Что такое металлические сплавы: МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ СПЛАВ | это… Что такое МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ СПЛАВ?

alexxlab | 23.07.1989 | 0 | Разное

строение, механические и химические свойства

Содержание

  1. Основные определения
  2. Свойства металлов
  3. Признаки металлов
  4. Классификация металлов
  5. Черные
  6. Цветные
  7. Мягкие
  8. Твердые
  9. Основные виды сплавов
  10. Магниевые сплавы
  11. Бериллиевые сплавы
  12. Цинковые сплавы
  13. Титановые сплавы
  14. Алюминиевые сплавы
  15. Медные сплавы
  16. Распространение сплавов в современной промышленности

Работать с металлами человек начал в 4 тысячелетии. В истории, века ознакомления с новыми видами металлов названы в честь них — Бронзовый, Железный, Чугунный. Однако, в природе невозможно найти ни одного металлического изделия, которое будет на 100% состоять из одного вида металла. В изготавливаемых предметах, деталях или конструкциях есть добавки которые ввёл сам человек или они попали туда естественным путем. Из-за этого можно утверждать, что все представленные материалы металлического происхождения это сплавы металлов.

Расплавленный металл

Основные определения

Людям, работающим в сфере металлообработки, необходимо знать виды металлов и сплавов, чтобы понимать как происходят те или иные процессы в ходе обработки. Металлические материалы образую группу простых веществ, которые имеют собственные характерные свойства.

Структура представляет собой совокупность атомов, которые выстраиваются в отдельные ячейки. Ячейки, в свою очередь, объединяются между собой, образуя кристаллическую решётку. Внутреннюю часть решётки образуют атомные ядра. Вокруг них располагаются электроны. Кристаллическая решётка представляет собой совокупность простых геометрических форм.

Свойства металлов

Эту группу веществ определяют по характерным признакам. Механические свойства алюминия, стали, железа, свинца, олова и других видов металлов давно известны науке:

  1. Твёрдость — этот параметр определяет устойчивость материала к проникновению посторонних примесей.
  2. Пластичность — показатель, определяющий сохранение формы предмета под воздействием посторонних сил.
  3. Вязкость — определяет целостность изделия под физическим давлением.
  4. Прочность — показатель сохранения формы материала после воздействия извне.
  5. Износоустойчивость — изменение поверхности материла после трения.
  6. Упругость — изменение формы детали или заготовки с возможностью самостоятельного восстановления к изначальному состоянию.

Среди дополнительных свойств выделяют устойчивость к воздействию высоких температур и холода, а также температуру плавления. К химическим свойствам можно отнести возможность контактировать с другими веществами.

Признаки металлов

Изначально считалось, что металлы и сплавы обладают тремя характерными признаками — ковкость, пластичность и блеск. Однако оказалось, что некоторые неметаллические вещества также обладают блеском. Сейчас главным признаком металла считается понижение электропроводности при изменении температуры.

Классификация металлов

В природе существует несколько видов металлов, которые отличаются по своим свойствам, характеристикам и внешнему виду. Каждая из разновидностей по-разному ведёт себя при взаимодействии с другими материалами или под воздействием факторов окружающей среды.

Виды металлов

Черные

В эту группу входит железо и сплавы на его основе. Характерные особенности чёрных металлов:

  • высокая плотность;
  • температура плавления гораздо выше чем у представителей других групп;
  • цвет — тёмно-серый.

К представителям группы чёрных металлов относятся: вольфрам, хром, кобальт, молибден, железо, никель, титан, марганец, уран, нептуний, плутоний и другие. Используются они в различных отраслях и обладают разными свойствами. Популярными считаются сталь и чугун.

В состав черных металлов входит не только железо, но и различные примеси к которым относится сера, фосфор или кремний. В своём составе они содержат разное количество углерода.

Цветные

Представители этой группы более востребованы. Связано это с тем, что цветные металлы применяют в большем количестве отраслей. Их могут использовать в машиностроении, передовых технологиях, радиоэлектронике, металлургии. Ключевые особенности цветных металлов:

  • низкая температура плавления;
  • большой цветовой спектр;
  • хорошая пластичность.

Из-за низкой прочности представителей цветной группы их используют в связке с разными видами более плотных материалов. Представители этой группы: магний, алюминий, никель, свинец, олово, цинк, серебро, платина, родий, золото и другие.

Слитки золота (Фото: pixabay.com)

Мягкие

Можно выделить отдельные виды металлов, которые будут относиться к группе твёрдых и мягких. В качестве мягких выступают:

  1. Алюминий — обладает устойчивостью к коррозии, легким весов, хорошей пластичностью. Используется в электропромышленности, при строительстве самолётов и изготовлении посуды.
  2. Магний — это лёгкий материал, который подвержен воздействию коррозийных процессов. Чтобы избавиться от этого недостатка, его используют в сплавах с другими материалами.

