Металлы и металлические сплавы

Учебные вопросы:
1. Металлы и металлические сплавы.
2. Черные металлы и сплавы.
2.1. Состав сталей и чугунов.
2.2. Углеродистые и легированные стали.
2.3. Чугуны.
3. Цветные металлы и сплавы.
3.1. Медь и её сплавы.
3.2. Алюминий и сплавы на его основе.
3.3. Твердые сплавы.

1-й учебный вопрос:
Металлы и металлические сплавы.

1.1. Общие положения:
Металлы – это материалы, состоящие из одного химического
элемента (простые вещества – из одного химического элемента) и
имеющие специфические металлические свойства.
Сплавы – это материалы, состоящие из двух и более химических
элементов (веществ), полученные из жидкого агрегатного
состояния.
Металлические сплавы – это материалы, имеющие специфические
металлические свойства.
Важнейший признак металла: σ при Т
Металл – слово греческого происхождения. Первоначально оно обозначало: рудник, шахта, раскопки,
материал, добытый из-под земли.
М.В. Ломоносов: металл – "светлое тело, которое ковать можно".
Ковкость – свойство металлов и сплавов (или других веществ) изменять форму под воздействием давления (прокатка, волочение, прессование, штамповка) без разрушения. Характеризуется пластичностью и сопротивлением деформации.
В некоторых случаях ковкость увеличивается при повышении температуры.
Специфические свойства металлов: блеск, пластичность,
высокая теплопроводность, низкая теплоемкость,
высокая электропроводность.
Свойства обусловлены «металлической» связью между
структурными элементами: свободно перемещающиеся электроны
(электронный "газ"), удерживающие в узлах кристаллической решетки
положительно заряженные ионы.

аа
аа
Кристаллическая решетка натрия.
(монокристалл)
Выделена одна элементарная ячейка.
Построения пространственной решетки кристалла путем параллельных переносов элементарной ячейки по трем осям
Металлы и сплавы – кристаллические материалы.
(металлические)
Кристаллический материал – материал с кристаллической структурой, когда существует ближний и дальний порядок
расположения составляющих структурных элементов.
Понятия:
1. Элементарная ячейка.
2. Монокристалл (кристаллит).
3. Кристаллический материал
(поликристаллический – материал из
кристаллитов).
Параметры элементарной ячейки:
1. длина граней (сторон) – а, b, c;
2. углы между гранями – α, β, γ;
3. координационное число
(число атомов, находящихся на наиболее близком и равном
расстоянии от любого выбранного атома в решетке).

Четырнадцать решеток Браве
Браве (Bravais) Огюст (1811— 1863), французский физик и кристаллограф.
Нашел (1848) основные виды пространственных решёток кристаллов.
К чему приводит
разное расстояние между атомами в элементарной ячейке ?
Сингонии (системы): триклинная – косоугольный параллелепипед со сторонами a≠b≠c и углами α≠β≠γ≠ 90°.
моноклинная – параллелепипед a≠b≠c, α=γ= 90°, β≠ 90°;
ромбическая – параллелепипед a≠b≠c, α=β=γ= 90°;
тетрагональная – параллелепипед a=b≠c, α=β=γ= 90°;
тригональная – куб, вытянутый вдоль пространственной диагонали, a=b=c, α=β=γ≠ 90°;
гексагональная – из трех призм с основанием в форме ромба a=b≠c, α=β= 90°, γ= 120°;
кубическая – куб a=b=c, α=β=γ= 90°.
Кристаллические решетки:
ГЦК ОЦК

Анизотропия (от греч. ánisos – неравный и tróроs – направление) – зависимость физических свойств вещества (механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических и др.) от направления воздействия.
Естественная (природная) – монокристаллы; древесина.
Искусственная: структурная (композиты); от внешнего воздействия.
Изменение формы кристаллического шара (штрихи)
при нагревании
а – , ан – , ант – ,
анти – , де –
части слова, придающие ему противоположный смысл:
логично – алогично,
изотропия – анизотропия,
Арктика – Антарктика,
циклон – антициклон,
монтаж – демонтаж.
исходный
размер

Монокристаллы анизотропны.
Феррит
(структурная фаза стали)
Кристаллический материал –
совокупность хаотично расположенных кристаллитов (зёрен).
Кристаллические материалы изотропны.
направление
оси кристаллита
Аморфные материалы изотропны
Элементарная ячейка
монокристалла
самородной меди
(гранецентрированный куб).
Атомы расположены по углам куба и
в центре каждой его грани.

