Металлические сплав. Их классификация

Введение

Металлы и их сплавы повсеместно  используются для изготовления конструкций  машин, оборудования, инструмента и  т. д. Несмотря на широкий круг искусственно созданных материалов (керамики, клеев), металлы служат основным конструкционным материалом и в обозримом будущем по-прежнему будут доминировать.

Металлами называются вещества, атомы которых располагаются в определённом геометрическом порядке, образуя при этом кристаллы. Им присущ специфический металлический блеск. Кроме того, металлы обладают хорошей пластичностью, высокой теплопроводностью и электропроводностью. Это дает возможность обрабатывать их под давлением (прокатка, ковка, штамповка, волочение). Металлы обладают хорошими литейными свойствами, а также свариваемостью, способны работать при низких и высоких температурах. Металлические изделия и конструкции легко соединяются с помощью болтов, заклепок и сварки. Наряду с этим металлы обладают и существенными недостатками: имеют большую плотность, при действии различных газов и влаги коррозируют, а при высоких температурах значительно деформируются.

Существует такое определение  как «чистый металл» оно весьма условно. Так как любой чистый металл содержит примеси, а потому его  следует рассматривать как сплав. Под термином «чистый металл»  всегда понимается металл, содержащий примеси 0,01–0,001 %. Современная металлургия  позволяет получать металлы высокой  чистоты (99,999 %). Однако примеси даже в малых количествах могут  оказывать существенное влияние  на свойства металла.

Чистые металлы обладают высокой пластичностью и низкой прочностью, что не обеспечивает требуемых  физико-химических и технологических  свойств. Поэтому их применение в  строительстве и технике в  качестве конструкционных материалов сильно ограничено. Наиболее широко используют сплавы, обладающие более высокой прочностью, твердостью и износостойкостью и т. д.

Сплавы – это системы, состоящие из нескольких металлов или металлов и неметаллов. Так, например, прочность технического железа составляет примерно 250 МПа, при введении в железо углерода в количестве 0,9 мас.

Металлические материалы  обычно делятся на две большие  группы: железо и сплавы железа (сталь  и чугун) называют черными металлами, а остальные металлы и их сплавы — цветными. Кроме того, все цветные  металлы, применяемые в технике, в свою очередь, делятся на следующие  группы:

• легкие металлы Mg, Be, Al, Ti с плотностью до 5 г/см³;
• тяжелые металлы Pb, Mo, Ag, Au, Pt, W, Та, Ir, Os с плотностью, превышающей 10 г/см³;
• легкоплавкие металлы Sn, Pb, Zn с температурой плавления 232; 327; 410 °С соответственно;
• тугоплавкие металлы W, Mo, Та, Nb с температурой плавления выше, чем у железа (> 1536 °С);
• благородные металлы Au, Ag, Pt с высокой устойчивостью против коррозии;
• урановые металлы или актиноиды, используемые в атомной технике;
• редкоземельные металлы (РЗМ) — лантаноиды, применяемые для модифицирования стали;
• щелочные и щелочноземельные металлы Na, К, Li, Ca в свободном состоянии применяются в качестве жидкометаллических теплоносителей в атомных реакторах; натрий также используется в качестве катализатора в производстве искусственного каучука, а литий — для легирования легких и прочных алюминиевых сплавов, применяемых в самолетостроении.

Свойства металлов разнообразны. Ртуть замерзает при температуре  минус 38,8 °С, вольфрам выдерживает рабочую температуру до 2000 °С (Т_пл = = 3420 °С), литий, натрий, калий легче воды, а иридий и осмий — в 42 раза тяжелее лития. Электропроводность серебра в 130 раз выше, чем у марганца. Вместе с тем металлы имеют характерные общие свойства. К ним относятся:

• высокая пластичность;
• высокие тепло- и электропроводность;
• положительный температурный коэффициент электрического сопротивления, означающий рост сопротивления с повышением температуры и сверхпроводимость многих металлов (около 30) при температурах, близких к абсолютному нулю;
• хорошая отражательная способность (металлы непрозрачны и имеют характерный металлический блеск);
• термоэлектронная эмиссия, т. е. способность к испусканию электронов при нагреве;
• кристаллическое строение в твердом состоянии.