Это ключевые представители группы мягких металлов.

Твердые

Популярными материалами этой группы являются:

  1. Вольфрам — считается самым тугоплавким металлом. Дополнительно к этому, он является одним из самых прочных. Стойкий к химическим воздействиям.
  2. Титан — чем меньше вкраплений других материалов в этом металле, тем прочнее он становится. Используется при строительстве машин, ракет, самолётов, кораблей, а также в химической промышленности. Он хорошо обрабатываются под давлением, не поддается воздействию коррозийных процессов.
  3. Уран — ещё один металл, считающийся одним из самых прочных в мире. Радиоактивен и используется в различных направлениях промышленности.

Представители «твёрдой группы» хуже поддаются обработке и используются в меньшем количестве направлений деятельности человека, чем мягкие.

Основные виды сплавов

Существуют различные виды сплавов металлов, однако стоит поговорить только об основных.

Самыми популярными считаются составы на основе железа. К ним относится сталь, чугун и ферриты. Если с первыми двумя сплавами всё понятно, то стоит кратко сказать о том, что такое ферриты. Это соединения металлов, в которых содержится большое количество углерода. Их используют для изготовления катушек индуктивности. Также стоит упомянуть другие основные сплавы металлов.

Изделия выполненные из металлических сплавов

Магниевые сплавы

Обладают высокой прочностью при малом размере и массе заготовки. Слабо защищены от коррозии, не обладают достаточной пластичностью для удобной обработки. Используются в машиностроении. Главная особенность сплавов на основе магния — свойство поглощать вибрации подвижных элементов.

Бериллиевые сплавы

Устойчивы к коррозийным процессам. Бериллий чаще всего смешивается с медью. Такая смесь называется Бериллиевой бронзой. Её используют для изготовления шестерней, контактов, часовых механизмов, подшипников.

Цинковые сплавы

Особенности этих соединений заключаются в низкой температуре плавления, высоким показателе пластичности, устойчивости к коррозиям. Используются для изготовления подшипников, бытовой техники, в машиностроении.

Титановые сплавы

Тяжелый в обработке материал. Сплавы на его основе обладают малым весом, высокой прочностью, стойкостью к воздействию факторов окружающей среды. Чтобы облегчить обработку металла, его необходимо нагреть. Используется в различных направлениях промышленности.

Алюминиевые сплавы

Сплавы на основе этого материала считаются наиболее популярными. Встретить их можно в большинстве сфер жизни человека. У них такие преимущества:

  • коррозийная устойчивость;
  • малый вес;
  • пластичность;
  • электропроводность.

Главный недостаток этого материала — низкая температура плавления. Уже к 200 градусам, свойства сплава ухудшаются. Алюминиевые сплавы используются в различных направлениях промышленности. Благодаря малому удельному весу алюминий получил большую популярность в строительстве самолётов.

Алюминий (Фото: pixabay.com)

Медные сплавы

Большинство соединений на основе меди представляют собой латунь. В зависимости от содержания меди в составе сплава выделяется красная и жёлтая латунь. Из этого материала изготавливаются маленькие детали для высокоточных и миниатюрных механизмов. Обладает высоким показателем пластичности, благодаря чему с соединениями на основе меди легко работать.

Распространение сплавов в современной промышленности

Выделяют следующие направления промышленности, в которых используются сплавы:

  1. Изготовление измерительных приборов.
  2. Ювелирное дело. Изготовление украшений.
  3. Постройка ракет, кораблей, самолётов. Машиностроение.
  4. Создание контактов, микросхем, точных соединений.
  5. Производство оружия.
  6. Аэрокосмическая промышленность.
  7. Криогенная область.
  8. Изготовление медицинского оборудования.
  9. Ядерная физика (детали для реакторов).
  10. Химическая и пищевая промышленность.

Это направления применения металлов и их сплавов в промышленности. Металлы и сплавы можно найти в любых сферах жизни. Каждое соединение обладает своими свойствами и характеристиками, которые изменяются по мере добавления посторонних примесей в состав.

Металлические сплавы и композиты – Общая химия (Химия)

8.4. Металлические сплавы и композиты

Металлические сплавы. Металлические сплавы — это вещест­ва, обладающие металлическими свойствами и состоящие из двух или более элементов, из которых хотя бы один является металлом. Их получают охлаждением расплавленных смесей, совместным осажде­нием из газовой фазы, электроосаждением из растворов и расплавов, диффузионным насыщением. Свойства сплавов значительно отлича­ются от свойств металлов. Например, прочность на разрыв сплава меди и цинка (латуни) в три раза выше, чем у меди и в шесть раз по сравнению с цинком. Железо хорошо растворимо, а его сплав с хро­мом и никелем (нержавеюща сталь) – устойчив в разбавленной сер­ной кислоте. Различают однофазные сплавы (твердые растворы), ме­ханические смеси и химические соединения (интерметаллиды).

