Материаловедение сплавы: учебное пособие — Научно-исследовательский портал Уральского федерального университета

alexxlab | 09.01.2023 | 0 | Разное

Глава 2.1. Понятие о металлах и сплавах — Купити в Харкові, Києві, Україні. Безкоштовне тестування

Из всех известных в настоящее время элементов более половины являются металлами. Металлы — непрозрачные вещества, обладающие специфическим металлическим блеском, пластичностью, высокой тепло- и электропроводностью. По последнему свойству металлы легко отличить от других веществ (дерево, стекло и т.д.).

Все металлы и образованные из них сплавы делят на черные, к которым относят железо и сплавы на его основе (на их долю приходится около 95 % производимой в мире металлопродукции), и цветные. В технике принята условная классификация, по которой цветные металлы делят на группы: легкие (Al, Mg), тяжелые (Си, РЬ), тугоплавкие (W, Мо), благородные (Au, Pt), рассеянные (Gd, In), редкоземельные (Sc, Y), радиоактивные (Ra, U).

Понятие «чистый металл» условно, любой чистый металл содержит примеси. Под этим термином понимается металл, содержащий 0,010. ..0,001 % примесей. Современная металлургия позволяет получать металлы высокой чистоты (99,999%). Однако примеси, даже в малых количествах, могут оказывать влияние на свойства металла.

Чистые металлы обладают низкой прочностью, поэтому их применение в технике в качестве конструкционных материалов ограниченно. Наиболее широко применяют сплавы, которые по сравнению с чистыми металлами обладают более высокой прочностью и твердостью.

Сплавы — это сложные вещества, получаемые сплавлением или спеканием двух или более компонентов. Компоненты — простые вещества (часто это химические элементы), образующие сплав. При сплавлении все компоненты сплава первоначально находятся в жидком состоянии; при спекании, по крайней мере, один из компонентов находится в твердом состоянии. Сплавы могут состоять только из металлов, например латуни — это сплавы двух металлов: меди и цинка, или металлов и неметаллов, так, наиболее распространенные в технике материалы — стали и чугуны являются сплавами железа и углерода.

Строение металлического сплава более сложное, чем у чистого металла.

Для рассмотрения строения, превращений и свойств металлов и сплавов введем понятия «фаза» и «структура». Фазой называется однородная часть сплава, обладающая одинаковым химическим составом, строением и имеющая границы раздела с другими фазами, при переходе через которые свойства сплава резко меняются. Например, жидкий металл является однофазной системой. В процессе кристаллизации система состоит уже из двух фаз: жидкой и твердой. При этом свойства фаз значительно различаются. Фазами могут быть отдельные металлы или неметаллы, химические и другие соединения.

Под структурой понимается строение металла, т.е. количество фаз, их форма и размер, а также взаимное расположение. Структурными составляющими сплава называются обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями. Структурные составляющие могут состоять из одной, двух или более фаз.

• Наступна

Материаловедение – Научная электронная библиотека

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Часть I. ТЕОРИЯ СПЛАВОВ

Глава 1. Строение и свойства металлов

1.1. Атомное строение металлов
1.2. Межатомная связь
1.3. Кристаллическое строение металлов
1.4. Кристаллографические обозначения атомных плоскостей
1.5. Строение реальных кристаллов. Дефекты в кристаллах
1.6. Процессы плавления и кристаллизации
1.6.1. Плавление металлов
1.6.2. Энергетические условия процесса кристаллизации
1.6.3. Механизм и законы процесса кристаллизации
1.6.4. Строение металлического слитка
1.6.5. Полиморфные превращения
1.6.6. Магнитные превращения
1.7. Пластическая деформация и рекристаллизация металлов
1.7.1. Пластическая деформация
1.7.2. Возврат и рекристаллизация

Глава 2. Методика исследования структуры, фазового состава и механических характеристик металлов и сплавов

2. 1. Исследование макроструктуры
2.2. Микроструктурный анализ
2.3. Рентгеновский и другие методы анализа
2.4. Механические свойства металлов
2.4.1. Методы механических испытаний металлов
2.4.2. Испытание на растяжение
2.4.3. Испытание на твердость
2.4.4. Определение ударной вязкости
2.4.5. Испытание на усталость
2.4.6. Испытания при повышенных температурах

