Какие бывают виды металлов и сплавов?

Ползучесть

Этот показатель определяет степень непрерывной пластической деформации при постоянном воздействии внешних и внутренних факторов. Вычисление этого параметра необходимы для определения жаропрочности металлов и их сплавов.

Для определения ползучести образец нагревают до определенной температуры. После этого наблюдают степень изменения его конфигурации с учетом приложенного напряжения. В зависимости от термического воздействия различают два вида испытаний на ползучесть:

низкотемпературное. Степень нагрева образца не превышает 0,4 от температуры его плавления;
высокотемпературная. Коэффициент нагрева больше 0,4 температуры нагрева.

В видеоматериале показан пример работы маятникового копера:

Технологические свойства

Технологические свойства металлов и сплавов важны в первую очередь при их производстве, так как от них зависит способность подвергаться различным видам обработки с целью создания разнообразных изделий.

Среди основных технологических свойств можно выделить:

Ковкость.
Текучесть.
Свариваемость.
Прокаливаемость.
Обработку резанием.

Под ковкостью понимается способность металла менять форму в нагретом и холодном состояниях. Ковкость метала, была открыта еще в глубокой древности, так кузнецы, занимающиеся обработкой металлических изделий, превращением их в мечи или орала (в зависимости от потребности) на протяжении многих веков и исторических эпох были одной из самых уважаемых и востребованных профессий.

Способность двух металлических сплавов при нагревании соединяться друг с другом называют свариваемостью.

Текучесть металла тоже очень важна, она определяет способность расплавленного метала растекаться по заготовленной форме.

Свойство металла закаливаться называется прокаливаемостью.

Что такое сплав?

Сплав — это вещество, состоящее из двух или более компонентов, смешанных с металлом. Следовательно, он также имеет металлические свойства. Кроме того, сплав может иметь фиксированный или переменный состав. С учетом цели, мы делаем сплавы, чтобы улучшить существующие свойства металла или придать металлу новые свойства. В основном, цель производства сплавов — сделать их менее хрупкими, твердыми, устойчивыми к коррозии или иметь более желаемый цвет и блеск. Более того, можно изменить свойства сплава в соответствии с требованиями, варьируя добавки или легирующие материалы.

Слово легирование стало обозначать процесс, который приводит к образованию сплавов. На протяжении веков люди использовали железо, считая его очень прочным. Но это было образование стали; его сплав, который дал миру один из самых прочных конструкционных материалов. Кроме того, существует два основных типа сплавов: сплавы замещения и сплавы внедрения.

Взглянем на пример стали; это сплав, состоящий в основном из железа и небольшого количества углерода, процентное содержание которого варьируется от 0,2% до 2% в зависимости от марки сплава. Мы знаем о прочности и долговечности стали, которая намного больше, чем железо, которое мягче стали

Таким образом, очевидно, что путем легирования мы можем получить более качественные материалы и, что немаловажно, со свойствами, отличными от свойств ингредиентов сплава. Кроме того, железо — это тот металл, который делает многие сплавы, помимо стали, с такими веществами, как марганец, хром, ванадий, вольфрам и т

Д.

Благородные материалы

Некоторые разновидности металлов редко встречаются в природе и отличаются трудоёмкими способами добычи. Металлы благородной группы — это:

Золото.
Серебро.
Платина.
Родий.

Рекомендуем: Основные виды отходов и их классификация

Люди узнали о золоте ещё в эпоху каменного века. Самый дорогой металл в мире можно встретить в природе в виде самородков, в которых присутствует небольшое количество примесей. Также он встречается в сплавах с серебром.

Серебро идёт вторым по ценности после золота. В природе оно обычно встречается в качестве серебряной руды. Серебру характерны мягкость, пластичность, тепло- и электропроводность.

Платина, открытая в середине XX века, выступает редким материалом, который можно отыскать только в залежах различных сплавов. Её довольно трудно добывать. Ценность металла заключается в том, что он не подвергается воздействию кислот. При нагревании платина не изменяется в окраске и не окисляется.

Родий тоже относится к благородным металлам. Он обладает серебристым цветом с голубым отливом. Родий отличает устойчивость к химическим воздействиям и перепадам температур, но хрупкий металл портится под механическим воздействием.

