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

СПЛАВЫ,
материалы, имеющие металлические свойства и состоящие из двух или большего числа химических элементов, из которых хотя бы один является металлом. Многие металлические сплавы имеют один металл в качестве основы с малыми добавками других элементов. Самый распространенный способ получения сплавов – затвердевание однородной смеси их расплавленных компонентов. Существуют и другие методы производства – например, порошковая металлургия. В принципе, четкую границу между металлами и сплавами трудно провести, так как даже в самых чистых металлах имеются «следовые» примеси других элементов. Однако обычно под металлическими сплавами понимают материалы, получаемые целенаправленно добавлением к основному металлу других компонентов.
Также по теме:
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЕ

Почти все металлы, имеющие промышленное значение, используются в виде сплавов (см

. табл. 1, 2). Так, например, все выплавляемое железо почти целиком идет на изготовление обычных и легированных сталей, а также чугунов. Дело в том, что сплавлением с некоторыми компонентами можно существенно улучшить свойства многих металлов. Если для чистого алюминия предел текучести составляет всего лишь 35 МПа, то для алюминия, содержащего 1,6% меди, 2,5% магния и 5,6% цинка, он может превышать 500 МПа. Аналогичным образом могут быть улучшены электрические, магнитные и термические свойства. Эти улучшения определяются структурой сплава – распределением и структурой его кристаллов и типом связей между атомами в кристаллах.

Многие металлы, скажем магний, выпускают высокочистыми, чтобы можно было точно знать состав изготавливаемых из него сплавов. Число металлических сплавов, применяемых в наши дни, очень велико и непрерывно растет. Их принято разделять на две большие категории: сплавы на основе железа и сплавы цветных металлов. Ниже перечисляются наиболее важные сплавы промышленного значения и указываются основные области их применения.

Сталь.

Также по теме:

ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ПРИРОДЕ – КРУГОВОРОТ И МИГРАЦИЯ

Сплавы железа с углеродом, содержащие его до 2%, называются сталями. В состав легированных сталей входят и другие элементы – хром, ванадий, никель. Сталей производится гораздо больше, чем каких-либо других металлов и сплавов, и все виды их возможных применений трудно было бы перечислить. Малоуглеродистая сталь (менее 0,25% углерода) в больших количествах потребляется в качестве конструкционного материала, а сталь с более высоким содержанием углерода (более 0,55%) идет на изготовление таких низкоскоростных режущих инструментов, как бритвенные лезвия и сверла. Легированные стали находят применение в машиностроении всех видов и в производстве быстрорежущих инструментов. См. также

СТАНКИ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИЕ.

История открытия

Из школьного курса все помнят «железный век». Это период истории, когда человек впервые научился получать этот металл из руды. Железный век приходится на период с 9 по 7 век до нашей эры. Этот металл оказал огромное влияние на развитие людей того времени. По своим характеристикам он вытеснил смеси цветных металлов. Из него изготавливали орудия труда, оружие, доспехи, материалы для строительства и многое другое. Постепенно кузнецы начали смешивать его с другими металлами, чтобы получить новые материалы. Так появлялись новые сплавы.

Сплавы на основе меди.

В основном это латуни, т.е. медные сплавы, содержащие от 5 до 45% цинка. Латунь с содержанием от 5 до 20% цинка называется красной (томпаком), а с содержанием 20–36% Zn – желтой (альфа-латунью). Латуни применяются в производстве различных мелких деталей, где требуются хорошая обрабатываемость и формуемость. Сплавы меди с оловом, кремнием, алюминием или бериллием называются бронзами. Например, сплав меди с кремнием носит название кремнистой бронзы. Фосфористая бронза (медь с 5% олова и следовыми количествами фосфора) обладает высокой прочностью и применяется для изготовления пружин и мембран.

Свинцовые сплавы.