Глава 3. Строение и свойства сплавов

3.1. Общая характеристика сплавов
3.2. Твердые растворы
3.3. Химические соединения
3.4. Эвтектики

Глава 4. Диаграммы состояния систем

4.1. Основные сведения
4.2. Правило фаз
4.3. Диаграмма состояния сплавов, не растворяющихся друг в друге в твердом состоянии
4.4. Правило отрезков
4.5. Диаграмма состояния сплавов, образующих неограниченные твердые растворы
4.6. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии
4.7. Диаграмма состояния сплавов, образующих химические соединения
4. 8. Диаграммы состояния сплавов, компоненты которых обладают полиморфизмом
4.9. Диаграммы состояния сплавов из трех компонентов
4.10. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния

Часть II. ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

Глава 5. Железоуглеродистые сплавы

5.1. Железо
5.2. Углерод
5.3. Фазы железоуглеродистых сплавов
5.4. Диаграмма состояния «железо – углерод»
5.5. Углеродистые стали
5.5.1. Влияние углерода и постоянных примесей на структуру и свойства стали
5.5.2. Классификация и маркировка углеродистых сталей
5.6. Чугуны
5.6.1. Характерные особенности чугунов
5.6.2. Процесс графитизации
5.6.3. Структура и свойства чугуна
5.6.4. Классификация и маркировка чугунов
5.6.5. Легированные чугуны

Глава 6. Теория термической обработки стали

6.1. Разновидности термической обработки стали
6.1.1. Образование аустенита
6.1.2. Распад аустенита при охлаждении
6.1.3. Мартенситное превращение
6.1.4. Промежуточное (бейнитное) превращение
6.1.5. Превращения при нагреве закаленной стали
6.2. Влияние термической обработки на свойства стали

Глава 7. Технология термической обработки стали

7.1. Нагрев при термической обработке
7.2. Контроль температурного режима
7.3. Отжиг и нормализация
7.4. Закалка
7.4.1. Определение температуры нагрева под закалку
7.4.2. Время нагрева
7.4.3. Воздействие нагревающей среды
7.4.4. Закалочные среды
7.4.5. Прокаливаемость
7.4.6. Внутренние напряжения
7.4.7. Способы закалки
7.4.8. Дефекты, возникающие при закалке
7.5. Обработка стали холодом
7.6. Отпуск стали
7.7. Поверхностная закалка

Глава 8. Химико-термическая обработка стали

8.1. Назначение и физические основы химико-термической обработки
8.2. Цементация стали
8.3. Азотирование стали
8.4. Цианирование стали
8.5. Диффузионная металлизация

Часть III. РАЗНОВИДНОСТИ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

Глава 9. Легированные стали и сплавы

9.1. Необходимость легирования стали
9.2. Общая характеристика легирующих элементов, их влияние на свойства стали
9.3. Фазы и структурные составляющие легированных сталей
9.4. Влияние легирующих элементов на фазовые превращения в стали
9.5. Особенности термической обработки легированных сталей
9.6. Классификация и маркировка легированных сталей
9.7. Маркировка зарубежных сталей

Глава 10. Конструкционные стали

10.1. Влияние легирующих элементов и структуры на механические свойства стали
10.2. Термическая обработка конструкционных сталей
10.3. Цементуемые стали
10.4. Улучшаемые стали
10.5. Пружинные стали
10.6. Шарикоподшипниковые стали
10.7. Высокопрочные стали
10.8. Износостойкие стали
10.9. Коррозионно-стойкие стали и сплавы
10.10. Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы

Глава 11. Инструментальные стали и сплавы

11.1. Классификация инструментальных сталей и сплавов
11. 2. Стали для режущего инструмента
11.3. Стали для мерительного инструмента
11.4. Штамповые стали
11.5. Твердые сплавы

Глава 12. Стали и сплавы с особыми свойствами

12.1. Магнитные и немагнитные стали и сплавы
12.2. Электротехнические материалы
12.3. Сплавы с особыми тепловыми свойствами
Часть IV. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

Глава 13. Алюминий и его сплавы

13.1. Свойства алюминия
13.2. Алюминиевые сплавы
13.2.1. Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой
13.2.2. Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой
13.2.3. Литейные алюминиевые сплавы

Глава 14. Магний и его сплавы

14.1. Свойства магния
14.2. Сплавы на основе магния
Глава 15. Медь и ее сплавы
15.1. Свойства меди
15.2. Латуни
15.3. Бронзы

Глава 16. Титан и его сплавы

16.1. Свойства титана
16.2. Сплавы на основе титана

Глава 17. Тугоплавкие металлы и сплавы на их основе

17.1. Основные свойства тугоплавких металлов
17. 2. Сплавы на основе тугоплавких металлов

Часть V. МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Глава 18.