ПОЛИМОРФИЗМ
Полиморфизм железа
α - Fe до 723 оС
объемноцентрированный куб
растворимость углерода до 0,02%
γ - Fe при 917 ÷ 1394 °C
гранецентрированный куб
растворимость углерода до 2,14%
( ≈ в 107 раз больше )
Положительные последствия полиморфных превращений
(термообработка материалов)
Отрицательные последствия полиморфных превращений
на 27 % увеличивается удельный объем,
металл рассыпается
(«оловянная чума»)

3.2.
Черные металлы и сплавы – железо и его сплавы (стали, чугуны, ферросплавы).
Остальных металлы и сплавы на их основе – цветные.
Черные металлы и сплавы составляют более 90 % всего объёма, используемых в экономике металлов и сплавов, из них основную часть составляют различные стали.
1.2. Классификация металлов и сплавов

Сталь – сплав железа с углеродом при содержании
углерода ≈ до 2 %.
Чугун – сплав железа с углеродом при содержании
углерода ≈ от 2 до 6,7 %.
2-й учебный вопрос.
Черные металлы и сплавы.
2.1. Состав сталей и чугунов.

Однофазные структуры сплавов железа с углеродом:
феррит – твердый раствор внедрения С в α-Fe;
аустенит – твердый раствор внедрения С в γ-Fe;
цементит – химическое соединение: Fe3C;
графит.
Двухфазные структуры сплавов:

Однофазные микроструктуры стали
Аустенит
НВ = 200÷250 кг/мм2, ε = 40÷50%,
пластичный, мягкий
Феррит
НВ = 80÷100, σв = 30÷50, ε = 30÷40%,
пластичный, мягче чем аустенит
Цементит
НВ = 750÷830, σв = 3÷5, ε ≈ 0%, хрупок
Графит
НВ = 3÷5, σв ≈ 0, ε ≈ 0%

Двухфазные микроструктуры стали
Перлит (зернистый)
( феррит + цементит )
НВ = 150÷250, σв = 70÷130, ε = 10÷20%
Ледебурит
( перлит + цементит )
хрупок (много цементита)

2.2. Углеродистые и легированные стали
Классификация, маркировка, свойства.
Сталь – сплав железа с углеродом при содержании
углерода ≈ до 2 % ( 2,14 % ).

Углеродистые стали содержат:
1. железо;
2. углерод;
3. примеси.
Легированные стали содержат:
1. железо;
2. углерод;
3. примеси;
4. специально вводимые
легирующие добавки
( для чего вводят ? )

*) Индексы – степень раскисления при выплавке:
кп – кипящая; пс – полуспокойная; сп – спокойная.
2.2.1. Классификация и маркировка углеродистых сталей
2 ÷

Какая группа ?
Что означают
цифры?
2.2.2. Свойства углеродистых сталей
Цифры от 0 до 6 – условный номер марки стали.
С повышением номера стали возрастают:
пределы прочности (σв) и текучести (σт);
уменьшается относительное удлинение при разрыве (δ).

Цифры – содержание
углерода в сотых
долях %
Сталь 60

Углеродистые инструментальные стали
Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435–90) содержат 0,65–1,35% C.
Они маркируются буквой «У» и одной-двумя цифрами: У7–У13, У7А–У13А. Буква У означает, что сталь углеродистая, число показывает содержание углерода в десятых долях процента, буква А означает, что сталь высококачественная, т.е. с пониженным содержанием вредных примесей (серы и фосфора).
Сталь марки У10А: сталь углеродистая, инструментальная, высококачественная, содержит ≈ 1,0% С.
Инструментальные стали обладают высокой твердостью, прочностью, хорошо шлифуются при изготовлении инструмента, дешевы и недефицитны. Теплостойкость этих сталей составляет 150–250 °С
Окончательная термическая обработка включает закалку и отпуск. Структура закаленной стали состоит из мартенсита с мелкими карбидами.
Инструменты из этих сталей могут работать лишь при небольших скоростях резания до 15 – 18 м/мин.

