поддаются давлению и могут иметь такие формы, как:

трубки и трубы с разным сечением;
полосы;
листы;
прутки с разным профилем;
проволоки.

Если изделия имеют большое внутреннее напряжение, то они склонны к растрескиванию. А если их долго хранить на открытом воздухе, то могут появиться поперечные и продольные трещины. Чтобы такого не случилось, снимите внутреннее напряжения, проведя отжиг при температуре до 300 градусов.

Маркировка многокомпонентной латуни после буквы «Л» содержит буквы, обозначающие легирующие элементы в составе (помимо цинка). Далее идет ряд цифр через дефис, первая цифра — это среднее количество меди (в %), а затем — каждого легирующего элемента в порядке, соответствующем буквенному обозначению. Порядок букв и цифр зависит от того, какого элемента сколько содержится.

Первыми идут те, которых больше, далее указываются элементы по нисходящей. Литейные латуни маркируют буквами как ЛЦ (вторая буква — это цинк), затем идет число, обозначающее процентное количество содержания цинка. Далее маркировка идет, как и в других случаях. Такие виды материалов применяют при производстве втулок, судостроительных материалов, подшипников, арматуры и вкладышей.

Бронза

Под бронзой понимается сочетание меди с другими элементами, цинк при этом не выступает основным компонентом. Бронза бывает деформируемой и литейной. Маркировка такого материала начинается с буквосочетания «Бр».

В литейных видах после этих букв идут буквы с цифрами, означающие элементы и их процентное содержание в сплаве. Остальное подразумевается как медь. В некоторых случаях на маркировке в конце стоит буква «Л», указывающая на то, что материал является литейным.

Бронза имеет отличные литейные свойства и используется для фасонного литья. Еще ее применяют в качестве антифрикционного и коррозионно-устойчивого материала при производстве:

червячных колес;
ободков;
втулок;
зубчатых колес;
арматуры;
седла клапана и т. д.

Помимо перечисленных особенностей, стоит отметить, что все медные сплавы отличаются высокой устойчивостью к низким температурам.

Магний и сплавы: маркировка и описание

Технический магний обладает не самыми лучшими свойствами, поэтому его не используют как конструкционный материал. А вот магниевые сплавы в соответствии со стандартами подразделяются на литейные и деформируемые.

В соответствии с ГОСТ литейные маркируются как «МЛ», а также цифрой, обозначающей их условный номер. В некоторых моделях после цифр идут такие строчные буквенные обозначения:

«пч» — повышенной чистоты;
«он» — материал общего назначения.

А деформируемые магниевые сплавы маркируются буквами «МА», а также цифрой, соответствующей условному номеру материала. После числа тоже может идти обозначение «пч».

Магниевые материалы имеют отличное сочетание таких свойств, как:

низкая плотность;
высокая устойчивость к коррозии;
относительно высокая прочность;
хорошие технологические качества.

На основе магниевых сплавов производят детали простой и сложной формы, обладающие высокой устойчивостью к коррозии. Например:

арматуру;
горловины;
насосные корпусы;
бензиновые баки;
барабаны тормозных колес;
штурвалы;
фермы и т. д.

Имитации золота

Металл может не содержать Au, но должен иметь сходные внешние признаки, чтобы считаться схожим с оригиналом. Подобные изделия не имеют ценности, но у них широкая область применения, например, производство бижутерии – основное направление. Список металлов, которые имитируют сплав золота:

бронза: медь с добавлением алюминия, первый из компонентов придает красный оттенок, второй – осветляет тон;
вермей: серебро с золочением, внешне сохраняется видимость Au, но изделия легче;
гамельтонметалл: способ покрытия изделий, который ранее часто применялся, металл содержал медь, цинк.

Вторичное использование цветмета

Использованный цветмет не утилизируют по многим причинам.

Переработка – дело выгодное

Первичное производство цветмета (из руд) – затратный, трудоемкий, экологически проблемный процесс. Поэтому закономерно стремление предприятий оптимизировать расходы. То есть перерабатывать цветной металлолом. Стоимость процесса впятеро дешевле переработки первичного сырья.

Сдатчики цветмета тоже получают неплохие деньги. Поэтому на промышленных предприятиях отработана практика складирования такого металлолома для сдачи на пункт приема либо меткомбинат.

Какой лом берут на переработку

Металлолом подразделяют на два вида:

Бытовой – корпус, детали отслужившей бытовой техники, гаджетов, кабели.
Промышленный – не подлежащее ремонту оборудование, изношенные элементы конструкций, стружка, другие отходы, отбраковка производства.

Для переработки годится алюминиевый, медный, никелевый, свинцовый, цинковый, оловянный, титановый лом. Плюс сплавы (бронза, латунь), лом смешанного состава.

Этапы переработки

Поступивший цветмет проходит следующие стадии:

Проверка на предмет радиации, взрывоопасности, наличия опасных химических компонентов.
Сортировка по металлам.
Измельчение.
Прессовка.
Упаковка.
Отправка на металлургический комбинат.

Пункт приема металлического вторсырья (лома) есть в большинстве населенных пунктов. Диапазон принимаемых от организаций и граждан металлических отходов – от крупных конструкций до стружки и порошка любой массы.

В чем отличие бижутерного сплава от ювелирного: плюсы и минусы

Чтобы понять разницу, необходимо знать состав. Ювелирный сплав обязательно включает драгоценные металлы. В свою очередь бижутерная основа состоит из смеси цветных металлов. Полученный материал внешне максимально напоминает драгметалл, повторяет его цвет и отличается прочностью. Вся бижутерия проходит золочение или покрытие родиевым слоем.

