Что такое сплав? Какие существуют их виды, как их классифицируют?

Какие бывают сплавы?

На данный момент существует множество сплавов, которые применяются во всех отраслях производства. Сплавы классифицируются по различным признакам.
По способу изготовления

1. Литые получают с помощью кристаллизации смешанных расплавов.
2. Порошковые получают прессованием смеси порошков с последующим спеканием.

По методам получения

1. Литейные (чугун).
2. Деформируемые (сталь).
3. Порошковые (сплавы, полученные из порошков и керамики).

Распространение сплавов в современной промышленности

Следует заметить, что все металлы, которые интенсивно используются современной промышленностью, являются именно сплавами. Так, более 90% всего получаемого в мире железа идет на изготовление чугунов и различных сталей. Объясняется такой подход к делу тем, что сплавы металлов в большинстве случаев демонстрируют лучшие свойства, нежели чем их «прародители».

Так, предел текучести чистого алюминия составляет всего лишь 35 Мпа. А вот если в него добавить 1,6% меди, магния и цинка в соотношении 2,5% и 5,6% соответственно, то этот показатель может легко превысить даже 500 МПа. Кроме прочего, можно значительно улучшить свойства электропроводности, теплопроводности или другие. Никакой мистики в этом нет: в сплавах строение кристаллической решетки изменяется, что и позволяет приобретать им прочие свойства.

Проще говоря, количество такого рода материалов в наши дни велико, но оно постоянно продолжает расти.

Характеристики сплавов

Для всех сплавов характерны блеск, проводимость тепла и электрического тока, пластичность и др. Структура металлов определяет различные свойства:

• природа и количество металлов и неметаллов в сплавах (плотность, температура плавления и испарения и др.);
• отдельные свойства металлов.

Характеристики сплавов классифицируются на химические и механические. Химические отражают отношения к воде, воздуху и другим активным средам, а механические – к внешним силам.

Классификация

Металлурги классифицируют сплавы металлов по нескольким критериям:

1. метод изготовления:
   литые;
2. порошковые;
3. технология производства:
   литейные;
4. деформируемые;
5. порошковые;
6. однородность структуры:
   • гомогенные;

   гетерогенные;

Виды сплавов по их основе

7. вид металла – основы:
   черные (железо);
8. цветные (цветные металлы);
9. редких металлов (радиоактивные элементы);
10. количество компонентов:
    двойные;
11. тройные;
12. и так далее;
13. физико-химические свойства:
    тугоплавкие;
14. легкоплавкие;
15. высокопрочные;
16. жаропрочные;
17. твердые;
18. антифрикционные;
19. коррозионностойкие и др.;
20. предназначение:
    конструкционные;
21. инструментальные;
22. специальные.

Металлы и сплавы на их основе имеют различные физико-химические характеристики.

Металл, имеющий наибольшую массовую долю, называют основой.

Виды сплавов металлов

В природе металлы в чистом виде не существуют. В производстве используются различные виды сплавов.