Твердые растворы — это фазы переменного состава, в которых различные атомы образуют общую кристаллическую решетку. Прак­тически все металлы образуют твердые растворы с другими метал­лами и неметаллами. Однако, в большинстве случаев растворимость других элементов в металлах невелика, а иногда и пренебрежимо ма­ла. Имеется несколько систем с полной взаимной растворимостью (непрерывные твердые растворы). Примерами таких твердых раство ров служат сплавы серебро — золото, никель — кобальт, медь — ни­кель, молибден — вольфрам. На рис. 6.5 была приведена диаграмма плавкости твердого раствора медь — никель.

Атомы растворяющихся элементов занимают либо узлы кристал­лической решетки (растворы замещения), либо места между узлами (растворы внедрения). Растворы замещения образуют компоненты с близкими электронными структурами и размерами атомов. При рас­творении неметаллов в металлах обычно возникают растворы вне­дрения. Для твердых растворов характерно постепенное изменение свойств с изменением их состава. Прочность и твердость твердых растворов обычно выше, а электрическая проводимость и теплопро­водность ниже, чем у каждого из компонентов в отдельности.

Многие металлы, взаимно растворимые в расплавленном состоянии, при охлаждении образуют смесь кристаллов с различной кристаллической решеткой. Температура плавления такой смеси ниже температуры плавления отдельных компонентов. Состав, имеющий минимальную температуру плавления, называется эвтектикой. Эвтектический сплав состоит из очень мелких кристаллов индивидуальных компонентов. Эвтектическую смесь обычно образуют металлы, близкие по природе, но существенно отличающиеся по типу кристаллической решетки, например, свинец с оловом, с сурьмой, кад­мий с висмутом, олово с цинком. На рис. 11.7 приведены диаграммы плавкости сплавов кадмия с висмутом и олова со свинцом. Эвтекти­ческие сплавы характеризуются малыми размерами и однородностью кристаллов и имеют высокие твердость и механическую прочность. Поэтому сплавы свинца с оловом и сурьмой применяются в качестве типографских шрифтов и решеток аккумуляторов. Вследствие легко­плавкости сплавы свинца с оловом также применяются для припоев и подшипников.

           

Для большинства эвтектических сплавов наблюдается ограничен­ия растворимость компонентов. Например, растворимость олова в свинце и свинца в олове составляет соответственно атомных долей 9,5 и 2,5% (рис. 11.7,6).

При сильном взаимодействии между металлами образуются химические соединения, называемые интерметаллидами. Диаграмма плавкости таких систем имеет максимум (рис. 11.8). Химические соединения могут иметь постоянный (дальтониды, рис. 11.8, а) или переменный состав (бертоллиды; рис. 11.8, б). Наряду с интермеллидами в системе возникают эвтектики ( Е1 и Е2, рис. 11.8). Кроме того, возможна взаимная растворимость компонентов (фазы aиbрис . 11.8). Возможны и более сложные диаграммы плавкости.

Химические соединения обычно возникают между металлами, от­личающимися по электроотрицательности и химическим свойствам, например между магнием и медью (MgCu2), никелем (MgNi2), сурь­мой (Mg3Sb2), между алюминием и никелем (NixAly), лантаном (LaAl4), кальцием и цинком (CaZn10), лантаном и никелем (LaNi5) и многими другими.

Обычно составы интерметаллидов не соответствуют формальным валентностям металлов. Кристаллические структуры интерметалли­дов, как правило непохожи на структуры индивидуальных компонен­тов. Свойства химических соединений существенно отличаются от свойств исходных металлов. Они характеризуются меньшими значе­ниями теплопроводности и электрической проводимости, чем обра­зующие их компоненты. Некоторые интерметаллиды являются даже полупроводниками.

Интерметаллиды характеризуются хрупкостью, но становятся пластичными при температурах, близких к температурам плавления. Многие из них имеют высокую химическую стойкость.

Жак, металлические сплавы существуют в виде твердых раство­ров, механических смесей, интерметаллидов и их сочетаний.

Композиционные материалы. Керметы. Композиционные ма­териалы (композиты) получают объемным сочетанием химически разнородных компонентов при сохранении границы раздела между ними. Свойства композитов существенно отличаются от свойств вхо­дящих в них компонентов.

