Химические соединения сплавов металлов

Сплавы. Характеристика химических соединений.

Чистые металлы в большинстве случаев не обеспечивают требуемого комплекса механических и технологических свойств и поэтому редко применяются для изготовления изделий. Некоторое применение имеет, например, медь. Главным образом для изготовления проводников электричества. В большинстве случаев в технике применяются сплавы.

Чаще используют металлические сплавы. Металлическим сплавом называется вещество, состоящее из двух или более элементов (металлов или металлов с металлоидами), обладающее металлическими свойствами. Обычным способом приготовления сплавов является сплавление, но иногда применяют спекание, электролиз или возгонку.

Элементы, из которых образован сплав, называют его компонентами.

В жидком состоянии компоненты сплава в большинстве случаев полностью растворимы друг в друге и представляют собой жидкий раствор, в котором атомы различных элементов равномерно перемешаны друг с другом.

В твёрдом виде сплавы способны образовывать твёрдые растворы, химические соединения, механические смеси.

При образовании химического соединения: а) соотношение чисел атомов элементов соответствует стехиометрической про­порции, что может быть выражено простой формулой (в общем виде химическое соединение двух элементов можно обозначить А_пВ_т);б) образуется специфическая (отличная от элементов, составляющих химическое соединение) кристаллическая решет­ка с упорядоченным расположением в ней атомов компонентов.

Химическое соединение также характеризуется определен­ной температурой плавления (диссоциации), скачкообразным изменением свойств при изменении состава (так называемой сингулярностью свойств).

Так, в кристаллической решетке NaCl, приведенной на рис. 2, а и б, ионы натрия образуют решетку куба с центрированными гранями. Такую же решетку образуют и ионы хлора, но она сдвинута на половину периода против решетки из ионов натрия.

Рисунок 2 — Кристаллическая решетка:

а, б – соединение NaCl; в — соединение Cu₂MnSn

Естественно, что при этом выдерживается стехиометрическое соотношение Na:Cl=l:l. Таким образом, даже в кристаллической решетке химического соединения нет молекул. Следует все же отметить, что некоторые кристаллические вещества по­строены из четко различимых в структуре молекул. К числу таких молеку­лярных кристаллов относятся кристаллы многих органических веществ и т. д. Однако в металлических фазах такие молекулярные кристаллы не встре­чаются.

Стехиометрия соединения определяется упорядоченным расположением атомов. Если атом А окружен таким же числом атомов В, как число ато­мов А, окружающих атом В, то стехиометрическое соотношение выражается как АВ (пример соединения NaCl).

Если строение кристаллической решетки таково, что число атомов А, окружающих каждый атом В, в двое меньше , чем число атомов В, окружающих атом А, то формула химического соединения будет АВ₂ и т.д.

Если химическое соединение образуется только металличе­скими элементами, то в узлах решеток располагаются положи­тельно заряженные ионы, удерживаемые электронным газом, т е в данном случае так называемая металлическая связь.

Такая связь не является жесткой, и поэтому при определен­ных условиях количество какого-либо элемента может быть большим или меньшим, чем это соответствует стехиометрическому соотношению элементов по формуле данного химическо­го соединения. По этой же причине образование химических соединений из металлических атомов не подчиняется закону валентности.

На рис. 2, в представлены кристаллическая решетка тройного химиче­ского соединения Cu₂MnSn. Элементарная ячейка Cu₂MnSn состоит из 8 атомов меди, 4 атомов марганца и 4 атомов олова.

8 угловых атомов меди принадлежат решетке на 1/8; 6 атомов, центри­рующих грани,— на 1/2; 12, расположенных на середине ребер,— на 1/4 и 1 атом в центре принадлежит этой решетке полностью; следовательно, в изо­браженной на рис. 2,в элементарной ячейке 8 атомов меди, 4 атома марган­ца и 4 атома олова расположены внутри решетки и принадлежат ей полно­стью. Стехиометрическое соотношение атомов в этом соединении может быть выражено формулой Cu₈Mn₄Sn₄ или Cu₂MnSn.

При образовании химического соединения металла с неме­таллом возникает ионная связь.

В результате взаимодействия элементов в этом случае атом металла отдает электроны (валентные) и становится положи­тельным ионом, а атом металлоида принимает электроны на свою внешнюю оболочку и становится отрицательным ионом. В решетке химического соединения такого типа элементы удер­живаются электростатическим притяжением.