1. Сталь. Сталь – гомогенная смесь на железной основе, которая содержит до 2,14 % углерода. Из нее изготавливают промышленные установки, технику, инструменты и др. Для него характерна особенная прочность и упругость.
2. Чугун. Чугун – сплав на железной основе (содержание углерода – до 3,5 %). Это хрупкий материал по сравнению со сталью. Он используется в областях, где необходимо переносить огромные нагрузки.
3. Ферриты. Ферриты – сплавы с высоким содержанием углерода. Их используют в изготовлении трансформаторов, катушек индуктивности и других изделий.
4. Латунь. Латунь – смесь на медной основе, которая содержит до 48-50 % цинка. Она не подвергается коррозии. Ее используют при машиностроении.
5. Цинковые сплавы. У сплавов из цинка небольшая температура плавления и устойчивость к коррозии. Цинковые сплавы применяются в производстве машин, вычислительной техники и других областях. Они обладают антифрикционными свойствами.
6. Титановые сплавы. Титан – довольно редкий элемент в природе. Титановые сплавы обладают высокой прочностью, небольшим удельным весом и устойчивостью к различным разрушающим средам и нагреваниям.
7. Алюминиевые сплавы. Сплавы из алюминия применяются во многих отраслях благодаря долговечности материала, устойчивости к отрицательным температурам и доступности. Но у них есть один недостаток – низкая термостойкость. Алюминиевые сплавы применяются в производстве вооружений, а также в изготовлении электротехники и электроники. Высокая проводимость и низкая намагничиваемость позволяют изготавливать из них телефоны, компьютеры, планшеты, смартфоны и другую технику.
8. Медные сплавы. Медными сплавами называют различные марки латуни. Если в смеси 8-10 % цинка, то латунь считается красной, а если 30-40 %, то желтой. Латунь хорошо обрабатывается, поэтому часто используется для изготовления небольших деталей с большой точностью. Шестеренки в знаменитых швейцарских часах изготовлены именно из латуни. Из латуни также изготавливают различные декоративные изделия. В сплав иногда добавляют кремний. Полученный материал называют кремнистой бронзой. Он обладает большой прочностью. Из него изготавливали мечи спартанцы. Мембраны и листовые пружины изготавливаются из медных сплавов, в которых кремний заменяет фосфор.
9. Твердые сплавы. Твердые сплавы практически не изнашиваются при эксплуатации. Они сохраняют свойства при температуре в 1100˚С. Из твердых сплавов изготавливают режущие инструменты, измерительное и горное оборудование, детали и узлы атомных и химических реакторов и другие изделия.

Физические свойства

Физические свойства сплава зависят от его состава и могут значительно колебаться. В отличие от латуни бронза обладает более высокой антикоррозийной стойкостью и антифрикционными свойствами. Она более прочна и оказывает стойкое сопротивление воздуху, воде, соли, органическим кислотам. Также бронзу легко паять и сваривать.

1. Плотность: 7800-8700 кг/м3.
2. Температура плавления: 930Со — 1140Со.
3. Цвет колеблется от красного до белого.
4. Обладает повышенной сопротивляемостью износу и низким коэффициентом трения, справляется даже при низкой температуре до -250Со.
5. Некоторые виды бронзы имеют высокую паростойкость, теплопроводность и электропроводность и используются в технике, работающей в тяжелых условиях.

Металлоемкость

Многие металлы подвержены коррозии, т. е. самопроизвольному разрушению в результате внешнего воздействия. Из-за коррозии предприятия могут нести убытки. Это связано не только с высокой агрессивностью технологических сред и с жесткими условиями эксплуатации оборудования, но также с большой металлоемкостью оборудования. Металлоемкость – это количество металла, которое расходуется на создание какого-либо металлического изделия.

Таким образом, сплавы применяются практически во всех отраслях производств. Однородные смеси из металлов обладают высокой прочностью и надежностью. Они классифицируются по различным признакам, что позволяет повысить эффективность применения сплавов. Список сплавов металлов пополняется с каждым годом.

Основные определения

Вообще сплавы металлов – это материалы, полученные методом выплавки, при производстве которых были использованы два или более металлических элемента (в химическом смысле), а также (опционально) специальные присадки. Одним из первых материалов такого рода была бронза. В ее состав входит 85% меди и 15% олова (80:20 в случае колокольной бронзы). В настоящее время существует несколько разновидностей этого соединения, в составе которых вообще нет олова. Но встречаются они не так уж и часто.
Нужно четко понимать, что сплавы металлов в большинстве случаев образуются вообще без участи человека. Дело в том, что получить абсолютно чистый с химической точки зрения материал можно только в лаборатории. В любом металле, который используется в бытовых условиях, наверняка есть следы другого элемента. Классический пример – золотые украшения. В каждом из них есть определенная доля меди. Впрочем, в классическом смысле под этим определением все равно понимают соединение двух и более металлов, которое было целенаправленно получено человеком.

Вся история человека является отличным примером того, как сплавы металлов оказались способны оказать огромное влияние на развитие всей нашей цивилизации. Не случайно есть даже длительный исторический период, который называется «Бронзовый век».