Композиционные материалы состоят из основы (матрицы) и до­бавок (порошков, волокон, стружки и т.д.). В качестве основы приме­няют металлы, полимеры, керамику и другие материалы. Если осно­вой служат металлы, то добавками являются металлические нитевид­ные кристаллы, неорганические волокна и порошки (оксиды алюми­ния, кварц, алюмосиликаты и др. ). Композиты, матрицей которых служит керамика, а добавками — металлы, называются керамико-металлическими материалами или керметами. В качестве матрицы керметов обычно применяют оксиды алюминия, хрома, магния, цир­кония, карбиды вольфрама, кобальта, бориды циркония и хрома. До­бавками могут служить металлы, сродство которых соответственно к кислороду, углероду, бору меньше, чем сродство к этим элементам металлов основы. Наиболее распространены сочетания оксидов алю­миния с молибденом, вольфрамом, танталом, никелем, кобальтом, оксида хрома с вольфрамом, оксида магния с никелем, диоксида цир­кония с молибденом, карбидов титана и хрома с никелем и кобальтом.

Композиты получают различными методами: порошковой метал­лургии, пропитки расплавленным металлом, химического и электро­химического осаждения металлов на основу. Метод порошковой ме­таллургии включает операции смешения компонентов, их формиро­вания прессованием или прокаткой и спекания. В методе пропитки расплавленный металл заполняет поры в керамической матрице или в сетке из другого металла.

Композиты характеризуются высокой прочностью, твердостью, износостойкостью. Например, предел прочности на растяжение ком­позита, состоящего из железного порошка и нитевидных кристаллов оксида алюминия в три раза выше, чем у неармированного железа. В пять раз возрастает усталостная прочность меди при ее армировании волокнами вольфрама. Композиты широко используются в качестве конструкционных материалов, материалов износостойких контактов, подшипников, штампов и инструментов. Многие из них обладают жаростойкостью, поэтому служат огнеупорами, материалами чехлов термопар, испарителей металлов, тепловыделяющих элементов, ава­рийных стержней в атомной энергетике и др.

Химически стойкие керамические матрицы защищают металлы-добавки от коррозии и воздействия агрессивных сред, поэтому мно­гие керметы устойчивы в морской воде, растворах солей, щелочей и даже кислот.

Итак, металлические композиты представляют собой гетероген­ное сочетание металлов и сплавов с другими металлами и керамиче­скими фазами. Свойства композитов существенно отличаются от свойств входящих в них компонентов.

Вопросы и задачи для самоконтроля

В каком случае больше разница между свойствами металла и сплава: а)
твердого раствора; б) интерметаллида?

Рекомендация для Вас – 11 Человек в светской культуре Нового времени.

Уменьшится или увеличится температура плавления вещества при образо­
вании сплава: а) эвтектики; б) интерметаллида?

Рассчитайте молярную долю кадмия (%) в эвтектике кадмий-висмут (см.
рис. 11.7, а).

11.19.  Могут ли оксиды: a) Fe2Oj; б) А12О3 быть основами матриц керметов с
армирующей добавкой хрома, если стандартная энергия Гиббса образования оксидов

ДС/. 298 (кДж/моль) – 1576 (А12О3), – 1058 (Сг2О3) и – 740 (Fe2O3)?

11.20.  Ксрмст, состоящий из оксида алюминия и никеля, можно изготовить хи­
мическим восстановлением никеля из солей на матрицу А12Оз. Напишите реакцию
восстановления карбоната никеля водородом при повышенной температуре.

2.2. Металлические сплавы

Металлическим сплавом называется материал, полученный сплав­лением двух или более металлов или металлов с неметаллами, обла­дающий металлическими свойствами. Вещества, которые образуют сплав, называются компонентами. Фазой называют однородную часть сплава, характеризующуюся определенными составом и строением иотделенную от других частей сплава поверхностью раздела. Под структурой понимают форму размер и характер взаимного распо­ложения фаз в металлах и сплавах. Структурными составляющими называют обособленные части сплава, имеющие одинаковое строе­ние с присущими им характерными особенностями.

Виды сплавов по структуре. По характеру взаимодействия ком­понентов все сплавы подразделяются на три основных типа: механи­ческие смеси, химические соединения и твердые растворы.

Механическая

смесь двух компонентов A и B образуется, если они не способны к взаимодействию или взаимному растворению. Каждый компонент при этом кристаллизуется в свою кристалличес­кую решетку. Структура механических смесей неоднородная, состо­ящая из отдельных зерен компонента A и компонента B. Свойства механических смесей зависят от количественного соотношения ком­понентов: чем больше в сплаве данного компонента, тем ближе к его свойствам свойства смеси.

Химическое соединение образуется, когда компоненты сплаваAиBвступают в химическое взаимодействие. При этом соотношение чисел атомов в соединении соответствует его химичес­кой формуле AmBn. Химическое соединение имеет свою кристалли­ческую решетку, которая отличается от кристаллических решеток компонентов. Химические соединения имеют однородную структу­ру, состоящую из одинаковых по составу и свойствам зерен.