Химический состав вещества при наличии этой связи обуслов­ливается законом валентности — наличием (валентных) электронов и достроенностью электронных орбит у всту­пающих в соединения элементов.

В соединениях такого типа связь жесткая и химический со­став постоянный и точно соответствующий стехиометрическому соотношению, т. е. не может быть ни избытка, ни недостатка в атомах какого-либо из элементов, образующих такое химиче­ское соединение. [2] с.17

3. Построение кривых охлаждения и нагревания стали с содержанием углерода 0,7 %, чугуна с содержанием углерода 3,7 %. Описать структурные превращения.

При охлаждении стали, содержащей 0,7 % С, в ней происходят следующие превращения.

До 1500 о сталь охлаждается быстро, так как кристаллизация в ней не происходит. Кривая охлаждения круто опускается вниз.

При 1500 о по линии ликвидуса в точке I из жидкого раствора кристализуется аустенит, так как в жидком растворе лишним по отношению к эвтектике является железо. Процесс первичной кристаллизации продолжается до 1390 о . При этом скорость охлождения снижается потому, что выделяется теплота,связанная с кристаллизацией. Кривая охлаждения становится более пологой.

В точке 2 на линии солидуса при температуре 1390 о сталь полностью кристаллизуется и состоит из одного аустенита.

При понижении температуры до точки 3 (790 о ) никаких изменений в стали не происходит, т.е. кристаллизация не происходит. Сталь охлаждается быстрее и кривая на этом участке становится круче.

В точке 3 при температуре 790 о С начинается вторичная кристаллизация. Из твёрдого раствора-аустенита кристализуется феррит, так как в заданной стали лишним по отношению к эвтектоиду-перлиту является железо. Кристаллизация феррита продолжается до 727 о . В интервале температур 790 о – 727 о скорость охлаждения снижается потому, что выделяется теплота, связанная с кристаллизацией феррита. Кривая охлаждения становится более пологой.

При 727 о оставшийся аустенит приобретает эвтектоидную концентрацию (0,8% углерода) и при постоянной температуре превращается в перит. На кривой охлаждения образуется горизонтальный участок.

При дальнейшем охлаждении содержание углерода в твёрдом растворе – феррите уменьшается. Из него кристаллизуется третичный цементит. В связи с кристаллизацией охлаждение несколько замедлится, что соответственно отразится на наклоне кривой охлаждения.

При 210 о происходит магнитное превращение цементита.

Рисунок 3 – Диаграмма состояния Fe – Fe₃C и кривая охлаждения

При охлаждении чугуна, содержащего 3,7% С, в нём происходят следующие превращения.

До температуры 1240 о чугун охлаждается быстро, так как кристаллизация в нём не происходит. Кривая охлаждения круто опускается вниз.

При 1240 о начинается первичная кристаллизация. Из жидкого раствора кристаллизуется аустенит, так как в жидком растворе лишним по отношению к эвтектике является железо. Процесс кристаллизации продолжается до 1147 о . При этом скорость охлаждения снижается потому, что выделяется теплота, связанная с кристаллизацией аустенита. Кривая охлаждения становится более пологой.

При 1147 о оставшийся жидкий раствор приобретает эвтектическую концентрацию (4,3% С) и при постоянной температуре превращается в ледебурит. На кривой охлаждения образуется горизонтальный участок.

При дальнейшем охлаждении от 1147 о до 727 о в аустените, как свободном, так и входящем в состав ледебурита, содержание углерода уменьшается. Из аустенита кристаллизуется вторичный цементит. В связи с кристаллизацией охлаждение замедляется, но меньше, чем в интервале температур 1240 о – 1147 о , что соответственно отражается на наклоне кривой охлаждения.

При 727 о аустенит приобретает эвтектоидную концентрацию (0,8% С) и при постоянной температуре превращается в перлит. На кривой охлаждения образуется горизонтальный участок.

При дальнейшем охлаждении кристаллизация не происходит. Сплав охлаждается быстро, кривая охлаждения по сравнению с интервалом 1147 о – 727 о становится круче.

При 210 о происходит магнитное превращение цементита.