2.2.3. Классификация
легированных
сталей.
стали
Легирование – введение в состав металлических сплавов специальных добавок для придания сплавам требуемых свойств.
Легирующие элементы – химические элементы, вводимые в сплав для придания ему требуемых свойств.

2.2.4. Свойства легированных сталей

Жаропрочность – способность материала сохранять в допустимых пределах свои механические свойства при высоких температурах.
Жаростойкость – способность материала сопротивляться газовой коррозии.
20Х18Н9Т
Состав, свойства и применение легированных сталей с особыми свойствами

2.3. Чугуны.
Классификация, маркировка и
свойства.
Чугун – сплав железа с углеродом при содержании углерода ≈ от 2 до 6,7 %.

2.3.1. Классификация и маркировка чугунов.
В зависимости от состояния углерода в чугуне, различают:
Серый чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в виде графита, что определяет серый, даже сажистый вид его поверхности на изломе.
Серый чугун можно рассматривать как структуру, которая состоит из металлической основы с графитными включениями.
Классификация серых чугунов по структуре металлической основы и
формы графитовых включений
Перлит
0,8 % С в виде цементита, остальной С
в виде графита
углерод в виде графита
Феррит + Перлит
< 0,8 % С – Fe3C, остальной углерод – графит
От формы графитных включений зависят свойства серого чугуна:
чугун с пластинчатым графитом –
хрупок (разрушается при ударе);
чугун с хлопьевидным графитом –
ковкий чугун;
чугун с шаровидным графитом –
высокопрочный чугун.
вермикулярный графит – графит, имеющий волокнистую (червеобразную) форму
*)
*)
Шаро-
видная
Хлопье-
видная

Маркировка чугунов
Серые чугуны маркируют буквами “СЧ” и цифрами:
первая – предел прочности при растяжении σвр ,
вторая – предел прочности при изгибе σви .
Размерность цифр прочности – кгс/мм2 или МПа/10 .
Пример: СЧ12 - 28 – серый чугун с σвр = 12 кгс/мм2 = 120 МПа;
σви = 28 кгс/мм2 = 280 МПа.
Высокопрочные чугуны маркируют буквами “ВЧ” и цифрами:
первая – предел прочности при растяжении σвр ,
вторая – относительное удлинение при разрыве δ (%).
Пример: ВЧ 60 - 2 – высокопрочный чугун с σвр = 60 кгс/мм2 = 600 МПа;
δ = 2%.
Ковкие чугуны маркируют буквами “КЧ” и цифрами:
первая – предел прочности при растяжении σвр ,
вторая – относительное удлинение при разрыве δ (%).
Пример: КЧ 38 - 8 – ковкий чугун с σвр = 38 кгс/мм2 = 380 МПа;
δ = 8%.
Справка: 10 МПа = 100 кгс/см2 = 1 кгс/мм2

Белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном
состоянии в виде цементита.
(только 0,03 - 0,30% С в виде графита)
Белый чугун очень хрупок и поэтому его перерабатывают в ковкий чугун путем высокотемпературного отжига в течение суток.
Увеличение пластичности чугуна обусловлено перераспределением углерода в металле, происходящим при отжиге: цементит Fe3C распадается на железо и хлопьевидный графит.
Белый чугун применяют
в изделиях, работающих на износ при очень высоких давлениях и чаще всего без смазки.
Отливки белого чугуна обладают жаростойкостью и коррозионной стойкостью.
Механические свойства белого чугуна
Показатель
Значение
Твердость НВ 370 - 480
Маркировка белых чугунов не установлена

2.3.2. Свойства чугунов
Прочность серых чугунов всех марок при сжатии значительно превышает
прочность при растяжении.
Механические свойства серых чугунов
Механические свойства
высокопрочных чугунов
Механические свойства ковких чугунов

3-й учебный вопрос.
Цветные металлы и сплавы.
Сплавы на основе меди, алюминия. Области применения.
Твердые сплавы.

