Цветные металлы и сплавы

Алюминий - легкий металл серебристо-белого цвета, его плотность 2,7 г/см³, температура плавления 933 К. Механические свойства литого алюминия высокой чистоты и технического (отожженного)- алюминия соответственно следующие: предел прочности σВ=50 и 80 МПа, твердость НВ 150 и 250 МПа, относительное удлинение δ=45 и 30%.

Чистый алюминий - хороший проводник тепла и электрического тока, легко поддается холодной и горячей обработке давлением. Применяется для изготовления электропроводов, химической аппаратуры, для производства легких сплавов и т. п.

Основное промышленное применение получили алюминиевые сплавы, которые можно разделить на две группы: деформируемые и литейные.

Деформируемые сплавы обладают достаточно высокой прочностью и пластичностью (σВ=120...350 МПа, НВ 400...500, δ = 10... 25%) и поэтому сравнительно легко поддаются обработке как в горячем, так и в голодном состоянии (прокатке, прессованию, волочению, ковке, штамповку и др.); из деформируемых сплавов изготовляют прутки, листы, проволоку, прессованные профили, поковки и т.д.

К этой же группе сплавов относятся и дуралюмины сплавы со сложным химическим составом, основу которого составляют алюминий, медь и магний; для повышения коррозионной стойкости добавляют марганец. Дуралюмины характеризуются небольшой плотностью, высокой прочностью, достаточной твердостью и вязкостью (σВ = 200...250 МПа, НВ 400...500, δ = 18...25%).

Из литейных алюминиевых сплавов изделия получают методом литья. Такие сплавы обладают высокой жидкотекучестью, что позволяет изготавливать тонкостенные, плотные отливки со сравнительно малой усадкой, без трещин, с высокой прочностью, коррозионной стойкостью, тепло- и электропроводностью (σВ = 130...300 МПа, НВ500... 800, δ = 2...6%).

Никель - пластичный, блестящий белый металл с серебристым оттенком. Его плотность 8,9 г/см³, температура плавления 1726 К. Применяется главным образом в качестве легирующего элемента в производстве специальных сталей и сплавов (жаропрочных, нержавеющих и др.) и для защитных покрытий (никелирования).

Никелевые сплавы отличаются жаростойкостью, жаропрочностью, ценными магнитными или электрическими свойствами, высокой коррозионной стойкостью, прочностью и пластичностью (для мягких и твердых сплавов соответственно σВ = 420...600 и 730...820МПа, НВ900…1400 и 1900, δ = 40 и 3%). Благодаря этим ценным свойствам, никелевые сплавы используются для изготовления специальной аппаратуры, деталей точных измерительных приборов и т.п.

Медь - мягкий, пластичный металл розово-красного цвета, его плотность 8,44 г/см³, температура плавления 1356 К. Во влажной атмосфере покрывается зеленой пленкой окиси. Обладает высокой электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью, пластичностью (соответственно для литой и горячедеформируемой технической меди σВ=160 и 240 МПа, НВ 160 и 40, δ=25и 45%), что и определяет область ее применения: около 50% добываемой меди идет на нужды электротехнической промышленности. На основе меди изготовляют также сплавы - латуни, бронзы и др.

Медно-цинковые сплавы с содержанием меди от 55 до 91% называются латунями. Добавка в сплав, таких элементов, как алюминий, марганец и др., повышает его твердость, прочность (σВ=260...450МПа, НВ530...1000, δ=25...65%). Латуни нашли широкое распространение в машиностроении для изготовления листов, лент, полос, труб, арматур, втулок и т.д.

Бронзы - это сплавы меди с любым другим металлом (кроме цинка), а также с металлоидами. В качестве компонентов сплава применяются олово, алюминий, бериллий, марганец, свинец, кремний и др. Разнообразные бронзы, обладающие высокой прочностью, пластичностью, антифрикционными свойствами и коррозионной стойкостью, применяются в различных отраслях техники.