Обычный припой (третник) представляет собой сплав примерно одной части свинца с двумя частями олова. Он широко применяется для соединения (пайки) трубопроводов и электропроводов. Из сурьмяно-свинцовых сплавов делают оболочки телефонных кабелей и пластины аккумуляторов. Сплавы свинца с кадмием, оловом и висмутом могут иметь точку плавления, лежащую значительно ниже точки кипения воды (~70° C); из них делают плавкие пробки клапанов спринклерных систем противопожарного водоснабжения. Пьютер, из которого ранее отливали столовые приборы (вилки, ножи, тарелки), содержит 85–90% олова (остальное – свинец). Подшипниковые сплавы на основе свинца, называемые баббитами, обычно содержат олово, сурьму и мышьяк.

Сферы применения

Этот материл применяется в разных отраслях промышленности:

1. Смеси и однородный металл применяются в машиностроении. Из них изготавливаются внутренние детали, корпуса, подвижные механизмы.
2. Судостроение, самолётостроение, ракетостроение.
3. Строительство — изготовление крепежей, расходных материалов.
4. Приборостроение — изготовление электроники для дома.
5. Радиоэлектроника — создание элементов для электроприборов.
6. Медицина, станкостроение, химическая промышленность.
7. Изготовление оружия.

Если для чего-то не подходит однородный материал, подойдут соединения на его основе, характеристики которых значительно отличаются.

Алюминиевые сплавы.

К ним относятся литейные сплавы (Al – Si), сплавы для литья под давлением (Al – Mg) и самозакаливающиеся сплавы повышенной прочности (Al – Cu). Алюминиевые сплавы экономичны, легкодоступны, прочны при низких температурах и легко обрабатываемы (они легко куются, штампуются, пригодны для глубокой вытяжки, волочения, экструдирования, литья, хорошо свариваются и обрабатываются на металлорежущих станках). К сожалению, механические свойства всех алюминиевых сплавов начинают заметно ухудшаться при температурах выше приблизительно 175° С. Но благодаря образованию защитной оксидной пленки они проявляют хорошую коррозионную стойкость в большинстве обычных агрессивных сред. Эти сплавы хорошо проводят электричество и тепло, обладают высокой отражательной способностью, немагнитны, безвредны в контакте с пищевыми продуктами (поскольку продукты коррозии бесцветны, не имеют вкуса и нетоксичны), взрывобезопасны (поскольку не дают искр) и хорошо поглощают ударные нагрузки. Благодаря такому сочетанию свойств алюминиевые сплавы служат хорошими материалами для легких поршней, применяются в вагоно-, автомобиле- и самолетостроении, в пищевой промышленности, в качестве архитектурно-отделочных материалов, в производстве осветительных отражателей, технологических и бытовых кабелепроводов, при прокладке высоковольтных линий электропередачи.

Примесь железа, от которой трудно избавиться, повышает прочность алюминия при высоких температурах, но снижает коррозионную стойкость и пластичность при комнатной температуре. Кобальт, хром и марганец ослабляют охрупчивающее действие железа и повышают коррозионную стойкость. При добавлении лития к алюминию повышаются модуль упругости и прочность, что делает такой сплав весьма привлекательным для авиакосмической промышленности. К сожалению, при своем превосходном отношении предела прочности к массе (удельной прочности) сплавы алюминия с литием обладают низкой пластичностью.

Популярные темы сообщений

• Шевардинский редут. Памятник на Бородинском поле
  Бородинское сражение является одной из героических страниц отечественной истории. «Недаром помнит вся Россия про день Бородина!» Эти строки М.Ю. Лермонтова каждый знает наизусть с детства. Не иссякнет память в сердцах людей о кровопролитном
• Кожа человека
  Кожный покров человека выполняет множеств функций. Кожа защищает организм человека от внешней среды, вредоносных бактерий и микроб. Ученые выяснили, что кожа является органом, причем самым большим и тяжелым,
• Животные красной книги
  Человек еще с давнего времени старался жить в идиллии с миром животных. Природа полностью помогала человеку выжить и адаптироваться в мире. Но со временем люди перестали это ценить. Они начали загрязнять водоемы, уничтожать плодородные

Магниевые сплавы.