Классификация

Металлурги классифицируют сплавы металлов по нескольким критериям:

метод изготовления:
порошковые;
технология производства:
деформируемые;
порошковые;
однородность структуры:

Виды сплавов по их основе

вид металла – основы:

черные (железо);

цветные (цветные металлы); редких металлов (радиоактивные элементы); количество компонентов:

двойные;

тройные; и так далее; физико-химические свойства:

тугоплавкие;

легкоплавкие; высокопрочные; жаропрочные; твердые; антифрикционные; коррозионностойкие и др.; предназначение:

конструкционные;

инструментальные; специальные.

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

Металл, имеющий наибольшую массовую долю, называют основой.

Какие виды встречаются?

Свойства металлов во многом зависят от того, к какому виду тот или иной ингредиент относится. В этом ракурсе стоит выделить черные и цветные компоненты.

Чермет

Данная группа считается самой распространенной и востребованной в объемном ракурсе. Свое название они получили благодаря своему цвету – темному. При этом отличительной особенностью черных руд считается низкая стоимость.

В свою очередь, классифицируется на:

железные – сюда стоит отнести железосодержащие материалы и основы, а также никелевые и кобальтовые сплавы;
тугоплавкие основания для сплавов (имеют температуру плавления равную или превышающую 1600 градусов Цельсия, что является достаточно высоким показателем);
низкопрочностные редкоземельные элементы, такие как церий, неодим и другие (активно используются в производстве микроэлектроники).

Цветмет

Принято считать, что эта группа элементов отличается меньшими прочностными характеристиками, температурой плавления, устойчивостью к механическим нагрузкам, но более солидной стоимостью. Понятно, что по всем этим позициям встречаются исключения.

Цветные ранжируют на следующие категории:

Легкие – литий, натрий и так далее. Они характеризуются небольшой плотностью – до 5 тонн на метр кубический. Это всего в 5 раз больше воды.
Тяжелые – свинец, серебро, золото. Их плотность в разы выше легких.
Благородные – те же золото и серебро, а также платина, плутоний.

Также поделить «цветные» разновидности можно на тугоплавкие и легкоплавкие.

Общие характеристики сплавов металлов

А сейчас мы рассмотрим общие свойства металлов и сплавов, которыми те характеризуются. Их же очень часто можно встретить в специализированной литературе.

Характеристика	Расшифровка
Прочность	Способность сплава противостоять механическим нагрузкам и противиться разрушению.
Твердость	Свойство, которое определяет сопротивляемость материала попыткам внедрить в его толщу деталь из другого сплава или металла.
Упругость	Способность к восстановлению начальной формы после приложения значительного механического усилия, нагрузки.
Пластичность	Напротив, это свойство, характеризующее возможность изменения формы и размером под действием приложенного усилия, механической нагрузки. Кроме того, это оно же характеризует способность детали сохранять вновь приобретенную форму на протяжении длительного времени.
Вязкость	— способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) нагрузкам

Вот какими качествами характеризуются сплавы металлов. Таблица поможет вам в них разобраться.

Механические свойства

Основными механическими свойствами металлов является их твердость, упругость, прочность, вязкость и пластичность.

При соприкосновении двух металлов могут образоваться микро вмятины, но более твердый металл способен сильнее противостоять ударам. Такая сопротивляемость поверхности металла ударам извне и есть его твердость.

Чем же твердость металла отличается от его прочности. Прочность, это способность металла противостоять разрушению под действием каких-либо других внешних сил.

Под упругостью металла понимается его способность возвращать первоначальную форму и размер, после того как нагрузка, вызвавшая деформацию металла устранена.

Способность металла менять форму под внешним воздействием называется пластичностью.

Механические свойства металлов

Прочность металлов

Прочность

— свойство твердых тел сопротивляется разрушению, а также необратимыми изменениями формы. Основным показателем прочности является временное сопротивление, определяемое при разрыве цилиндрического образца, предварительно подвергнутого отжигу.

По прочности металлы можно разделить на следующие группы:

непрочные металлы

— (временное сопротивление не превышает 50 МПа) — олово, свинец, висмут, а также мягкие щелочные металлы.