Магний - очень легкий, пластичный, блестящий металл серебристо-белого цвета, плотностью 1,74 г/см³ и температурой плавления 924 К. Механические свойства деформированного и отожженного магния: σВ=190 МПа, НВ400, δ=11%. Применяется для производства легких сплавов, раскисления получения ванадия, титана, урана, а также высокопрочного чугуна и др.

Цинк - блестящий металл голубовато-белого цвета, его плотность 7,1 г/см³, температуру плавления 692 К. На воздухе покрывается пленкой окиси. Применяется в качестве листового проката, в сплавах с другими металлами, для цинкования изделий, в химическом производстве и др.

Свинец -блестящий, мягкий металл синевато-серого цвета, очень пластичен, плотностью 11,3 г/см³ температурой плавления 600 К, легко обрабатывается давлением в холодном-состоянии. Применяется для изготовления оболочек кабелей, аккумуляторных пластин, химической аппаратуры и в виде сплавов с другими металлами.

Олово - мягкий, пластичный (плотность 7,3 г/см³, температура плавления 505 К), серебристо-белый блестящий металл, медленно тускнеющий на воздухе. Применяется для изготовления белой жести (консервная промышленность), в виде сплавов с другими материалами (бронза, антифрикционные сплавы) и для пайки.

Хром - серебристо-белый блестящий металл плотностью 7,2 г/см³ и температурой плавления 1823 К. Применяется главным образом в качестве легирующего элемента при выплавке жаропрочной, легированной стали и других сплавов, а также для защитных покрытий (хромирование).

Титан - легкий, тугоплавкий, прочный и пластичный металл серебристо-белого цвета, его плотность 4,5 г/см³, температура плавления 1938 К. Чистый титан имеет следующие механические свойства: σВ=250 МПа, НВ<1000 и δ=60%, а у технического титана, содержащего значительно больше примесей, σВ =300...550 МПа, НВ 2070, δ =27...30%. Чем больше примесей, тем выше прочность и ниже пластичность. Используется в химической промышленности, для производства сплавов, характеризующихся высокой прочностью, небольшой плотностью, высокой коррозионной стойкостью. Титановые сплавы также широко применяются в самолето- и ракетостроении. С углеродом титан образует очень твердые карбиды. Механические свойства титановых сплавов в отожженном состоянии: σВ=800...1000 МПа, НВ 2600...3000, δ = 8...20%.

Молибден - серебристо-серый блестящий тугоплавкий металл, его температура плавления 2893 К, плотность-10,2г/см³ (σВ =800...2500 МПа, НВ 2000...2550). Используется в производстве легированных сталей жаропрочных и кислотоупорных сплавов, для электроосветительных ламп и электровакуумных приборов.

Вольфрам - тяжелый тугоплавкий металл (плотность 19,3 г/см³ температура плавления 3683 К) светло-серого цвета. Широко применяется при изготовлении электрических ламп (нити накаливания) деталей в радиоэлектронике, а также для легирования стали, в производстве твердых, износостойких и жаропрочных сплавов.

Цирконий - химически активный твердый тугоплавкий металл серебристо-белого цвета. Чистый йодный цирконий отличается пластичностью, хорошо обрабатывается, представляет собой прекрасный антикоррозионный материал, его плотность 6,4 г/см³, температура плавления 2125 К. Благодаря своим свойствам цирконий применяется для изготовления деталей химической аппаратуры, медицинского инструмента, служит конструкционным материалом в ядерной энергетике и т.д. Добавка его в стали и цветные сплавы позволяет значительно повысить их механические свойства.

Механические свойства технически чистого циркония оценивают значениями σВ =400...600МПа и δ =20...30%.

Бериллий - легкий светло-серый металл с плотностью 1,85 г/см³ и температурой плавления 1557 К. Имея небольшую плотность, бериллий превосходит по прочности (при температуре 773 К) даже титановые сплавы. Бериллий является также хорошим замедлителем нейтронов. Кроме того, он обладает большой коррозионной стойкостью, благодаря чему получил применение в авиации, ракетостроении и ядерной технике.