Магниевые сплавы легки, характеризуются высокой удельной прочностью, а также хорошими литейными свойствами и превосходно обрабатываются резанием. Поэтому они применяются для изготовления деталей ракет и авиационных двигателей, корпусов для автомобильной оснастки, колес, бензобаков, портативных столов и т.п. Некоторые магниевые сплавы, обладающие высоким коэффициентом вязкостного демпфирования, идут на изготовление движущихся частей машин и элементов конструкции, работающих в условиях нежелательных вибраций.

Магниевые сплавы довольно мягки, плохо сопротивляются износу и не очень пластичны. Они легко формуются при повышенных температурах, пригодны для электродуговой, газовой и контактной сварки, а также могут соединяться пайкой (твердым), болтами, заклепками и клеями. Такие сплавы не отличаются особой коррозионной стойкостью по отношению к большинству кислот, пресной и соленой воде, но стабильны на воздухе. От коррозии их обычно защищают поверхностным покрытием – хромовым травлением, дихроматной обработкой, анодированием. Магниевым сплавам можно также придать блестящую поверхность либо плакировать медью, никелем и хромом, нанеся предварительно покрытие погружением в расплавленный цинк. Анодирование магниевых сплавов повышает их поверхностную твердость и стойкость к истиранию. Магний – металл химически активный, а потому необходимо принимать меры, предотвращающие возгорание стружки и свариваемых деталей из магниевых сплавов. См. также

СВАРКА.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ

Раздел первый ОСНОВЫ МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ

Глава I ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

О МЕТАЛЛАХ И ИХ СПЛАВАХ

Общие сведения о металлах и их сплавах

В настоящее время известно 107 химических элементов (см. Периодическую систему элементов Д. И. Менделеева), которые делятся на две основные группы: металлы и неметаллы (метал­лоиды). Большинство элементов (83) — металлы, отличитель­ными признаками которых являются непрозрачность, специфи­ческий блеск, высокая теплопроводность и электропроводность, ковкость и др. При обычной температуре все металлы, кроме ртути, находятся в твердом состоянии. Металлоиды не имеют таких свойств.

Перечисленными выше свойствами металлы обладают в раз­личной степени, что и определяет их различное практическое использование. Наиболее широкое применение в промышленно­сти получили железо, медь, алюминий, магний, свинец, цинк и олово.

В земной коре металлы занимают небольшое место (около 15% по массе), остальную часть составляют кислород (49%), кремний (26%) и другие металлоиды. Самыми распространен­ными металлами являются алюминий (7%) и железо (5%), реже встречаются кальций, натрий, магний и калий. Содержа­ние урана, золота, платины и других редких металлов опреде­ляется миллионными и миллиардными долями процента.

В технике слово «металлы» объединяет чистые металлы и сплавы. Чистыми металлами

называют химические элементы обычно с небольшими добавками других элементов (примесей). Например, техническая медь содержит примеси свинца, вис­мута, сурьмы, железа, мышьяка, олова и других элементов.

Сплавы

— это сложные материалы, образующиеся путем сое­динения двух и более элементов (в том числе и неметаллов).

Чистые металлы имеют заданные природой свойства. Спла­вам можно придать необходимые свойства, поэтому они и полу­чили наибольшее распространение.

В промышленности металлы обычно делят на две группы: черные и цветные. Черные металлы — это железо и его сплавы с углеродом (сталь и чугун). Цветные металлы — это медь, алюминий, магний, никель, цинк, олово, свинец и др. и их сплавы. Наиболее распространены черные металлы (на их долю приходится более 90% общей массы металлов). Из металлои­дов широко применяют углерод и кремний.