прочные металлы

— (от 50 до 500 МПа) — магний, алюминий, медь, железо, титан и другие металлы, составляющие основу важнейших конструкционных сплавов

высокопрочные металлы

— (более 500 МПа) — молибден, вольфрам, ниобий и др.

К ртути понятие прочности неприменимо, поскольку это жидкость.

Временное сопротивление металлов указано в таблице 10.

Таблица 10. Прочность металлов

Металл	Временное сопротивление, МПа	Металл	Временное сопротивление, МПа
Титан	580	Цинк	120-140
Железо	200-300	Алюминий	80-120
Медь	200-250	Золото	120
Магний	120-200	Олово	27
Серебро	150	Свинец	18

Пластичность металлов

Пластичность

— свойство твердых тел сохранять часть деформации при снятии нагрузок, которые их вызвали. В качестве показателя пластичности выборочно относительное удлинение, определяемое при тех же испытаниях, что и временное сопротивление.

По степени пластичности металлы принято подразделять следующим образом:

высокопластичные металлы

— (относительное удлинение превосходит 40 %) — металлы, составляющие основу большинства конструкционных сплавов (алюминий, медь, железо, титан, свинец) и «легкие» металлы (натрий, калий, рубидий идр.)

пластичные металлы

— (относительное удлинение лежит в диапазоне между 3% и 40%) — магний, цинк, молибден, вольфрам, висмут и др. (наиболее обширная группа)

хрупкие металлы

— (относительное удлинение меньше 3%) — хром, марганец, кольбат, сурьма.

Высокая очистка хрупких металлов несколько повышает пластичность. Сплавы, полученные на их основе, почти не поддаются обработке давлением. Промышленные изделия из них часто получают путем литья. Относительное удлинение металлов характеризует таблица 11.

Таблица 11. Пластичность металлов

Металл	Относительное удлинение, %	Металл	Относительное удлинение, %
Золото	65	Титан	50
Серебро	65	Олово	40
Свинец	65	Алюминий	30-40
Медь	50-60	Цинк	30
Железо	40-50	Магний	10-22

Твердость

Твердость

— характеристика материала, отражающая его прочность и пластичность, определяемая путем вдавливания шарика (метод Бринелля) или призмы (метод Виккерса). Количественный оценкой твердости является число твердости НВ, равное отношению нагружения (Н) к площади поверхности отпечатка (мм2).

Значения твердости металлов по Бринеллю приведена в таблице 12.

Таблица 12. Твердость металлов

Металл	НВ	Металл	НВ
Титан	160	Алюминий	16-25
Железо	70-80	Серебро	25
Магний	30-40	Золото	18
Медь	40	Олово	5
Цинк	33	Свинец	4

Модуль продольной упругости

Модуль продольной упругости, модуль Юнга, Е

— определяет жесткость металла, т.е. интенсивность увеличения напряжения по мере увеличения упругости деформации.

Таблица 13. Модуль Юнга металлов при 20 oС

Металл	*Е 10-5, МПа**	Металл	*Е 10-5, МПа**
Железо	2,17	Золото	0,83
Цинк	1,30	Алюминий	0,72
Медь	1,25	Олово	0,55
Титан	1,08	Магний	0,45
Серебро	0,83	Свинец	0,18

Литература по прочности

Гуль В. Е., Структура и прочность полимеров, 3 изд., М., 1978;
Разрушение, пер. с англ., т. 1, М., 1973;
Регель В. Р., Слуцкер А. И., Томашевский Э. Е., Кинетическая природа прочности твердых тел, М., 1974.

к библиотеке к оглавлению FAQ по эфирной физике ТОЭЭ ТЭЦ ТПОИ

Знаете ли Вы,

что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Самые необычные металлы

К категории необычные металлы стоило бы отнести тантал. Это дорогой и редкий металл. За 1 килограмм тантала, в зависимости от его чистоты, можно получить от 500 до 4500 долларов

Именно из-за сложностей в получении чистого такого металла в чистом виде он был назван в честь героя греческих мифов, который постоянно пытался достать хотя бы небольшое количество пищи и воды.
Говоря про самые интересные металлы, важно отметить и индий. Если бы драгоценные металлы были личностями, то индий ассоциировался бы с плаксивым ребенком

Этот металл достаточно мягкий и внутри имеет тон индиго внутри. Также он издает специфические звуки в момент сгибания.
Титан – это удивительный и мистический металл, который назвали в честь царицы фей. Он легкий, подобно воздушные крылья феи. Возможно из-за данной специфической особенности титана и зародилось его название.