1.1. Строение и свойства металлов

Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определенным набором свойств:

К физическим свойствам металлов относят плотность, температуру плавления, цвет, блеск, непрозрачность, теплопроводность, электропроводность, тепловое расширение. По плотности металлы разделяют на легкие (до 3000 кг/м³) и тяжелые (от 6000 кг/м³ и выше); по температуре плавления — на легкоплавкие (до 973 К) и тугоплавкие (свыше 1173 К). Каждый металл или сплав обладает определенным, присущим ему цветом.

Прочность — способность металла в определенных условиях и пределах не разрушаясь воспринимать те или иные воздействия, нагрузки. Это свойство учитывается при изготовлении и проектировании изделий, выборе того или иного металла, сплава. Наибольшее напряжение, которое может выдержать металл, не разрушаясь, называют пределом прочности, или временным сопротивлением разрыву. Образцы для измерения прочности подвергают испытанию на специальной разрывной машине, которая постепенно, с возрастающей силой растягивает образец до полного разрыва.

Упругость — свойство металла восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызвавших деформацию. Наибольшее напряжение, после которого металл возвращается к своей первоначальной форме, называют пределом упругости. Если при дальнейшем повышении нагрузки напряжение превышает предел упругости и удлинение сохраняется после разгрузки образца, такое состояние называют остаточным удлинением. Далее наступает предел текучести, т.е. образец продолжает удлиняться без увеличения нагрузки.

Пластичность — свойство металла под действием внешних сил изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять остаточные (пластические) деформации после устранения этих сил. Данное свойство также определяется и измеряется на разрывной машине. Высокой пластичностью обладают золото, серебро, платина и их сплавы. Менее пластичны медь, алюминий, свинец. Это свойство металлов имеет большое значение в давильном и штамповочном производстве, волочении, прокатке.

Твердость — свойство металлов сопротивляться проникновению в них другого тела под действием внешней нагрузки, что необходимо учитывать при выборе инструментов для обработки металлов резанием. Например, важно знать твердость обрабатываемого металла, чтобы подобрать соответствующую фрезу или сверло. Испытания металлов на твердость проводят на специальных приборах — твердометрах.

Выносливость — свойство металлов сопротивляться действию повторных нагрузок. Температурные условия значительно влияют на механические свойства металлов: при нагревании их прочность понижается, а пластичность увеличивается; при охлаждений некоторые металлы становятся хрупкими, например, сталь некоторых марок, цинк и его сплавы. Нехладноломкими являются алюминий и медь.

Хрупкость — некоторые металлы обладают хрупкостью и при нормальных условиях, примером является серый чугун. В производстве изделий учитывается способность металлов поддаваться обработке, т.е. такие их технологические свойства, как ковкость, жидкотекучесть, литейная усадка, свариваемость, спекаемость, обрабатываемость резанием и некоторые другие.

Ковкость — способность металлов подвергаться ковке и другим видам обработки давлением (прокатке, прессованию, волочению, штамповке). Металлы могут коваться в холодном состоянии (золото, серебро, медь), а также в горячем (сталь).

Износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред.

Жаростойкость – это способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.

Жаропрочность – это способность материала сохранять свои свойства при высоких температурах.

Хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах.

Антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому материалу.

Жидкотекучесть — свойство расплавленного металла заполнять литейную форму. Высокой жидкотекучестью обладают цинк и его сплавы, чугун, бронза, олово, силумин (сплав алюминия с кремнием), латунь, некоторые магниевые сплавы. Низкой жидкотекучестью обладают сталь, красная медь, чистое серебро.

Литейная усадка —уменьшение объема металла при переходе из жидкого состояния в твердое. Это необходимо учитывать при изготовлении формы для отливки. Отливка получается всегда меньше модели, по которой сделана форма.