Рисунок 4 — Диаграмма состояния Fe – Fe C и кривая охлаждения

Таблица 1 Основные характеристики структурных составляющих

Структура и составляющие и их строение

Свойства

Однофазные Феррит—твердый раствор внедрения углерода в α -железо. Как и α-железо, имеет объемноцентрированную решетку. При температуре 727°С α-железо рас­творяет до 0,025%С, а при 20°С—до 0,006%С. Микроструктура феррита— однородные зерна А у с т е н и т—твердый раствор внедре­ния углерода в железо. Как и γ-железо, имеет гранецентрированную решет­ку. При температуре 1147°С γ -железо растворяет до 2,14% С, а при 727°С – 0,8% С. Микроструктура аустенита— характерные зерна с двойниками Цемент и т—химическое соединение железа с углеродом, карбид железа Fe3C. Содержит 6,67% С. Имеет слож­ную кристаллическую решетку Двухфазные Перлит—эвтектоидная смесь, обра­зующаяся при распаде медленно охла­ждающегося аустенита, состоит из пла­стинок или зернышек цементита на фер-ритной основе. Перлитная структура стали образуется при 0,8% С Л е д е б у р и т—эвтектическая смесь, состоящая при температуре выше 727°С из смеси аустенита и цементита, а ниже 727°С—из смеси перлита и цементита. Ледебуритная структура чугуна , обра­зуется при 4,3% С

Сталь с ферритной структурой имеет свой­ства, близкие к свойствам железа: НВ≈80 кгс/мм 2 ; σв ≈ 28 кгс/мм 2 ; δ≈ 40%; ан≈30 кгс м/см 2 . С увеличением размера зерен пластичность и особенно вязкость снижаются. До 770°С феррит ферромагнитен, а выше—парамагнитен. Аустенит устойчив при высоких темпера­турах. Медленно охлаждаясь, распадается, образуя эвтектоидную смесь феррита и це­ментита—перлит. При обычных температу­рах аустенит получают легированием и за­калкой. Обладает высокой вязкостью. Имеет низкий предел текучести при срав­нительно высоком пределе прочности. Парамагнитен Цементит — самая твердая и крупкая структурная составляющая железоуглероди­стых сплавов. Твердость в переводе на единицы Бринелля BH ≈800 кгс/мм 2 Механические свойства перлита определя­ются формой и дисперсностью ‘ частиц цементитной фазы. Чем мельче смесь, тем выше механические свойства. Пластинчатый перлит имеет НВ≈180 220 кгс/мм 2 ; σв ≈80 кгс/мм 2 ; δ=10%. Зернистый пер­лит имеет: НВ≈160 200 кгс/мм 2 , σв≈ ≈65кгс/мм 2 , δ=20%. Сталь со структурной зернистостью пер­лита имеет более высокую вязкость и лучшую деформируемость Ледебурит — твердая и хрупкая струк­турная составляющая. При обычных тем­пературах твердость ледебурита в едини­цах Бринелля НВ≈650 кгс/мм 2

1. Технология металлов и конструкционные материалы: под общ. ред. Б.А. Кузьмина – М.: Машиностроение, 1989. 496 с.

2. Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева — Материаловедение: — М.: Машиностроение, 1980. 493 с.

3. Кузьмин Б.А. – Металлургия, металловедение и конструкционные материалы. Учебник для техникумов: – М.: Высшая школа , 1977. 304 с.

4. А.П. Гуляев – Металловедение: — М.: Металлургия , 1978. 648 с.

5. Технология конструкционных материалов: под общ. ред. О.С. Комарова: — Мн.: Новое знание, 2005. 560 с.

6. Металловедение: А.И. Самохоцкий, М.Н. Кунявский и др. под ред. Е.В. Эхиной – М.: Металлургия, 1990. 416 с.

Источник

Сплавы металлов

Металлы используются человеком уже много тысячелетий. По именам металлов названы определяющие эпохи развития человечества: Бронзовый Век, Железный Век, Век Чугуна и т.д. Ни одно металлическое изделие из числа окружающих нас не состоит на 100% из железа, меди, золота или другого металла. В любом присутствуют сознательно введенные человеком добавки и попавшие помимо воли человека вредные примеси.

Абсолютно чистый металл можно получить только в космической лаборатории. Все остальные металлы в реальной жизни представляют собой сплавы — твердые соединения двух или более металлов (и неметаллов), полученные целенаправленно в процессе металлургического производства.