При образовании твердого раствора атомы одного компонента входят в кристаллическую решетку другого. Твердые растворызаме­щения образуются в результате частичного замещения атомов крис­таллической решетки одного компонента атомами второго (рис. 6,б.).Твердые растворы внедрения образуются когда атомы растворенного компонента внедряются в кристаллическую решетку компонента – растворителя (рис. 6,в.). Твердый раствор имеет однородную струк­туру, одну кристаллическую решетку. В отличие от химического соединения твердый раствор существует не при строго определен­ном соотношении компонентов, а в интервале концентраций. Обо­значают твердые растворы строчными буквами греческого алфавита: и т. д.

Диаграмма состояния. Диаграмма состояния показывает строе­ние сплава в зависимости от соотношения компонентов и от темпера­туры. Она строится экспериментально по кривым охлаждения спла­вов (рис. 8). В отличие от чистых металлов сплавы кристаллизуются не при постоянной температуре, а в интервале температур. Поэтому на кривых охлаждения сплавов имеется две критические точки. В верхней критической точке, называемой точкой ликвидус , начина­ется кристаллизация. В нижней критической точке, которая называ­ется точкой солидус , кристаллизация завершается. Кривая охлаж­дения механической смеси (рис. 8,а) отличается от кривой охлаждения твердого раствора (рис. 8,6) наличием горизонтального участка. На этом участке происходит кристаллизация эвтектики. Эвтектикой на­зывают механическую смесь двух фаз, одновременно кристаллизовав­шихся из жидкого сплава. Эвтектика имеет определенный химичес­кий состав и образуется при постоянной температуре.

Рис. 8. Кривые охлаждения сплавов: а – механической смеси, б – твердого раствора.

Диаграмму состояния строят в координатах температура-концен­трация. Линии диаграммы разграничивают области одинаковых фазо­вых состояний. Вид диаграммы зависит от того, как взаимодейству­ют между собой компоненты. Для построения диаграммы состояния используют большое количество кривых охлаждения для сплавов раз­личных концентраций. При построении диаграммы критические точ­ки переносятся с кривых охлаждения на диаграмму и соединяются линией. В получившихся на диаграмме областях записывают фазы или структурные составляющие. Линия диаграммы состояния, на ко­торой при охлаждении начинается кристаллизация сплава, называется

линией ликвидус, а линия, на которой кристаллизация завершается — линией солидус.

Виды диаграмм состояния. Диаграмма состояния сплавов, обра­зующих механические смеси (рис.9), характеризуется отсутствием растворения компонентов в твердом состоянии. Поэтому в этом спла­ве возможно образование трех фаз: жидкого сплава Ж, кристаллов А и кристаллов В. Линия АСВ диаграммы является линией ликвидус: на участке АС при охлаждении начинается кристаллизация компонента А, а на участке CD — компонента В. Линия ОС является линией солидус, на ней завершается кристаллизация А или В и при постоян­ной температуре происходит кристаллизация эвтектики Э. Сплавы концентрация которых соответствует точке C диаграммы называются

эвтектическими, их структура представляет собой чистую эвтектику. Сплавы, расположенные на диаграмме левее эвтектического, называ­ются доэвтектическими, их структура состоит из зерен A и эвтекти­ки. Те сплавы, которые на диаграмме расположены правее эвтектичес­кого, называютсязаэвтектическими, их структура представляет собойзерна B, окруженные эвтектикой.

Рис. 9. Диаграмма состояния сплавов, образующих механические смеси.

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимос­тью компонентов в твердом состоянии изображена на рис. 10. Для этого сплава возможно образование двух фаз: жидкого сплава и твер­дого раствора а.

На диаграмме имеется всего две линии, верхняя является линией ликвидус, а нижняя — линией солидус.

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии показана на рис. 11. В этом сплаве могут существовать три фазы — жидкий сплав, твердый раствор α компонента B в компоненте A и твердый раствор β компонента A в компоненте В. Данная диаграмма содержит в себе элементы двух предыдущих. Линия АСВ является линией ликвидус, линия ADCEB — линией солидус. Здесь также образуется эвтектика, имеются эвтек­тический, доэвтектический и заэвтектический сплавы. По линиям FD и EG происходит выделение вторичных кристаллов и(вслед­ствие уменьшения растворимости с понижением температуры). Про­цесс выделения вторичных кристаллов из твердой фазы называетсявторичной кристаллизацией

.