1 Классификация металлических сплавов

Все металлы и образованные из них сплавы делят на две группы: черные и цветные.

К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе – стали и чугуны, остальные металлы являются цветными. В строительстве в основном применяют черные металлы – чугуны и стали для каркасов зданий, мостов, труб, кровли, арматуры в бетоне и для других металлических конструкций и изделий.

К цветным  металлам относятся все металлы и сплавы на основе алюминия, меди, цинка, титана. Цветные металлы являются более дорогостоящими и дефицитными.

Чугун получают в ходе доменного  процесса, основанного на восстановлении железа из его природных оксидов  коксом при высокой температуре. Процесс восстановления железа оксидом  углерода в верхней части доменной печи можно представить по обобщенной схеме: Fe₂O₃ > Fe₃O₄ > >FeO > Fe. Опускаясь в нижнюю часть печи, расплавленное железо соприкасается с коксом и превращается в чугун.

Чугуны в зависимости  от состава и структуры подразделяются на серые (углерод в виде цементита  и свободного графита) и белые (углерод в виде цементита). В зависимости от формы графита и условий его образования различают: серый, высокопрочный и ковкий чугуны.

Стали можно подразделить на две основные группы – углеродистые и легированные (рис. 1).

Углеродистые стали –  основной конструкционный материал, который используется в различных  областях промышленности. Они дешевле  легированных и проще в производстве. В углеродистой стали свойства зависят от количества углерода, поэтому эти стали классифицируются на низкоуглеродистые, средне- и высокоуглеродистые.

Легированные стали содержат специально вводимые элементы для получения  заданных свойств. По степени легированости стали подразделяются на низколегированные, средне- и высоколегированные.

Классификация сталей по качеству основывается на содержании вредных примесей серы и фосфора. Различают углеродистую сталь обыкновенного качества, сталь качественную конструкционную и сталь высококачественную.

По назначению стали подразделяются на три группы: конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами. Конструкционные углеродистые стали содержат углерод в количестве 0,02 – 0,7 мас.%, к ним относятся и строительные стали, содержащие до 0,3 мас.% углерода. Низкое содержание углерода обусловлено тем, что строительные конструкции соединяются сваркой, а углерод ухудшает свариваемость. Стали, содержащие углерод в пределах 0,7 – 1,5 мас.%, используют для изготовления режущего и ударного инструмента. К группе сталей и сплавов с особыми свойствами относятся коррозионностойкие, нержавеющие и кислотоупорные, жаропрочные и жаростойкие стали и т. д. 

Рис.1

2. Черные металлы  и сплавы

Черными сплавами или черными  металлами условно называют железо и его сплавы – чугуны, стали  иногда и ферросплавы. Остальные  металлы и сплавы, в отличие  от черных металлов и сплавов, называют цветными

Рис.2

Черные сплавы, они же железоуглеродистые сплавы – стали  и чугуны – являются важнейшими металлическими сплавами современной  техники. Производство чугуна и стали  по объему во много раз превосходит  производство всех других металлов вместе взятых. Рассмотрим для примера сталь: согласно данным журнала «Национальная  металлургия» потребление стали  в среднем составляет около полутонны стали в год на одного человека.

Основное представление  о строении железоуглеродистых сплавов  дает широко известная диаграмма  состояний железо-углерод. (Рис.2)

Принято называть чугунами железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2%С (2,14%), а сталями, соответственно – менее 2%С.

Ферросплавы – это вспомогательные  материалы, применяемые для обработки  сталей и чугунов.