Классификация

Металлурги классифицируют сплавы металлов по нескольким критериям:

1. метод изготовления:
   • литые;
   • порошковые;
2. технология производства:
   • литейные;
   • деформируемые;
   • порошковые;
3. однородность структуры:
   • гомогенные;
   • гетерогенные;

Виды сплавов по их основе

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

Металл, имеющий наибольшую массовую долю, называют основой.

Свойства сплавов

Свойства, которыми обладают металлические сплавы, подразделяются на:

1. Структурно — нечувствительные. Они обуславливаются свойствами компонентов, и их процентным содержанием. К ним относятся :
   • плотность;
   • температура плавления;
   • тепловые и упругие характеристики;
   • коэффициент термического расширения;
2. структурно — чувствительные. Определяются свойствами элемента — основы.
3. https://youtu.be/qgzo40bfL1o
4. Все сплавные материалы в той или иной мере проявляют характерные металлические свойства:
   • блеск;
   • пластичность;
   • теплопроводность;
   • электропроводность.
5. Кроме того, свойства подразделяют на:
   • Химические, определяемые взаимоотношениями материала с химически активными веществами.
   • Механические, определяемые взаимодействием с другими физическими телами.

Для количественного выражения этих свойств вводят специальные физические величины и константы, такие, как предел упругости, модуль Гука, коэффициент вязкости и другие.

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.

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.

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.

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.

Цинковые сплавы

Сплавы на основе цинка отличаются низкими температурами плавления, стойкостью к коррозии и отличной обрабатываемостью. Они применяются в машиностроении, производстве вычислительной и бытовой техники, в издательском деле. Хорошие антифрикционные свойства позволяют использовать цинковые сплавы для вкладышей подшипников.

Титановые сплавы

Титан не самый доступный металл, он сложен в производстве и тяжело обрабатывается. Эти недостатки искупаются его уникальными свойствами титановых сплавов: высокой прочностью, малым удельным весом, стойкостью к высоким температурам и агрессивным средам. Эти материалы плохо поддаются механической обработке, но зато их свойства можно улучшить с помощью термической обработки.

Легирование алюминием и небольшими количествами других металлов позволяет повысить прочность и жаростойкость. Для улучшения износостойкости в материал добавляют азот или цементируют его.

Область применения титановых сплавов

Металлические сплавы на основе титана используются в следующих областях:

Алюминиевые сплавы

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

Трудно назвать отрасль человеческой жизнедеятельности, в которой бы не встречались изделия или детали из этого легкого металла.

Алюминиевые сплавы подразделяют на:

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

Основные преимущества соединений алюминия:

1. 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.

Медные сплавы

Обычно под медными сплавами понимают различные марки латуни. При содержании цинка в 5-45% латунь считается красной (томпак), а при содержании в 20-35%- желтой.

Благодаря отличной обрабатываемости резанием, литьем и штамповкой латунь — идеальный материал для изготовления мелких деталей, требующих высокой точности. Шестеренки многих знаменитых швейцарских хронометров сделаны из латуни.

Малоизвестный сплав меди и кремния называют кремнистой бронзой. Он отличается высокой прочностью. По некоторым источникам, из кремнистой бронзы ковали свои мечи легендарные спартанцы. Если вместо кремния добавить фосфор, то получится отличный материал для производства мембран и листовых пружин.

Твердые сплавы

Это устойчивые к износу и обладающие высокой твердостью материалы на основе железа, к тому же сохраняющие свои свойства при высоких температурах до 1100 о С.

В качестве основной присадки применяются карбиды хрома, титана, вольфрама, вспомогательными являются никель, кобальт, рубидий, рутений или молибден.

Основными сферами применения являются:

1. 1. • Режущий инструмент (фрезы, сверла, метчики, плашки, резцы и т.п.).
      • Измерительный инструмент и оборудование (линейки, угольники, штангенциркули рабочие поверхности особой ровности и стабильности).
      • Штампы, матрицы и пуансоны.
      • Валки прокатных станов и бумагоделательных машин.
      • Горное оборудование (дробилки, шарошки, ковши экскаваторов).
      • Детали и узлы атомных и химических реакторов.
      • Высоконагруженные детали транспортных средств, промышленного оборудования и уникальных строительных конструкций, таки, например, как башня Бурж — Дубай.

Области применения твердых сплавов

Существуют и другие области применения твердосплавных веществ.

Источник