18.1. Атомная энергетика, ее разновидности и применение
18.2. Общая характеристика металлов, применяемых в атомной энергетики
18.2.1. Уран
18.2.2. Плутоний
18.2.3. Галлий
18.2.4. Полоний
18.2.5. Цирконий
18.2.6. Бериллий
18.2.7. Бор

Часть VI. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Глава 19. Полимеры

19.1. Пластические массы
19.2. Классификация пластмасс
19.3. Разновидности пластмасс, их свойства и применение
19.3.1. Ненаполненные пластмассы
19.3.2. Пластмассы с порошкообразными наполнителями
19.3.3. Пластмассы с волокнистыми наполнителями
19.3.4. Пластмассы со слоистыми наполнителями
19.3.5. Газонаполненные пластмассы

Глава 20. Резины

20.1. Классификация резин

Глава 21. Керамические материалы

21.1. Механические свойства
21.2. Теплофизические свойства
21.3. Электрофизические свойства
21. 4. Химические свойства
21.5. Стойкость к излучению
21.6. Особенности изготовления деталей из керамических материалов
21.7. Керамические материалы на основе огнеупорных окислов
21.8. Пьезоэлектрическая керамика

Глава 22. Стеклянные материалы

22.1. Основные свойства стекол
22.2. Закаленное стекло
22.3. Пеностекло
22.4. Ситаллы
22.5. Кварцевое стекло

Глава 23. Композиционные материалы

23.1. Основные свойства и классификация композиционных материалов
23.2. Композиционные материалы с нуль-мерными наполнителями
23.3. Композиционные материалы с одномерными наполнителями
23.4. Эвтектические композиционные материалы
23.5. Композиционные материалы на неметаллической основе
Список литературы

Материаловедение и инженерия: металлы

От самурайского меча до стальной двутавровой балки и катушек электромагнита металлы являются частью нашего прошлого, настоящего и будущего.

Металлы характеризуются ковкостью, пластичностью, высокой электро- и теплопроводностью и блестящей поверхностью, отражающей свет. Металлическая связь, при которой валентные электроны являются общими для всего твердого тела, приводит к появлению «свободных» электронов, ответственных за электрические, тепловые и оптические свойства металла.

Знаете ли вы?  Подавляющее большинство химических элементов в периодической таблице представляют собой металлы.

Элементарные металлы имеют недостатки, ограничивающие их полезность. Материаловеды и инженеры производят превосходные металлы, часто сплавляя (смешивая элементы).

Практическое инженерное применение – Из огромного количества сплавов и с использованием соответствующих методов обработки ученые определяют сплавы, которые являются более прочными, легкими и наиболее инертными для технических применений; например: для строительства небоскребов, мостов, самолетов и подводных лодок.

Новаторские исследования в области материаловедения и инженерии в Университете Мэриленда

 

Профессор Лян Бинг Ху и его сотрудники разработали новый метод приготовления ранее недоступных сплавов. Прочтите полную историю здесь. Статья из научного журнала Веб-страница лаборатории профессора Ху

 

Профессор Манфред Вуттиг и его коллеги из Кильского университета, Германия, разработали сплав с памятью формы, который может выдерживать миллионы циклов нагрузки и нагревания без признаков усталости. Это делает технологию подходящей для искусственных сердечных клапанов и хлопающих крыльев. Прочтите полную историю здесь.

Ссылка на статью журнала Science Magazine здесь.

Ссылка на отчет BBC здесь.