Плюсы бижутерного сплава:
соединение разных металлов позволяет изменять их физические характеристики;
украшение по доступной цене внешне мало чем отличается от брендовых драгоценностей;
металлы часто используются в промышленности;
используемые материалы не вызывают аллергических реакций.

Минусы ювелирной стали:
покрытие со временем стирается;
изделия требуют осторожной эксплуатации;
со временем поверхность может окисляться, менять цвет.

Бижутерия — серьги

Золото и его сплавы

Сплавы золота по цветовой гамме классифицируются на белые, красные, желтые, зеленые, розовые и другие

Важно знать, что сплавы одно и того же оттенка могут быть различных проб

Характеристики, которые должен иметь сплав, определяются участием того или иного компонента в его составе:

Чтобы получить белое золото, в сплав добавляется платина, палладий и никель. Такие составы обладают высокой температурой плавления и почти не поддаются коррозии.
Медь и серебро дают возможность создать сплав от светло-желтых до красных оттенков, а также достичь зеленоватых и красноватых тонов. Такие изделия обладают средней температурой плавления, сохраняя пластичность металла и высокие показатели ковкости.
Чтобы получить сплав с низкой температурой плавления, золото разбавляется цинком и кадмием. Такие сплавы часто используют, как припои.

Итак, в золото могут добавляться следующие компоненты:

Медь. Получить ярко-красный сплав можно, добившись содержания меди в виде 14,6%. Она придает составу твердость, сохраняя тягучие свойства. Но медь делает металл более подверженным коррозии.
Серебро. Белый сплав получается при содержании в нем 65% аргентума. При соотношении серебра в 30% цвет будет бело-желтым. При добавлении малого количества серебра, состав будет зеленоватого оттенка.
Платина. Используется для достижения белого цвета сплава. Белый оттенок получается уже при 8,4%-ном содержании в составе платины. Также этот металл увеличивает показатели упругости.
Палладий. Применяется также для получения белого оттенка, но в таком случае требуется добавить в сплав не менее 10% вещества. Металл резко повышает температуру плавления, оставляя без изменения пластичность.
Никель. Главным образом влияет на литейные характеристики сплава, увеличивая его текучесть. Цвет состава изменяется на бледно-желтый. Никель – весьма аллергенный металл, способный вызвать раздражения кожи при длительном ношении украшения.
Цинк. Используется для придания легкого зеленоватого оттенка, заметно снижая температуру плавления. Наличие цинка в изделии делает его более хрупким.

Свинец и олово в чистом виде и сплавы

Свинец в чистом виде в холодильной или пищевой промышленности почти не применяется, а олово в пищевой отрасли используется как покрытие пищевой тары. При его маркировке «О» означает олово, цифры же — его условный номер. С повышением номера количество примесей повышается. Буквосочетание «пч» указывает на повышенную чистоту материала. В пищевой промышленности с целью лужения консервной жести используется олово, маркируемое как О1 и О2.

В зависимости от назначения свинцовые или оловянные сплавы подразделяются на две категории:

баббиты;
припои.

Баббиты представляют собой сложные сочетания из свинца и олова, дополнительно в них присутствуют медь, сурьма и прочее. Их маркируют буквой «Б», а также числом, указывающим на процентное соотношение олова в составе. Помимо буквы «Б» могут быть еще буквы, обозначающие особые добавки, например:

Н — никелевый баббит;
С — свинцовый баббит и прочие.

Полный химический состав установить только по марке баббита невозможно. В отдельных случаях даже количество олова не указывается, хотя в марке БН его присутствует порядка 10 процентов. Есть баббиты и без олова (в частности, свинцово-кальциевые).

Данный материал признан лучшим антифрикционным и используется преимущественно в подшипниках скольжения.

Вторая категория — припои. Они в зависимости от своих признаков делятся по следующим признакам:

по температуре расплавления;
по ключевому компоненту;
по методу плавки и другим особенностям.

В частности, по температуре расплавления припои бывают следующих типов:

особо легкоплавкие (температура плавления составляет около 145 градусов);
легкоплавкие (от 145 до 450 градусов соответственно);
среднеплавкие (от 450 до 1100 градусов);
высокоплавкие (1100−1850 градусов);
тугоплавкие (температура от 1850 градусов и выше).

Первые две категории используются с целью низкотемпературной пайки, а прочие для высокотемпературной соответственно.

По своему ключевому компоненту припои бывают таких видов:

оловянными;
алюминиевыми;
кадмиевыми;
галлиевыми;
свинцовыми;
цинковыми и т. д.

Цветные металлы и их сплавы могут иметь разное назначение и разные технические характеристики. Определить их особенности можно по нанесенной маркировке, которую нужно уметь расшифровывать.

Классификация цветных металлов

В зависимости от физических свойств и назначения, они подразделяются на такие группы:

Легкие цветные металлы. Список этой группы большой: в ее состав входит кальций, стронций, цезий, калий, а также литий. Но в металлургической промышленности чаще всего используются алюминий, титан и магний.
Тяжелые металлы пользуются большой популярностью. Это всем известные цинк и олово, медь и свинец, а также никель.

Благородные металлы, такие как платина, рутений, палладий, осмий, родий. Золото и серебро широко применяются для изготовления украшений.
Редкоземельные металлы — селен и цирконий, германий и лантан, неодим, тербий, самарий и другие.
Тугоплавкие металлы — ванадий и вольфрам, тантал и молибден, хром и марганец.
Малые металлы, такие как висмут, кобальт, мышьяк, кадмий, ртуть.
Сплавы – латунь и бронза.