Диаграмма состояния сплавов, образующих химическое соеди­нение (рис. 12) характеризуется наличием вертикальной линии, соот­ветствующей соотношением компонентов в химическом соединении AmBn. Эта линия делит диаграмму на две части, которые можно рас­сматривать как самостоятельные диаграммы сплавов, образуемых одним из компонентов с химическим соединением. На рис. 12 изоб­ражена диаграмма для случая, когда каждый из компонентов образу­ет с химическим соединением механическую смесь.

Что такое сплав?

Металлический сплав представляет собой вещество, которое объединяет более одного металла или смешивает металл с другими неметаллическими элементами.

Например, латунь представляет собой сплав двух металлов: меди и цинка. Сталь представляет собой сплав металлического элемента (железа) и небольшого количества — до 2 % — неметаллического элемента (углерода).

Сплавы являются примером того, что «работа в команде заставляет мечту работать», поскольку каждое вещество в сплаве придает свои свойства раствору или смеси. Некоторые сплавы сочетают в себе лучшие качества каждого элемента и создают конечный продукт, более твердый, долговечный и/или более устойчивый к коррозии.

Тщательная химия, которая используется для создания этих точных соотношений, в конечном итоге производит вещества с уникальными полезными свойствами.

Как изготавливают сплавы? Как работают сплавы?

Более глубокое изучение химии сплавов показывает, почему сплавы так полезны в самых разных отраслях промышленности.

Поскольку сплавы сочетают в себе разные элементы, они содержат атомы разного размера. То, как эти атомы объединяются и взаимодействуют друг с другом, определяет классификацию сплавов. В химии сплавов сплав можно классифицировать как замещающий или внедренный в зависимости от его атомного расположения.

сплавы замещения

Сплавы замещения образуются в результате механизмов обмена атомами. Металлические компоненты имеют одинаковые атомные радиусы и возможности химической связи, поэтому атомы одного металла могут занимать те же места, что и их аналог в атомной решетке металла. Хорошо известные замещающие сплавы включают латунь и бронзу.

Сплавы внедрения

Сплавы внедрения образуются, когда более мелкие атомы одного элемента заполняют отверстия в металлической решетке. Атомы каждого элемента не занимают одни и те же позиции. Сталь является примером междоузельного сплава. В случае стали меньшие атомы углерода заполняют промежутки между атомами железа.

Химия увлекательна, но мы перейдем к сути: в обоих случаях атомы в сплаве не могут скользить друг по другу так же легко, как атомы в чистом металле, а это означает, что сплав прочнее и тверже, чем в обоих случаях. чистых металлов, используемых для его создания. Думайте об этом как о липучке: если у вас есть только одна сторона липучки, она не будет прилипать сама к себе так прочно, как контрастные петли и крючки будут сцепляться друг с другом.

Чем полезны сплавы металлов?

Чистые металлы редко используются в производстве, так как они слишком ковкие или мягкие. Но, как мы показали выше, легирование металла часто улучшает его свойства. Некоторые сплавы созданы, чтобы иметь лучшую стойкость к коррозии или лучшую проводимость, а некоторые созданы, чтобы значительно увеличить их несущую способность.

Физические свойства сплава, такие как проводимость, реакционная способность и плотность, могут незначительно отличаться от составляющих его элементов. Однако технические свойства сплава, такие как прочность на сдвиг и прочность на растяжение, могут существенно различаться.

Из-за этого металлические сплавы пользуются большим спросом в различных областях и отраслях, таких как производство, электроника, товары для дома, архитектура, сантехника, а также автомобильная и аэрокосмическая промышленность.

Примеры популярных сплавов и их применения:

Латунь

Латунь — это сплав меди и цинка. Латунь имеет низкую температуру плавления и чрезвычайно удобна в обработке и долговечна. Он используется в тех случаях, когда требуется низкое трение и устойчивость к коррозии, например:

  • Замки
  • Подшипники
  • Компоненты боеприпасов
  • Части прибора
  • Украшение

Фосфористая бронза

Фосфористая бронза состоит из меди, легированной 0,5-11% олова и 0,01% фосфора. Он устойчив к коррозии и усталости и должен использоваться в:

  • Сварочные стержни
  • Втулки
  • Подшипники
  • Пружины
  • Детали переключателя
  • Судовые гребные винты и другие применения в морской среде

Сталь

Сталь представляет собой сплав железа и углерода. Обладает высокой прочностью на растяжение и низкой стоимостью. Mead Metals предлагает множество классификаций стали, таких как нержавеющая сталь, отожженная и отпущенная пружинная сталь и холоднокатаная сталь. Часто используется в:

  • Автозапчасти
  • Инфраструктура
  • Строительство
  • Товары для дома
  • Кухонные приборы

Бериллиевая медь

Бериллиевая медь, также известная как Alloy 25 или BeCu, представляет собой медный сплав с содержанием бериллия 0,5-3%. Он поддается сварке, пластичен, обладает немагнитными и искробезопасными свойствами. Он устойчив к окислению, коррозии и неокисляющим кислотам. Кроме того, бериллиевая медь обладает отличными тепловыми и электрическими свойствами. Часто используется в:

  • Контакты электронного разъема
  • Малые пружины
  • Музыкальные инструменты
  • Компьютерные компоненты
  • Инструменты для опасных сред, таких как аэрокосмическая техника и металлообработка

Металлические сплавы дорогие?