Профессор Саламанка-Риба возглавляет разработку технологии производства, включающей графен в алюминий и медь. Полученные композитные материалы, называемые «коветиками», обладают лучшими электрическими, механическими и тепловыми свойствами, чем исходный металл. Covetics может повысить энергоэффективность линий электропередачи и межсоединений устройств, среди прочего. Прочтите полную историю здесь.

Профессор Одед Рабин и его исследовательская группа используют серебряные кубики размером 100 нанометров (1/10000 миллиметра) для обнаружения молекул.

С помощью кубов сигнал можно идентифицировать всего с десятью тысячами молекул. Без нанокубов потребовалось бы десять миллиардов молекул. Прочтите полную историю здесь.

Ссылка на статью ACS Nano здесь.

Ссылка на веб-страницу лаборатории профессора Рабина.

Начните захватывающую карьеру, поступив в бакалавриат, магистр наук. или доктор философии программы Департамента материаловедения и инженерии, и вы можете принять участие в развитии области материалов. Всем студентам предоставляется возможность присоединиться к исследовательским группам и выполнять лабораторные работы в интересующей их области.

Узнайте о нашей программе бакалавриата здесь.

Узнайте о нашей программе для выпускников здесь.

Металлы — UMD Researchers

Анкем	Ху	Рабин
Саламанка-Риба	Вуттиг	Чжао

 

Большинство металлических сплавов обладают высокой степенью кристалличности, что является ключом к их способности пластически деформироваться и сопротивляться разрушению при повторяющихся механических нагрузках — хорошими примерами этого являются сплавы, используемые в самолетах, которые могут компенсировать деформацию при высокоскоростном полете, или мосты предназначен для сгибания на ветру.

Знаете ли вы? Материаловеды используют быстрое затвердевание для получения аморфных (некристаллических) металлов, известных как металлические стекла. Они удивительно твердые, хрупкие и электропроводящие.

Время перерыва   —   MSE @ UMD Media Center

Аморфный металл:  Аморфные металлы не обладают механизмом поглощения механической энергии. Достигающие их объекты отскакивают, не передавая энергию металлу. Это показано в связанном видео путем сравнения обычного металла (слева) с аморфным металлом (справа). Нажмите на изображение, чтобы продолжить. Видео откроется в новой вкладке.

В этом примере аморфный металл образовался путем объединения 5 различных атомов: циркония, титана, меди, никеля и бериллия (Zr41.2Be22.5Ti13.8Cu12.5Ni10.0). Различные атомные диаметры этих элементов и необычный состав сплава не позволяют атомам выстраиваться в правильную кристаллическую структуру. Атомы не могут легко скользить друг относительно друга при деформации, что приводит к очень твердому материалу. Когда стальной шариковый подшипник падает на аморфный металл, шарик много раз отскакивает, прежде чем остановится. Металлическое стекло не деформируется при ударе, поэтому шарикоподшипник дольше сохраняет свою энергию.

Металлы с памятью формы:  Материалы с памятью формы обладают необычным свойством «запоминать» форму, в которую они были сформированы при высокой температуре. Например, если кусок проволоки из металлического сплава с памятью формы деформируется, он вернется в исходное состояние при воздействии тепла. Нажмите на изображение, чтобы продолжить. Видео откроется в новой вкладке.

В этом примере проволока изготовлена ​​из нитинола, никель-титанового сплава. Материалы с памятью формы претерпевают фазовый переход в твердом состоянии, при котором атомы перестраиваются, но материал остается твердым. В низкотемпературной фазе материал может реагировать на механические силы, слегка сдвигая положения атомов друг относительно друга. Когда это происходит, мы наблюдаем деформацию материала. В высокотемпературной фазе эти сдвиги невозможны; поэтому при нагревании атомы возвращаются в исходное положение, и мы наблюдаем восстановление формы материала.

MSE не только улучшает обычные свойства металлов, но и обнаруживает необычное поведение. Например, характеристики нитинола, металлического сплава титана и никеля, включают:

• Материал с памятью формы — после деформации он возвращается к своей первоначальной форме при нагревании.
• Сверхэластичность — сохраняет уровень натяжения, несмотря на изменения длины.
• Биосовместимый — не оказывает неблагоприятного воздействия при контакте с живой тканью.
• Использование в медицине — сердечно-сосудистые стенты, зубные брекеты и многое другое.