3.1. Медь и её сплавы.
Медь – гранецентрированный куб, ρ = 8,94 г/см3, Тпл = 1083oС.
Характерные свойства: высокие электро– и теплопроводность, поэтому она находит широкое применение в электротехнике и теплообменной аппаратуре.
(медный самовар)
По чистоте медь подразделяют на:
Марка МВЧк MOO МО Ml М2 МЗ
Содержание Cu+Ag, не менее % 99,993 99,99 99,95 99,9 99,7 99,5
технически чистая медь
После обозначения марки указывают способ изготовления меди:
к – катодная, б – бескислородная, р – раскисленная.
Медь огневого рафинирования не обозначается.
МООк - технически чистая катодная медь, содержащая не менее 99,99% меди и серебра.
МЗ - технически чистая медь огневого рафинирования, содержит н.м. 99,5% Cu и Ag.
Механические свойства меди относительно низкие:
σв = 150…200 МПа, δ = 15…25 %.
Повышение механических свойств достигается созданием различных сплавов на основе меди.
Медные сплавы предназначены для изготовления деталей методами литья, называют литейными, а сплавы, предназначенные для изготовления деталей пластическим деформированием – деформируемыми.
Медные сплавы – это латуни и бронзы.

3.1.1. Латуни
Латуни – сплавы меди с цинком (до 45% Zn) и небольшими добавками
алюминия, кремния, свинца, никеля, марганца.
σв до 450 МПа ( у меди до 200 МПа).
Добавка Ni и Fe повышает механическую прочность до 550 МПа.
Латуни имеют хорошую коррозионную стойкость, которую можно повысить дополнительно присадкой олова. Латунь ЛО70-1 стойка против коррозии в морской воде и называется “морской латунью“.
Обрабатываемость резанием улучшается присадкой в состав латуни свинца, например, латунь марки ЛС59-1, которую называют “автоматной латунью”
Латуни являются хорошим материалом для конструкций, работающих при отрицательных температурах.
Маркировка:
Деформируемые латуни маркируют буквой Л, за которой следует число, показывающее содержание меди в процентах: Л62 содержится 62 % меди и 38 % цинка.
Если кроме меди и цинка, имеются другие элементы, то ставятся их начальные буквы:
О – олово, С – свинец, Ж – железо, Ф – фосфор, Мц – марганец, А – алюминий, С – свинец, Б – бериллий, Мг – магний, Ср – серебро, Мш – мышьяк, Ц – цинк.
Количество этих элементов – цифры после числа, показывающего содержание меди: ЛАЖ60-1-1 содержит 60 % меди, 1 % алюминия, 1 % железа и 38 % цинка (остальное).
Литейные латуни также маркируют буквой Л, после буквенного обозначения основного легирующего элемента (цинк) и каждого последующего ставится цифра, указывающая его усредненное содержание в сплаве:
ЛЦ23А6Ж3Мц2 содержит 23 % цинка, 6 % алюминия, 3 % железа, 2 % марганца.
Мнемоправило: деформация связана с растяжением, поэтому в маркировке деформируемых сплавов есть “ – “ .

3.1.2. Бронзы
Бронзы – сплавы меди с другими элементами кроме цинка.
цинк, если он есть в бронзе, полностью находится в твердом растворе и не обнаруживается под микроскопом,
цинк улучшает механические свойства бронзы и её жидкотекучесть
Название бронзы дается по основному легирующему компоненту.
Разнообразие легирующих компонентов разнообразие свойств сплавов.
Оловянистые бронзы – хороший антифрикционный материал (подшипники скольжения).
Свинцовые бронзы – высококачественный антифрикционный материал.
Алюминиевые бронзы – высокая прочность и жаропрочность.
Кремнистые бронзы – высокая устойчивость в щелочных средах и сухих газах (производство сточных труб,
газо- и дымопроводов).
Бериллиевые бронзы – высококачественный пружинный материал.
Маркировка:
Деформируемые бронзы: на первом месте буквы Бр, затем буквы, указывающие легирующие элементы в сплаве. После всех букв идут цифры, показывающие содержание соответствующего компонента в сплаве:
БрОФ10-0,3 содержит 10 % олова и 0,3 % фосфора, остальное – медь.
Литейные бронзы: на первом месте буквы Бр, затем буква, указывающая легирующий элемент, и цифра, показывающая его содержание в сплаве:
БрО3Ц12С5 содержит 3 % олова, 12 % цинка, 5 % свинца, остальное – медь.
Кремнистые и бериллиевые бронзы не дают искры при ударах