Распространенное заблуждение состоит в том, что металлические сплавы дороги из-за множества этапов, необходимых для их производства. Однако многие металлические сплавы, такие как латунь и бронза, использовались в течение столь долгого времени, что их часто можно было получить по более низкой цене, чем входящие в их состав чистые металлы.

Наш опыт означает, что вы экономите.

По нашему опыту, ненужные расходы для производителя возникают, когда у поставщика есть высокий MOQ для специального металла, такого как бериллиевая медь. Мы понимаем, что производители часто нуждаются в меньшем количестве нишевого сырья и недостаточно обслуживаются крупными дистрибьюторами.

Если вы ищете поставщика, который предлагает низкий минимальный объем заказа на специальные металлы, сохраняя при этом конкурентоспособные сроки поставки и непревзойденное обслуживание клиентов, свяжитесь с Mead Metals, чтобы получить быстрое предложение сегодня.

Металлические сплавы для изготовления ювелирных изделий

Узнайте, как структура металла и свойства различных сплавов влияют на распространенные материалы при создании ювелирных изделий. Для ювелира нет ничего более полезного, чем научиться превращать свои проекты из бумаги в металлическую форму.

Если вы начинающий кузнец, этап проектирования ювелирных изделий представляет собой сложную задачу. У вас может быть идея, но вы не знаете, как точно изложить ее на бумаге. Когда эта стена рухнет, ваши проекты будут расти и развиваться. Следующей проблемой будет металл как материал. Вы начнете мечтать о геометрических формах и складках, коробках и трубочках. Итак, преобразование идей в трехмерные украшения станет вашей следующей задачей. Использование металлических сплавов для изготовления ювелирных изделий может стать творческим препятствием, если вы не понимаете основ структуры, включая как возможности материалов, так и ограничения.

В этой статье мы рассмотрим физические свойства металлических сплавов для изготовления ювелирных изделий. Мы начнем с обзора молекулярной структуры элементарных металлов, поскольку она напрямую влияет на свойства, которые вы испытаете в студии. Затем мы обсудим, что происходит, когда вы смешиваете два или более металлических элемента для создания сплава . Большинство металлов, с которыми мы работаем в ювелирной мастерской, представляют собой сплавы.

Металлические конструкции

Различные структуры из чистого металла важны для понимания того, как работают металлы. Как ни странно, металлы имеют кристаллическую структуру на молекулярном уровне. Это упорядоченная конструкция с электронами, которые действуют как клей, связывая все вместе. Эта прочная связь будет удерживать симметричную структуру на месте. Три кристаллические структуры, известные как решетки встречаются в чистых металлах.

Первые две кубические структуры. Атомы могут легко скользить друг по другу в этих кристаллах из-за формы кристаллических кубов. Плотно упакованная структура FCC допускает большее количество плоскостей скольжения, чем слабоупакованная структура BCC. Общее количество атомов внутри этих кубических структур имеет важное значение. Чем больше атомов, тем пластичнее металл. Чем меньше атомов, тем прочнее металл. Странным является структура HCP, поскольку она имеет 6 плотно упакованных атомов, но с ее гексагональной структурой меньше плоскостей скольжения, что обеспечивает пластичность металла. Вот краткий пример каждого из них.

Примечание. Глядя на структуры ниже, вы можете соотнести по цвету, где каждый атом находится в молекулярной структуре, а затем сравнить их с каждым многослойным изображением. Многоуровневое представление важно для понимания того, насколько плотно упакованы атомы.


Наиболее распространенной молекулярной конфигурацией ювелирных металлов является гранецентрированная кубическая (FCC) структура кристаллической решетки. Кубическая структура плотно упакована с 4 атомными ячейками на единицу, как показано на графике молекулярной структуры слева. Структура имеет плотную форму, и атомы легко скользят друг по другу. Металлы с такой структурой относятся к мягким металлам, называемым пластичный . К ним относятся золото, свинец, никель, алюминий, медь, серебро и платина. Эти элементы составляют наиболее распространенные металлические сплавы для ювелирных изделий. Ковкие металлы можно формовать и рисовать в студии с помощью инструментов.