Инструменты металлообработки зависят от того, являются ли характеристики объекта метрами, миллиметрами или нанометрами. При приближении к нанометровому масштабу, в котором электроны ведут себя как волны и важны поверхностные эффекты, металлические объекты приобретают интригующие свойства. Например, наночастицы металлов интенсивно рассеивают свет, из-за чего они кажутся намного больше, чем они есть на самом деле! Сферические наночастицы серебра делают воду ярко-желтой, а наночастицы золота окрашивают ее в бордовый цвет. Эти новые оптические свойства интересны для сенсорных и коммуникационных технологий.

Узнайте больше о нанотехнологиях и MSПосетите Наноцентр

Фильмы, истории и ссылки

Демонстрация – Аморфные металлы

(видео открывается в новой вкладке)

Демонстрация — сплав с памятью формы

(видео открывается в новой вкладке)

• Weird, Weird Science
  Джон Сайзмор предлагает фильмы на самые разные темы на своем сайте Dailymotion. Его серия видео о материалах «Увеличить масштаб» включает «Увеличить масштаб стали», «Увеличить масштаб латуни» и «Увеличить масштаб алюминия».
• Домашние инструменты науки: узнайте о металлах
  Объясняет свойства и типы металлов, как металлы получают из руды и коррозию.
• The Aluminium Association
  Знаете ли вы, что более трети общего объема производства алюминия в США поступает за счет вторичной переработки? Узнайте больше здесь.

 

Назад к «Что такое MSE?»Полезная информация для будущих студентов

Что такое сплавы? (Определение, примеры и металлургия) – Материаловедение и инженерия

Меня как человека, зарабатывающего на жизнь изучением металлургии, часто раздражает дезинформация, распространяемая о сплавах. Я могу (в основном) простить такие фильмы, как Тихоокеанский рубеж , когда они предполагают, что чистые металлы каким-то образом прочнее сплавов, но я даже видел дезинформацию о сплавах, распространяемую на «информационных» сайтах. Пришло время установить рекорд.

Сплавы – это металлы, состоящие из более чем одного элемента. Вот и все. Пока конечный продукт ведет себя как металл, но он не является элементарно чистым, это сплав. Нет специальных правил относительно твердого раствора, количества фаз или соотношения металлических и неметаллических элементов. Вы также можете думать о сплавах как о намеренно разработан из металлов.

Сплавы, как и все металлы, являются отражающими, прочными, хорошими проводниками и (обычно) пластичными. Эти свойства обусловлены металлической связью.

Схема

• Чем полезны сплавы?
• Как разрабатываются сплавы?
• Эффекты твердого раствора
• Типы сплавов
• Может ли чистый металл быть сплавом?
• Примеры сплавов
• Последние мысли

Чем полезны сплавы?

Путем легирования – добавления новых элементов в чистый металл – можно добиться новых свойств. Например, предположим, вы смешали свинец и олово. Это приведет к более низкой температуре плавления, чем любой чистый металл!

Точно так же, как легирование снижает температуру плавления, оно увеличивает прочность материала. Латунь и бронза намного прочнее чистой меди. Сталь (железо, легированное углеродом) намного прочнее чистого железа.

Обратите внимание, что сплав меди и никеля имеет более высокую прочность, чем простой композит из чистого никеля и чистой меди.

В очень редких случаях чистый металл работает лучше, чем сплав. Обычно более низкая температура плавления хороша, поскольку для обработки конечного продукта требуется меньше энергии. Более высокая прочность обычно хороша, потому что прочность является одним из наиболее важных свойств материала.

Как разрабатываются сплавы?

Сплавы изготавливаются путем смешивания металла с другими элементами (обычно с большим количеством металлов). Это «смешивание» может быть выполнено путем плавления элементов вместе (литье, индукционная плавка или вакуумная дуговая плавка).

Более дорогой способ изготовления сплавов называется порошковая металлургия , при котором частицы металла сжимаются вместе и сплавляются в процессе, называемом «спекание». Порошковая металлургия имеет много преимуществ перед обычной плавкой, потому что вы можете комбинировать элементы с разными температурами плавления и получать однородную смесь. Однако сделать металлический порошок непросто!