Металлы получают из металлических руд, которые пред­ставляют собой скопление химических элементов в виде про­стых веществ или соединений. Добычей руд из недр земли за­нимается горнодобывающая промышленность, получением ме­таллов и сплавов из руд — металлургическая. В соответствии с делением металлов на черные и цветные металлургия делится также на черную и цветную.

В настоящее время выплавляют около 75 металлов и огром­ное количество сплавов.

§ 2.

Внутреннее строение металлов и их сплавов

Все вещества состоят из атомов, а атом — из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов (рис. 1). В ядре находятся положи­тельно заряженные частицы — протоны. Количество протонов при обычном состоянии атома равно количеству электронов, т. е. атом электрически нейтрален. Число электронов, обозна­ченное порядковым номером в периодической системе элементов Д. И. Менделеева, для каждого элемента различно. Атом при определенных условиях может терять и приобретать электроны. Если электронов станет больше, чем протонов, то он будет за­ряжен отрицательно, а если меньше, то положительно. Такой электрически заряженный атом называется попом.

Электроны вращаются вокруг ядра по орбитам, число кото­рых определяется номером периода элемента в периодической, системе.

У металлов на внешней орбите находятся один, два или три электрона, слабо связанных с ядром, поэтому под воздействием положительно заряженных атомов они могут отрываться от своего атома, превращая его в положительно заряженный ион. Электроны, свободно переходящие от одного атома к другому, называются свободными.

Атомы металлоидов при определенных условиях стремятся заполнить внешнюю оболочку, т. е. присоединить электроны и превратиться в отрицательно заряженные ноны.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ

Используемые в технике металлические материалы разделяют на простые и сложные металлы (сплавы).

Простые металлы

состоят из одного основного элемен­та и незначительного количества примесей других элемен­тов. Например, технически чистая медь содержит от 0,1 до 1 % примесей свинца, висмута, сурьмы и других эле­ментов.

Сплавы

— это сложные металлы, представляющие со­четание какого-либо простого металла (основы сплава) с другими металлами или неметаллами. Например, ла­тунь — сплав меди с цинком. Здесь основу сплава состав­ляет медь.

Химический элемент, входящий в состав металла или сплава, называется компонентом.

По числу компонентов сплавы делятся на двухкомпонентные (двойные), трех-компонентные (тройные) и т. д.

Большинство сплавов получают сплавлением компо­нентов в жидком состоянии.

Сплавы превосходят простые металлы по прочности, твердости, обрабатываемости и т. д. Вот почему они применяются в технике значительно шире простых метал­лов. Например, железо — мягкий металл, почти не при­меняющийся в чистом виде. Зато самое широкое приме­нение в технике имеют сплавы железа с углеродом — ста­ли и чугуны.

Все применяемые в технике металлы и сплавы делят ся на черные и цветные.

К черным металлам

относятся железо и его сплавь (сталь и чугун). Все остальные металлы и сплавы состав представляют группу цветных металлов.

Наибольшее распространение в технике получили черные металлы. Это обусловлено большими запасами железных руд в земной коре, сравнительной простотой технологии выплавки черных металлов, их высокой прочностью.

Цветные металлы

применяются в технике реже, чем черные. Это объясняется незначительным содержанием многих цветных металлов в земной коре, сложностью процесса их выплавки из руд, недостаточной проч­ностью. Цветные металлы дороже черных. Во всех слу­чаях, когда это возможно, их заменяют черными метал­лами, пластмассами и другими материалами.

Из большого числа цветных металлов и сплавов в

сельскохозяйственной технике наибольшее распростра­нение получили
сплавы алюминия, меди,
а также
под­шипниковые сплавы.
Все металлы и сплавы в твердом состоянии имеют

кристаллическое

строение, т. е. их атомы (ионы) распо­ложены в строго определенном порядке. Этим кристалли­ческие тела отличаются от
аморфных
тел, у которых атомы расположены хаотично. Аморфными телами являются стекло, клей, воск и др.