2.1 Сталь

Сталь (от нем. Stahl) — сплав (твёрдый раствор) железа с углеродом (и другими элементами), характеризующийся эвтектоидным превращением. Содержание углерода в стали не более 2,14 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

Учитывая, что в сталь  могут быть добавлены легирующие элементы, сталью называется содержащий не менее 45 % железа сплав железа с углеродом и легирующими элементами (легированная, высоколегированная сталь).

Сталь — важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта, строительства и прочих отраслей промышленности.

Стали с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различного назначения, в приборостроении — для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок.

Пружины, рессоры машин  и упругие элементы приборов характеризуются  многообразием форм, размеров, различными условиями работы. Особенность их работы состоит в том, что при  больших статических, циклических  или ударных нагрузках в них  не допускается остаточная деформация. В связи с этим все пружинные  сплавы кроме механических свойств, характерных для всех конструкционных  материалов (прочности, пластичности, вязкости, выносливости), должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. В условиях кратковременного статического нагружения сопротивление малым пластическим деформациям характеризуется пределом упругости, при длительном статическом или циклическом нагружении — релаксационной стойкостью.

Стали делятся на конструкционные и инструментальные. Разновидностью инструментальной является быстрорежущая сталь.

По химическому составу  стали делятся на углеродистые и легированные; в том числе по содержанию углерода — на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,3—0,55 % С) и высокоуглеродистые (0,6—2 % С); легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные — до 4 % легирующих элементов, среднелегированные — до 11 % легирующих элементов и высоколегированные — свыше 11 % легирующих элементов.

Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений. Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

По структуре сталь  разделяется на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную и перлитную. Если в структуре преобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазную и многофазную.

Характеристики  стали

• Плотность: 7700—7900 кг/м³,
• Удельный вес: 75500—77500 Н/м³ (7700—7900 кгс/м³ в системе МКГСС),
• Удельная теплоемкость при 20 °C: 462 Дж/(кг·°C) (110 кал/(кг·°C)),
• Температура плавления: 1450—1520 °C,
• Удельная теплота плавления: 84 кДж/кг (20 ккал/кг, 23 Вт·ч/кг),
• Коэффициент теплопроводности при температуре 100 °C^[5]

• Коэффициент линейного теплового расширения при температуре около 20 °C:

• Предел прочности стали при растяжении:

2.1.1 Углеродистая  нелегированная сталь

В нелегированной стали максимальное содержание углерода обычно составляет 0,8%, и в отличие от легированных сортов она не содержит дополнительных легирующих элементов. Твёрдость стали  варьируется от 90 до 350HB. Более высокое  процентное содержание углерода (>0,2%) позволяет подвергать сталь закалке.

Она состоит, за исключением  загрязняющих примесей, только из чистого  железа. При содержании углерода от 0,6 до 1,7% за счет тепловой обработки  она может твердеть и упрочнять (закаливаться) и поэтому подходит для режущего инструмента, как, например, для резцов. Если содержание углерода лежит ниже 0,6%, то сталь ограниченно закаливается. Нелегированная сталь используется для производства, например, гвоздей, болтов, гаек и других металлоизделий.

2.1.2 Легированная  сталь

Низколегированные стали

Наряду с малоуглеродистыми  сталями обыкновенного качества для тяжелых конструкций применяются  низколегированные стали, имеющие  более высокие механические характеристики (стали НЛ). По ГОСТ 5058-49 предусматривались  всего две марки таких сталей: НЛ1 и НЛ2.

В связи со своим более  сложным и разнообразным химическим составом низколегированные стали  по новому ГОСТ имеют и более сложные наименования (обозначения). В основу обозначения марки низколегированной стали положен ее химический состав.