Сплавы обычно предназначены для твердого раствора . Возможно иметь сплав , а не в твердом растворе, но такие случаи редки. Как правило, если два металла не находятся в твердом растворе, они не будут обладать «металлическими» свойствами (и не будут называться «сплавами»). Сплавы также могут иметь выделения , которые не находятся в твердом растворе.

Твердый раствор означает, что одна фаза является доминирующей. Атомы другого элемента растворены в доминирующей фазе, как сахар в воде. (Эскимо — хорошая аналогия для сплавов). Когда вы добавляете сахар в воду, вы получаете сладкую воду. Добавьте больше сахара, и у вас все еще будет вода, просто она слаще.

Но что произойдет, если вы добавите слишком много сахара? Количество сахара, которое может поместиться в воду при 90°C, намного больше, чем при 10°C. В этом случае избыток сахара будет осаждаться и образовывать кристаллы сахара – осаждение сплава происходит точно так же!

Эффекты твердого раствора

Почему сплавление двух металлов так отличается от их соединения в композит? В конце концов, разве это не то же самое количество атомов?

Ответ связан с привязанностью. В сплаве все атомы смешаны. Каждый атом одного элемента взаимодействует с несколькими атомами другого элемента. Это совсем другая ситуация, чем когда атомы элемента в первую очередь взаимодействуют сами с собой!

Если вы все еще не понимаете разницу между сплавом и композитом металл-металл, ознакомьтесь с этой статьей.

Но почему на самом деле происходит перемешивание твердых растворов? И почему атомы располагаются хаотично, а не в определенном порядке?

Расширенное объяснение того, почему происходит смешивание твердых растворов

Предположим, что вы смешиваете вместе два элемента: A и B.

Возможно, атомы А нравятся друг другу гораздо больше, чем атомы В. В этом случае материал разделится на две фазы (например, масло и вода). Это сводит к минимуму количество атомов A, которые касаются атомов B.

Также возможно, что атомы А любят атомы В гораздо больше, чем другие атомы А. Эта ситуация приводит к упорядоченному соединению (например, натрию и хлориду). Это максимизирует число атомов A, которые касаются атомов B.

Также возможно (и весьма вероятно, в металлах), что атомы А и В любят друг друга в отношении так же сильно, как они любят самих себя. Это приводит к твердому раствору (как и большинство металлов). Если A и B имеют одинаковый размер, они могут случайным образом заменить друг друга. Если A и B разного размера, то меньший из них занимает междоузельных мест между более крупными атомами.

Атомы располагаются случайным образом, потому что это максимизирует энтропию. Энтропия — это в основном хаос, и Вселенная всегда пытается увеличить энтропию. Это 2-й закон термодинамики.

Эта «энтропийная движущая сила» может изменить результаты сплава. Например, предположим, что А и Б на самом деле не любят друг друга. Обычно они образуют отдельные фазы. Но если есть 99% А и 1% В, то есть огромных прироста энтропии от распределения этих атомов В среди всех атомов А. Таким образом, вы, вероятно, получите твердое решение.

Однако, когда количества А и В примерно равны, прирост энтропии от распространения атомов В становится недостаточно большим, чтобы преодолеть неприязнь В к А. В результате получаются отдельные фазы!

Это может быть немного сложно понять, поэтому представьте, что у вас есть чистая комната. Вы приходите домой, снимаете одежду и бросаете ее на пол. В твоей комнате гораздо грязнее, чем раньше! Но представьте, что ваша комната уже захламлена. Действительно ли еще одна грязная рубашка влияет на общий беспорядок? Скорее всего, к этому моменту у вас накопится куча одежды на земле, и рубашка попадет в эту кучу.

Вот почему атомы А и В могут переходить в твердый раствор, даже если связи А-А и В-В прочнее, чем связи А-В. Фактически, для большинства сплавов связи А-А и связи В-В будут прочнее, чем связи А-В.

Вот почему температура плавления уменьшается при сплавлении металлов. Плавление сплава означает добавление кинетической энергии до тех пор, пока атомы не разорвут свои связи. Более слабые связи означают более низкую температуру плавления.

Но почему сплавы прочнее , чем чистые элементы?