Если атомы металла мысленно соединить прямыми линиями, то получится правильная геометрическая систе­ма, называемая пространственной кристаллической ре­шеткой.
Из кристаллической решетки можно выделить
элементарную кристаллическую ячейку,
представляющую комплекс атомов, повторением которого в трех измерениях можно построить всю решетку. Наибо­лее распространены три типа элементарных кристалли­ческих ячеек металлов (рис. 1):
кубическая объемно-центрированная
(такую решетку имеют хром, вольфрам, молибден и др.),
кубическая гранецентрированная
(алю­миний, медь, свинец и др.) и
гексагональная
(цинк, маг­ний и др.).

В узлах кристаллических решеток металлов располо­жены положительно заряженные ионы, удерживаемые на определенном расстоянии друг от друга свободными электронами. Такое внутреннее строение обусловливает характерные признаки металлов, такие, как высокая элек­тро- и теплопроводность, пластичность (ковкость) и др.

Свойства металлов и сплавов зависят от природы их атомов, типа кристаллической решетки и от расстояния между атомами в решетке.

Все свойства металлов делятся на физические, хими­ческие, механические и технологические.

Физические свойстваметаллов и сплавов определя­ются цветом, плотностью, температурой плавления, теп­ловым расширением, тепло- и электропроводностью, а также магнитными свойствами (табл. 1). Плотность

металла — величина, определяемая отно­шением массы металла к занимаемому им объему. Она измеряется в кг/м3. Для снижения массы изделия необ­ходимо использовать материалы с небольшой плотностью (сплавы магния, алюминия и титана).

Температура плавления

— температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. Знание температуры плавления металлов и сплавов необхо­димо в металлургии, в литейном производстве, при горя­чей обработке металлов давлением, при сварке, пайке и других процессах, сопровождающихся нагреванием ме­таллических материалов.

Тепловое расширение —
изменение линейных разме­ров
иобъема металлического материала при нагревани. Неодинаковость величины теплового линейного расшире­ния материалов характеризуется коэффициентом линей­ного расширения а, который показывает, на какую долю первоначальной длины при 0 °С удлинилось тело вслед­ствие нагревания его на 1 °С. Тепловое расширение металлов необходимо учитывать при изготовлении и эксплуатации точных, сложностью приборов и инструментов, изготовлении литейных форм, Прокладке железнодорожных рельс и т. д.
Теплопроводность

— способность металлов передавать’ Теплоту от более нагретых частей тела к менее нагретым. Среди металлических материалов лучшей теплопровод­ностью обладают серебро, медь, алюминий.

Электропроводность

— способность металлов прово­пить электрический ток. Она оценивается на практике Величиной удельного электросопротивления р. Чем мень­ше электросопротивление, тем более электропроводен металлический материал. Высокой электропроводностью Обладают те металлы, которые хорошо проводят электри­ческий ток (серебро, медь, алюминий).

Способность металлов намагничиваться под действием магнитного поля/называют магнитной проницаемостью.

Сильно выраженными магнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт и их сплавы. Эти металлы назы­вают
ферромагнитными
Механическими свойствамиметаллов называется со­вокупность свойств, характеризующих способность ме­таллических материалов сопротивляться воздействию внешних усилий (нагрузок).

К механическим свойствам металлов. относятся:

прочность — способность материала сопротивляться действий внешних сил без разрушения; упругость

— способность материала восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после прекраще­ния действия внешних сил, вызвавших деформацию;

пластичность

— способность материала изменять свою форму и размеры под действием внешних сил, не разру­шаясь, и сохранять полученные деформации после пре­кращения действия внешних сил;

твердость

— способность материала оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела;

вязкость

— способность, металлических материалов оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) нагрузкам; хрупкость — свойство, обратное вязко­сти;

1 ползучесть

— свойство металлических материалов медленно и непрерывно пластически деформироваться при длительной нагрузке и высоких температурах;
усталость
— процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящих к уменьшению долговечности, образованию трещин и разрушению. Способность метал­лических материалов противостоять усталости называет­ся
выносливостью.
Механические свойства являются основной характери­стикой металлов и сплавов, поэтому на заводах созданы специальные лаборатории, где производятся различные испытания с целью определения этих свойств.