Читай также: Первые пазлы придумал учитель географии Джон Спилсбери в 1761 году

Галлий — металл, который плавится в руках

Существование жидких металлов и их способность принимать жидкообразное состояние при высоких температурах — это занимательный мир общепризнанных фактов. Но достаточно необычным явлением считается твёрдый металл, который тает в руках как мороженое. Это касается галлия.

Этот метал способен расплавиться уже при комнатной температуре и для обычного практического использования он считается непригодным.

Он полностью растворяется на глазах человека, если разместить любое изделие из галлия в стакане с горячей водой.

Еще данный тип металла может придать алюминию необычайной хрупкости. Для этого стоит поместить небольшую каплю галлия на железо.

Нитинол — металл, обладающий памятью

Нитинол – это необычный сплав никеля и титана. Он имеет невероятную способность, которая заключается в «запоминании» присущей ему изначальной формы и в восстановлении ее после деформирования. Для этого потребуется лишь немного тепла.

Достаточно лишь нескольких капель тёплой воды, чтобы данный сплав принял исходное состояние даже после достаточно сильного искажения первоначальной формы.

На сегодняшний день разработано много способов для практического применения такого материала в технике. Успешно применяется этот металл в медицине, в особенности, при лечении пациентов с заболеваниями и травмами, связанными с опорно-двигательной системой.

Ртуть — жидкий металл

После того как впервые открыли ртуть, она начала называться «argentum vivum», что переводится как «живое серебро». Такое специфическое название характеризует этот металл. Ртуть представляет из себя жидкость, которая растекается быстрее, чем вода, но при этом она достаточно тяжелая. Так, к примеру, наполненное ртутью ведро может иметь вес 130 кг.

Ртуть считается редким видом металлов, и чаще всего его находят в горной породе, которая была образована при извержении. Ртуть добывается и из руды при ее нагревании.

Известный путешественник Марко Поло, когда ему пришлось описывать жизнь йогов, упоминал о необыкновенном напитке, который готовился из ртути и серы. По словам людей, занимающихся йогой, они пьют такой напиток с детских лет и тем самым существенно продлевают собственную жизнь.

Упоминания о данном металле есть и в индийском эпосе. Там речь касается виманов – особенных летательных аппаратов, которые использовались богами, принцами или демонами. Топливо для таких аппаратов создавалась из рисового настоя, мёда, «сома» и ртути.

Калифорний 252 — самый дорогой металл

Калифорний впервые искусственно получили в 1950 в Калифорнийском университете в Беркли. Его извлекли из продукции длительного облучения плутония нейтронами в ядерном реакторе.

Ввиду крайне непростого способа получения на сегодня этот металл считают самым дорогим. Его стоимость доходит до 27 млн долларов за один грамм.

Запас калифорния на планете Земля составляет всего несколько грамм, потому что производят данный металл только на 2 реакторах – в США и России по 20-40 микрограммов в год.

Алюминиевые сплавы

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

Алюминиевые сплавы подразделяют на:

1. - Литейные (с кремнием). Применяются для получения обычных отливок.
  - Для литья под давлением (с марганцем).
  - Увеличенной прочности, обладающие способностью к самозакаливанию (с медью).

https://youtube.com/watch?v=5v8kGT8HK5c

Основные преимущества соединений алюминия:

1. - Доступность.
  - Малый удельный вес.
  - Долговечность.
  - Устойчивость к холоду.
  - Хорошая обрабатываемость.
  - Электропроводность.

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

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

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

Слитки из алюминиевых сплавов

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

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

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.

Слесарное дело

§ 1. Физические и химические свойства металлов и сплавов

В зависимости от назначения изготовляемых изделий металлы и сплавы должны обладать определенными свойствами. Чтобы судить о том, будет ли данный металл или сплав пригоден для изготовления той или иной детали, нужно знать, какие свойства он имеет.

Свойства металла разделяют на физические, химические, механические и технологические.

К физическим свойствам относятся: удельный вес, температура плавления (плавкость), тепловое расширение, электропроводность, электросопротивление, теплопроводность, теплоемкость, способность намагничиваться и др.