Это очень сложно объяснить, если вы не знакомы с другими основными понятиями материаловедения. Для тех из вас, кто любит вызов, краткое объяснение включено в сворачиваемый текст.

Почему сплавы прочнее чистых металлов

Прочность материала – это его сопротивление деформации.

Металлы движутся дислокациями, поэтому чем прочнее металл, тем труднее скользить атомам друг относительно друга. Хотя связи А-В слабее, чем связи А-А или В-В (облегчая скольжение), тот факт, что атомы А и В имеют разные размеры, означает, что существует поле деформации.

Это поле деформации препятствует движению дислокаций, в результате чего металл становится более прочным. Мы называем это упрочнение твердым раствором , и это один из самых надежных способов сделать металлы более прочными.

Типы сплавов

Существует несколько широких классов сплавов.

Обычные сплавы

Сплавы замещения или внедрения. Большая часть композиции состоит из одного элемента с небольшими добавлениями других элементов. Если есть два элемента, это «двойной сплав», три элемента — «тройной», четыре элемента — «четвертичный», а пять элементов — «пятеричный». На практике сплавы с более чем тремя различными элементами будут называться «многокомпонентными».

Стали

Стали принципиально не отличаются от других сплавов, за исключением того, что они, возможно, являются наиболее передовым материалом, который может предложить металлургия. Высокотехнологичные стали могут содержать дюжину элементов в небольших количествах (в дополнение к Fe и C).

Суперсплавы

Суперсплавы — еще одна вершина металлургии. Суперсплавы похожи на микрокомпозиты. Они имеют матричную (твердый раствор) фазу и осадочную (интерметаллическую) фазу. Как и стали, современные суперсплавы могут иметь 10-20 легирующих элементов.

ВЭС

Высокоэнтропийные сплавы (ВЭС) доводят твердорастворное упрочнение до предела. Помните, я сказал, что большинство сплавов в основном состоят из одного элемента? Это потому, что интерметаллиды могут образовываться, если два элемента встречаются в одинаковых количествах. Вместо этого ВЭС объединяют 5 или 6 металлических элементов в равных соотношениях. Из-за энтропии смешения сплав остается одной фазой. HEA представляют собой новый тип сплава и не получили коммерческого распространения.

BMG

Объемные металлические стекла (BMG) представляют собой металлы, расположенные в аморфной структуре. Это означает, что нет упорядоченной кристаллической структуры. Они немного более развиты, чем HEA, но все еще встречаются редко.

Интерметаллиды

Интерметаллиды не считаются сплавами всеми учеными-материаловедами (см. мой аргумент здесь). Я предпочитаю называть их «интерметаллическими соединениями», а не «интерметаллическими сплавами», потому что атомы расположены в упорядоченной структуре, подобной керамике, а не в твердом растворе. Вообще интерметаллиды имеют ужасные свойства и совершенно бесполезны. Однако есть два заметных исключения. Упрочняющая фаза суперсплавов — интерметаллид, а NiTi — интерметаллид 9.Сплав с памятью формы 0009.

Может ли чистый металл быть сплавом?

Это чисто семантический аргумент. Большинство ученых-материаловедов со мной не согласны, так что, прочитав это, вы, скорее всего, запутаетесь. Тем не менее, я хочу снять его с груди, поэтому я решил поместить его здесь, в этом складном тексте.

Щелкните здесь, чтобы развернуть

На мой взгляд, слово «сплав» предполагает химически модифицированный металл. Добавьте к железу углерод и получите более прочный сплав — сталь. Добавьте в сталь хром, и получите коррозионностойкую нержавейку.

Легирование металла означает корректировку его состава для достижения определенных свойств. Но может ли «расщепление» достичь того же? Я верю, что может.

Представьте, что мне нужен материал с максимально возможной температурой плавления. Мы уже обсуждали, что наличие дополнительных атомов в вашем металле снижает температуру плавления. Так что в этом случае я бы хотел взять чистый вольфрам и дополнительно очистить его.

«Чистый вольфрам» может состоять из 99,99% вольфрама и 0,01% других вещей, которые производитель не смог удалить. Так что, если я намеренно разработаю процесс, чтобы сделать мой вольфрам 99,99999% чистоты, чтобы достичь максимально возможной температуры плавления?