3.2. Алюминий и его сплавы.
Алюминий – гранецентрированный куб, ρ = 2,7 г/см3 , Тпл = 660oС.
Обладает высокой тепло- и электропроводностью.
На поверхности образуется плотная пленка Al2O3, предохраняет металл от коррозии.
σв = 150 МПа, δ = 50 %, Е = 7000 МПа.
Алюминий маркируют буквой А и цифрами, обозначающими доли процента свыше 99,0% Al.
В зависимости от степени частоты первичный алюминий бывает:
особой (А999), высокой (А995, А95) и технической чистоты (А85 и др.):
А999 - алюминий особой чистоты, в котором содержится не менее 99,999% Al;
А5 - алюминий технической чистоты в котором 99,5% алюминия.
Алюминиевые сплавы разделяют на:
1. деформируемые;
2. литейные;
3. спеченные.
Деформируемые сплавы не упрочняемые термообработкой – сплавы, содержащие Mn или Mg, существенно повышающие прочность сплава,
снижая его пластичность.
Маркировка: сплавы с марганцем – АМц, с магнием – АМг; после обозначения элемента указывается его содержание (АМг3).
Магний действует только как упрочнитель, марганец упрочняет и повышает коррозионную стойкость.
Прочность сплавов повышается только в результате деформации в холодном состоянии.
не упрочняемые и упрочняемые термообработкой

Деформируемые сплавы, упрочняемые термообработкой – сплавы, содержащие медь, магний с добавками цинка и марганца для повышения прочности и жаропрочные.
Дуралюмины (сплавы алюминия с медью) маркируют буквой "Д" и порядковым номером, например: Д1, Д12, Д18.
Дюралюмины подвергают закалке с температуры 500oС и естественному старению, которому предшествует двух-, трехчасовой инкубационный период.
Максимальная прочность достигается через 4…5 суток.
Литейные сплавы – сплавы алюминия с кремнием (Si) – силумины, содержащие 10…13 % кремния.
Присадка к силуминам магния, меди содействует эффекту упрочнения литейных сплавов при старении. Титан и цирконий измельчают зерно. Марганец повышает антикоррозионные свойства. Никель и железо повышают жаропрочность.
Литейные сплавы маркируют буквами "АЛ" с последующим порядковым номером:
АЛ2, АЛ9, АЛ13, АЛ22, АЛЗО.
Иногда сплавы маркируют по составу: АК7М2; АК21М2, АК5Н2,5; АК4МЦ6. В этом случае "М" обозначает медь. "К" - кремний, "Ц" - цинк, "Н" - никель; цифра – содержание элемента в %.
Чистый алюминий недостаточно прочен. Эту проблему решил немецкий химик Альфред Вильм (Alfred Wilm), сплавлявший его с незначительными количествами меди, магния и марганца. Он открыл, что сплав в течение нескольких дней после закалки становится все прочнее и прочнее (технологический термин - старение).
В 1911 году в немецком Дюрене (Duren) была выпущена партия сплава, названного
в честь города дуралюминием, а в 1919 году из него был сделан первый самолет.

3.3. Твердые сплавы
Это твёрдые и износостойкие сплавы, способные сохранять эти свойства при 900 ÷ 1150°С, что позволяет вести обработку со скоростями резания до 800 м/мин (углеродистые инструментальные стали до 18 м/мин).
В зависимости от технологии получения различают спеченные и литые твёрдые сплавы.
Победит – первый твёрдый сплав, разработанный в СССР в 1929 году.
– победит
Химический состав и свойства твердых сплавов
8
10
90
вольфрамовые
титано-
вольфрамовые
титано-тантало-
вольфрамовые