В обозначение входят: среднее  количество углерода в сотых долях  процента и затем наименования компонентов: марганца — (Г), кремния — (С), хрома  — (X), никеля — (Н), меди — (Д). Цифры после  букв указывают процентное содержание соответствующего элемента в целых единицах. Если количество какого-либо компонента составляет менее 0,3%, то такой компонент вовсе не обозначается и не считается легирующим. Так, сталь марки 14Г2 является марганцовой сталью с содержанием в среднем 0,14% углерода и от 1 до 2% марганца, остальные же компоненты входят в количествах, меньших 0,3%; марка 15ХСНД обозначает сталь, содержащую в среднем 0,15% углерода и легированную хромом, кремнием, никелем и медью в количествах более 0,3 и менее 1%. ГОСТ охватывает большое количество низколегированных сталей, пригодных для строительства. Здесь должны быть отмечены уже освоенные стали 15ХСНД (бывшая сталь НЛ2), 10ХСНД (бывшая сталь СХЛ4), 10Г2СД (бывшая марганцово-кремнистая сталь — МК), применяемая для трубопроводов и листовых конструкций, а также более новые стали 14Г2, 15ГС, 14ХГС и др. Отличием всех этих сталей является то, что они содержат мало углерода (<0,18%), а их повышенные механические свойства достигаются другими присадками (марганцем, кремнием, хромом, никелем и др.). Механические характеристики этих сталей примерно на 40 — 50% выше соответствующих характеристик стали марки Ст. 3.

Все низколегированные стали  поставляются одновременно по механическим свойствам и химическому составу. Механические свойства и химический состав низколегированных сталей, представляющих интерес для строительства, указаны соответственно в табл. 3 и 4.

Все перечисленные виды сталей хорошо свариваются и имеют хорошую  ударную вязкость с низким порогом  хладноломкости (—40^о — —60°). Они изготовляются спокойными и имеют поэтому мелкозернистую структуру. Присутствие меди, хрома и никеля повышает стойкость многих марок против коррозии. С другой стороны, низколегированные стали более чувствительны к концентрации напряжений и потому часто имеют относительно более низкую вибрационную прочность.

Основной причиной, стимулирующей  переход на новые марки низколегированной стали, является сложность легирования стали НЛ2 (15ХСНД) и ее большая стоимость вследствие содержания в ней никеля, меди и хрома. Поэтому основным направлением в создании новых низколегированных сталей является простое легирование дешевыми безникельными присадками. Типичным представителем таких сталей является сталь марки 14Г2, основанная на присадке дешевого марганца, которая и должна рассматриваться как основная строительная низколегированная сталь. Правда, простота легирования приводит к некоторому снижению прочностных показателей и требует особой тщательности изготовления (наличие чистого ферромарганца), поскольку плавку нельзя корректировать другими компонентами, как в многокомпонентных сталях, но зато плавка последних более трудоемка и дорога. Компромиссным решением являются стали марок 15ГС и 14ХГС, которые должны рассматриваться как весьма перспективные. 

Механические свойства низколегированных  сталей 

Химический состав низколегированных  сталей

Произведенные исследования показывают, что стали марок 14Г2 и 14ХГС столь же однородны, как сталь  НЛ2 (хотя и уступают в однородности стали 3), и достаточно хорошо выдерживают наименьшие значения своих прочностных показателей по ГОСТу.

Большая стоимость сталей, содержащих никель, объясняется тем, что этот дорогой металл приходится вводить в шихту извне, поскольку  на основе месторождений Орско-Халиловских железоникелевых руд металл для строительства еще не производится. При изменении этого обстоятельства дешевые природные никелевые стали войдут в обиход строительства; подготовка таких сталей уже производится.

Среднелегированные  стали – это стали, в которых доля легирующих примесей находится в диапазоне от 2,5% до 10%.

Популярные среднелегированные стали марок 9Х5ВФ, 8Х4ВЗМЗФ2 имеют  более высокую температуру прокаливания в сравнении, например, с низколегированной  сталью 13Х, а также обладают более высокой износостойкостью.