У меня больше нет чистого элемента по умолчанию, у меня есть специально делегированный материал. Значит ли это, что это снова «сплав»?

Думаю да, но пока никто со мной не согласен!

Примеры сплавов

Сплавы могут быть определены их патентом, историческим использованием или производственными спецификациями.

Эти спецификации часто разрабатываются, поскольку необходимо удалить определенные примеси. Например, многие стальные сплавы имеют 0,03-0,05% фосфора. Это не потому, что добавление фосфора улучшает сталь, а потому, что это максимально допустимый уровень фосфора, а удалять больше этого слишком дорого.

Вот несколько примеров распространенных или уникальных сплавов.

Стерлинговое серебро

Стерлинговое серебро — это сплав, используемый в ювелирных изделиях. В ювелирных изделиях он определяется как содержащий 92,5% серебра, а остальное обычно представляет собой медь. Медь добавляется для увеличения прочности серебра (чистое серебро обычно слишком мягкое, чтобы носить его в качестве украшения). В качестве компромисса стерлинговое серебро имеет более низкую стойкость к окислению/коррозии, чем чистое серебро.

Ti-6Al-4V

Ti64 (произносится как Tie 6 4) — наиболее часто используемый титановый сплав. Он имеет отличное соотношение прочности к плотности, очень хорошую устойчивость к коррозии и окислению и в основном биосовместим. Ti64 доминирует в аэрокосмической промышленности, и его производят так много, что несмотря на то, что существует больше биосовместимых сплавов, Ti64 также часто используется в медицине для изготовления имплантатов. Каждый раз, когда вы видите модное слово «из титана», например, на SR-71, они, вероятно, имеют в виду Ti-6Al-4V.

Суперсплавы на основе никеля
Суперсплавы могут работать при высокой доле их температуры плавления. Они обладают большим сопротивлением ползучести, окислению и сопротивлением благодаря уникальной микроструктуре. Они относительно дороги в производстве, поэтому суперсплавы на основе никеля в основном используются в качестве лопаток в самых горячих секциях газотурбинного двигателя. Нержавеющая сталь

Нержавеющая сталь представляет собой стальной сплав (железо и углерод) с хромом, обеспечивающий устойчивость к окислению и коррозии. Это полезно, когда вы не хотите, чтобы сталь ржавела, например, кухонная утварь, хирургические инструменты, водопроводные трубы и украшения.

Припой

Припои представляют собой проводящие сплавы с низкой температурой плавления. Обычно они изготавливаются из свинца, олова и/или висмута. Поскольку они имеют низкую температуру плавления, сантехники, ювелиры и электрики плавят припои между другими металлами, чтобы соединить их вместе (например, горячий клей). Припои наиболее известны для соединения проводов с печатной платой.

Бронза

Бронзы – это медные сплавы. Помимо меди, они состоят из олова или других элементов, таких как алюминий, кремний, никель. Они обычно используются из-за сочетания прочности и высокой коррозионной стойкости.

Латунь

Латунь — еще один широко используемый медный сплав. Они состоят из меди и цинка. Латунь широко используется в быту, например, в ювелирных изделиях, монетах, музыкальных инструментах, гильзах и т. д.

Массовое металлическое стекло

Vitreloy был первым (и в настоящее время единственным?) коммерческим объемным металлическим стеклом (BMG). Это означает, что атомы , а не в кристаллической структуре, но дезорганизованы, как обычные стекла. Это повышает коррозионную стойкость, прочность и эластичность, но почти полностью устраняет пластичность при комнатной температуре. BMG часто используются в спортивном снаряжении, потому что они очень жесткие.

NiTi

50% Ni и 50% Ti образуют интерметаллическое соединение, биосовместимое, чрезвычайно эластичное и способное восстанавливать свою форму при нагревании. Обычно интерметаллические соединения очень прочные и хрупкие, потому что дислокации заблокированы, но вместо этого NiTi может деформироваться путем двойникования. Это также то, что позволяет процессу памяти формы. NiTi используется в проволочных оправах для очков, брекетах и ​​стентах.

Заключительные мысли

Сплавы являются одними из наиболее важных инженерных материалов. Металлы полезны своей проводимостью, отражательной способностью, формуемостью и предупредительными признаками того, что они сломаются.