Удельным весом металла или сплава называется вес 1 см3 его, выраженного в граммах.

Наименьший удельный вес из всех металлов имеет литий (0,53 Г/см3), магний (1,74 Г/см3), цезий (1,83 Г/см3) и алюминий (2,7 Г/см3).

Тепловое расширение — это способность металлов и сплавов расширяться, т. е. изменять объем и линейные размеры при нагревании.

Способность металла изменять объем и линейные размеры в процессе нагревания и охлаждения нужно учитывать при конструировании и изготовлении точных измерительных инструментов, при горячей штамповке металлов, застывании отливок и во многих других случаях.

Увеличение (приращение) единицы объема металла при повышении его температуры на 1°С называется коэффициентом объемного расширения.

Увеличение (приращение) единицы длины металла при повышении его температуры на 1°С называется коэффициентом линейного расширения.

Температурой плавления называется температура, при которой металл при нагревании переходит из твердого состояния в жидкое. Каждый металл в чистом виде имеет свою определенную температуру плавления. В зависимости от температуры плавления металлы и сплавы делятся на тугоплавкие, обладающие высокой температурой плавления, и легкоплавкие, имеющие низкую температуру плавления.

Температуру плавления металлов учитывают при плавке металлов, изготовлении отливок и нагревающихся в работе деталей машин (например, подшипников скольжения и др.), при паянии, лужении, сварке.

Электропроводностью называется способность металлов и сплавов проводить электрический ток. Сплавы, как правило, обладают меньшей электропроводностью, чем чистые металлы.

Электросопротивлением называется способность металлов сопротивляться прохождению через них электрического тока, характеризуется удельным сопротивлением в омах, показывающим величину сопротивления прохождению тока по проводнику длиной 1 м и сечением 1 мм2.

Теплопроводность — свойство металла проводить тепло. Лучшие проводники электрического тока являются вместе с тем и лучшими проводниками тепла. Теплопроводность металлов и сплавов измеряется количеством тепла, которое проходит по металлическому стержню сечением 1 см2 за одну минуту.

Удельная теплоемкость — это количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 кг металла на 1°С.

Некоторые металлы и сплавы обладают магнитными свойствами. Способность металла намагничиваться оценивается величиной, называемой магнитной проницаемостью. Магнитная проницаемость воздуха принята за единицу, а у железа она составляет 2000—3000 единиц. У меди и алюминия магнитная проницаемость близка к единице.

К химическим свойствам металлов и их сплавам относятся окисляемость, растворяемость и коррозионная стойкость. Особенно важна коррозионная стойкость для деталей, приборов и машин, работающих в агрессивных средах (кислоты, щелочи, растворы солей и др.).

Коррозии, т. е. разрушению в результате действия внешней среды — воздуха, влаги, химических веществ и т. д.,— подвержено в большей или меньшей степени большинство металлов и сплавов, кроме так называемых благородных металлов (золото, платина и некоторые другие). Виды коррозии и меры борьбы с ней изложены в главе VIII.

Основные виды сплавов

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

Сталь — это вещество на основе железа, содержащее не более 2,4% углерода, применяется для изготовления деталей и корпусов промышленных установок и бытовой техники, водного, наземного и воздушного транспорта, инструментов и приспособлений. Стали отличаются широчайшим диапазоном свойств. Общие из них — прочность и упругость. Индивидуальные характеристики отдельных марок стали определяются составом легирующих присадок, вводимых при выплавке. В качестве присадок используется половина таблицы Менделеева, как металлы , так и неметаллы. Самые распространенные из них — хром, ванадий, никель, бор, марганец, фосфор.

Легированная сталь

Если содержание углерода более 2,4% , такое вещество называют чугуном. Чугуны более хрупкие, чем сталь. Они применяются там, где нужно выдерживать большие статические нагрузки при малых динамических. Чугуны используются при производстве станин больших станков и технологического оборудования, оснований для рабочих столов, при отливке оград, решеток и предметов декора. В XIX и в начале XX века чугун широко применялся в строительных конструкциях. До наших дней в Англии сохранились мосты из чугуна.

Чугунные радиаторы

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

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

Желтая латунь

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

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

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