Инструмент, изготовленный  из такой стали может иметь  больший диаметр и длину, чем  инструмент из низколегированной стали  за счет того, что закаливание металла  может происходить в масле  и при более высоких температурах, а это позволяет в свою очередь  уменьшить деформацию и коробленье.

Диаметр инструмента из среднелегированной стали может достигать 40мм и иметь значительную длину.

Среднелегированные стали 9ХС, ХВГ, ХВСГ благодаря своим легирующим добавкам стали популярными при  изготовлении сверл, протяжек диаметром 60-80мм, а также для изготовления розверток.

В каждом конкретном случае для изготовления того или иного  инструмента необходимо выбирать сталь  с теми легирующими элементами, воздействие  которых на металл, наилучшим образом  сказывается на его важных для  данного использования характеристиках.

Высоколегированные  стали – это сталь, в которой содержится более 10% легирующих добавок – одной или сразу нескольких.

Высоколегированные стали, как правило, коррозионностойкие, жаростойкие  и жаропрочные, что обусловило широкое  распространение их применения в промышленности.

Эти высоколегированные стали разделяют на три основные группы: коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные.

Коррозионностойкие высоколегированные стали – это стали, которые  устойчивы от коррозии различных  видов. В частности эти стали  устойчивы против химической, электрической и межкристаллитной коррозии.

Жаростойкие, или как их еще называют окалиностойкие, - это стали, которые устойчивы к химическому разрушению при работе в ненагруженном или слабонагруженном состоянии при высоких температурах – более 500С – в газовых средах.

Жаропрочные стали – это  стали, из которых изготавливают  инструмент способный работать с  большой нагрузкой определенной время при температурах, превышающих 100С.

Каждый из видов высоколегированной стали имеет свое четкое назначение, которое определяется видом и  количеством специальных легирующих добавок.

2.2 Чугун

Чугун – сплав железа, в котором процентное количество углерода составляет от 2,14 до 6,67.

Популярность этого материала  обусловлена тем, что он недорогой и обладает отличными литейными качествами. Основное применение чугуна – машиностроение, кроме того, он широко применяется в искусстве   (художественное литье), архитектуре. Еще одно немаловажное назначение чугуна – это сырье для производства стали.

Кроме того, добавление в  чугун легирующих элементов может  довольно значительно изменить его  свойства, снижая свойственную ему  хрупкость и даже приближая к  углеродистым сталям.

Сырьем для выплавки чугуна является железо, т.е. железная руда. Если совсем просто излагать, то процесс  выглядит примерно так: восстановленное  железо из оксидов, в которых оно  присутствует в руде, расплавляют  с подачей воздуха, в результате чего происходит химическая реакция  с углеродом – образование  чугуна.

Чугун имеет большой спектр свойств, в зависимости от своего состава.

Обязательно в состав чугуна входят:

1) кремний (Si) – менее 4,3%; второй по важности элемент после углерода; делает материал более мягким, улучшая его жидкотекучесть и литейные свойства;

2) марганец (Mn) – менее 2%; этот элемент увеличивает прочность сплава;

3) сера (S) – менее 0,07%; этот элемент является причиной «красноломкости» (появление трещин при нагревании отливок), ухудщает жидкотекучесть сплава и литейные свойства;

4) фосфор (Р) – менее  1,2%; наличие фосфора является  причиной «Хладноломкости» (появление трещин при охлаждении отливок), ухудшает механические качества чугуна;

5) углерод (С) – самый  важный элемент в чугуне; от  количества, формы и вида его  зависит разделение чугуна на  сорта; в жидком сплаве чугуна  углерод пребывает в растворенном  состоянии, в твердом или с  железом в химически связанном  виде, или в виде графита (мелких пластинок).

В зависимости от химического  состава, структуры и назначения чугуны также подразделяются на несколько  видов:

1) легированные – хромистые,  титановые, никелевые;

2) ферросплавы или специальные чугуны;