Сплавы на основе алюминия

Как мы уже говорили, без них современную промышленность представить себе решительно невозможно. Судите сами: сплавы алюминия активно применяются в авиационной, космической, военной, научно-инженерной и прочих отраслях. Без алюминия невозможно представить себе производителей современной бытовой и мобильной техники, так как корпуса из этого металла все чаще используются современными флагманами этих отраслей.

Стали

Все соединения железа, содержащие до 2% углерода, называются сталями. Если в составе имеется хром, ванадий или молибден, то их называют легированными. С этими материалами мы сталкиваемся постоянно, ежедневно и ежечасно. Количество сталей на сегодняшний день таково, что одно их перечисление могло бы занять не слишком тонкую книгу.
Мы уже говорили, что механические свойства металлов и сплавов сильно отличаются, но в случае этих материалов нередко противоположными качествами обладают даже различные виды сталей, отчего сферы их применения сильно расходятся.

Если в материале менее 0,25% углерода, то он используется в каких-то технических конструкциях. Если же в стали более 0,55% углерода, то она идеально подходит для производства различных высококачественных режущих инструментов, в том числе резцов для токарных станков, сверл и хирургических принадлежностей. Но если речь идет о приспособлениях, которые применяются для быстрой резки, то на их производство идет исключительно легированная сталь.

Сплавы свинца

Вообще цветные металлы и сплавы – неразделимо связанные понятия, так как с древнейших времен люди умели выплавлять многосоставные материалы, которые с успехом использовали в военном и мирном деле. Особенно это относится к свинцу, из сплавов которого еще римляне делали водопроводы и канализации. Конечно, они не знали о токсических свойствах этого металла, но им импонировала простота его обработки.
Наиболее известен в настоящее время обычный припой, который изготавливается из одной части свинца и двух частей олова. Как видно из названия, он используется для пайки деталей. Применяется в радиотехнике и прочих технических отраслях. Из сурьмы и свинца делают сплавы, которые используются для изготовления оболочек разного рода кабелей.

Давно известно, что соединения этого металла с кадмием, висмутом или оловом могут плавиться приблизительно при температуре 70 градусов по шкале Цельсия. Именно поэтому сегодня из них делают различные предохранители в системах автоматического пожаротушения.

Как ни странно, но свинец издавна был известен поварам и рестораторам, так как из него нередко делали столовую посуду и приборы. Сплав, который использовался для этого, называется пьютер. В его состав входит приблизительно 85–90% олова. Оставшиеся 10-15% как раз-таки занимает свинец (стандартный сплав двух металлов).

Техники также наверняка знакомы с баббитами. Это также соединения на основе свинца, в состав которых также входит олово, а также мышьяк и сурьму. Эти сплавы весьма ядовиты, но из-за некоторых особых качеств их активно используют в подшипниковой отрасли промышленности.

Чугун

Если в сплаве железа содержится более 3-4% углерода, то он называется чугуном. Кроме того, его важным элементом является кремний. Из чугуна изготавливается масса деталей и готовых изделий. К примеру, блоки двигателей для автомобилей. В случае качественно сделанной отливки без полостей и каверн, изделие обладает впечатляющей механической прочностью. В этой связи стоит вспомнить хотя бы пушки 14-15 века, которые нередко выдерживали трех-четырехкратное увеличение порохового заряда.

Конечно же, применение металлов и сплавов никогда не ограничивалось исключительно военной отраслью, но зачастую получалось так, что именно эта отрасль промышленности постоянно находила новые методы обработки металла, двигая вперед всю цивилизацию.

Сплавы магния

Они имеют крайне невысокую массу, а также характеризуются весьма впечатляющей прочностью. Кроме того, именно эти материалы великолепно подходят для литейной промышленности, а заготовки прекрасно поддаются токарной и фрезеровочной обработке. А потому их активно используют в производстве ракет и авиационных турбин, корпусов приборов, дисков автомобильных колес, а также некоторых сортов броневой стали.

Некоторые разновидности этих сплавов отличаются великолепными показателями вязкостного демпфирования, а потому они идут на производство деталей и конструкций, которым приходится работать в условиях экстремально высокого уровня вибраций.