Второе расположение, объемно-центрированная кубическая (ОЦК) структура, всего 2 атома на элементарную ячейку. Упакованные кубические единицы образуют симметричную кристаллическую структуру. Поскольку структура настолько рыхлая и имеет меньше атомов, они не могут легко двигаться. Такая конфигурация затрудняет манипуляции с металлом, создавая очень прочный  материал. Металлы с такой структурой — вольфрам и альфа-железо.

Наконец, структура Hexagonal Close-Packed (HCP) представляет собой плотно упакованную структуру, аналогичную структуре FCC. Однако есть одно существенное отличие: гексагональная структура не позволяет атомам скользить друг по другу при приложении силы. Эта структура состоит из 6 атомов на элементарную ячейку, как показано на рисунке слева. Металлы, попадающие в эту категорию, считаются хрупкий  потому что если вы попытаетесь согнуть или сформировать их силой, они сломаются. Металлы со структурой HCP включают цирконий, титан и цинк.

Сплавы

Некоторые чистые металлы, такие как золото и серебро, слишком мягки в своем чистом элементарном состоянии. Ювелиры добавляют различные металлы, чтобы укрепить материал и повысить износостойкость при носке. Полученная смесь двух или более металлических элементов называется сплавом .

Например, чистое серебро легко гнется и царапается. Металлический сплав для ювелирных изделий, такой как стерлинговое серебро, является лучшим решением для большинства применений. Чтобы сделать стерлинговое серебро, вы должны сплавить 92,5% чистого серебра с 7,5% меди, чтобы иметь более прочный металл для работы. Когда оба атома металла имеют одинаковый размер, они станут сплавом замещения , что означает, что новые атомы просто заменят некоторые атомы основного металла в структуре. Например, серебро и медь имеют структуру FCC. Когда вы добавляете медь к серебру, медь заменяет некоторые атомы серебра. Структура FCC остается прежней, сплав сохраняет свои пластичные свойства, и его можно легко формовать или рисовать в студии.

Если у вас есть два объединенных металла, которые не имеют одинакового атомного размера, он становится сплавом с междоузлиями . Сплав внедрения изменяет молекулярную структуру основного металла, потому что новые атомы слишком малы, чтобы заменить уже существующие атомы. Эти новые меньшие атомы, которые вводятся, попадают между более крупными исходными атомами, чтобы заполнить пустое пространство. Прекрасным примером является сталь, представляющая собой сплав железа и углерода. Атомы углерода намного меньше атомов железа, поэтому они проскальзывают между атомами железа, не заменяя их.

Элементы сплавляются для достижения различных свойств, таких как прочность, ковкость, долговечность, устойчивость к потускнению, а иногда и просто для цветовых предпочтений. Полученный сплав сохраняет стабильные свойства на протяжении всей партии металла.

Нагартование

Три металлические конструкции, показанные выше, почти идеальны, когда они находятся в своем естественном состоянии. Как только вы начинаете прикладывать силу к металлу, будь то удар молотком, прокалывание, резка и т. д., вы изменяете первоначальную структуру, и поэтому металл становится все более твердым. Причина, по которой это становится нагартованное  в том, что вы вызываете дислокации в кристаллических структурах. Когда дислокаций слишком много, металл в конечном итоге разрушается. Чтобы реструктурировать кристаллы, вы нагреваете металл до высоких температур, затем закаливаете его или даете ему остыть на воздухе (в зависимости от типа металла) в процессе, называемом отжигом . Возможно, вам придется несколько раз отжигать во время работы с металлом, чтобы продолжать манипулировать металлом. Но, когда изделие готово, вы можете захотеть, чтобы оно сохраняло свою форму во время носки.

Еще один способ закалить металл — нагреть его определенным образом. Например, вы можете смягчить или затвердеть стерлинговое серебро, просто используя тепло. Чтобы смягчить стерлинговое серебро, нагрейте его до 1200 градусов, затем дайте ему остыть на воздухе в течение 15 минут, а затем охладите. Чтобы затвердеть, нагрейте его в течение 30-45 минут при температуре 600 градусов, затем дайте ему остыть на воздухе.

Отжиг

Компания Halstead является одним из ведущих дистрибьюторов качественных ювелирных изделий в Северной Америке. В этом году компания отмечает свое 46-летие. Halstead специализируется на оптовых продажах фурнитуры, цепей и металлов для художников-ювелиров.

Ресурсы:

Wikipedia
NDT -Resource Center
Chemguide
Total Materia
Annenberg Ученик

Дополнительные статьи:

паяльные золотые ювелирные изделия

Виды серебряного паяла. Ювелирные изделия

Припои, горелки и топливо, используемые в ювелирной студии

Лаборатория Холстеда Испытания для контроля качества: Программа обеспечения качества ювелирных изделий