Механические испытания можно разделить на:

статические,

при которых нагрузка, действующая на металлический образец или деталь, остается постоянной или возрастает крайне медленно;

динамические

(ударные), при которых нагрузка воз­растает быстро и действует в течение незначительного времени;

испытание при повторных или знакопеременных на­грузках

— нагрузках, изменяющихся многократно по ве­личине или по величине и направлению.

Рассмотрим основные виды испытаний металлов с целью определения их механических свойств.

Технологические свойства характеризуют способность металлов поддаваться различным видам технологической обработки для получения определенной формы, размеров и свойств: Они имеют большое значение при выборе металлических материалов для изготовления деталей ма­шин и конструкций. Из технологических свойств наиболь­шее значение имеют обрабатываемость резанием, свариваемость, ковкость, прокаливаемость, литейные свойства.

Обрабатываемостью резанием называется

способность металлов подвергаться обработке режущими инструмен­тами для придания деталям определенной формы, разме­ров (с необходимой точностью) и чистоты поверхности. Обрабатываемость резанием определяется по скорости резания, усилию резания и по шероховатости обрабатываемой поверхности. При разных методах обработки (то­чении, сверлении, фрезеровании и т. д.) обрабатывае­мость одного и того же металла может быть различной. Для улучшения обрабатываемости сталей в них допу­скается повышенное содержание серы, а также вводятся свинец, селен и другие элементы.

Свариваемостью

называется свойство металла или сплава образовывать при установленной технологии сварки соединения, отвечающие требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия. Свариваемость углеродистых сталей ухудшается с по-вышением содержания в них углерода.
Ковкостью
называется способность металла без раз­рушения поддаваться обработке давлением (ковке, штам­повке, прокатке и т. д.). Ковкость металла зависит от его пластичности. Чем металл более пластичен, тем лучше он поддается обработке давлением.

Металлы обладают ковкостью как в холодном, так и в нагретом состоянии. В холодном состоянии хорошо ку­ются латуни и сплавы алюминия, сталь — в нагретом • состоянии. Чугун из-за повышенной хрупкости обработке давлением не подвергается.

Прокаливаемость

— способность стали воспринимать закалку на определенную глубину от поверхности. Про­каливаемость стали определяется по виду излома, по измерению твердости в различных точках сечения образ­ца, а также методом торцовой закалки.

Литейные свойства

металлов определяются жидкоте-кучестью, усадкой и склонностью к ликвации.
Жидкоте кучесть
— это способность расплавленного металла за­полнять форму и давать плотные отливки с точной конфи­гурацией.
Усадка
— сокращение объема расплавленного металла при затвердении и последующем охлаждении.
Ликвация
— неоднородность химического состава твердо­го металла в разных частях отливки. .

При выборе литейных материалов учитывают, что чу­гун обладает высокими литейными свойствами: хорошей жидкотекучестью, небольшой усадкой и незначительной склонностью к ликвации. Литейные свойства стали хуже, чем чугуна.

Химические свойства металлов

Химическим свойством

называется способность металлов под действием окружающей среды превращаться в другие вещества и изменять свои свойства.

К химическим свойствам относится способность металлов корродировать, т. е. окисляться под действием кислорода воз­духа и воды, разрушаться под действием кислот и щелочей, об­разовывать окалину при нагреве в окислительной среде.

Коррозии(лат. corrosia — разъедание) подвергаются почти все металлы. Например, железо на воздухе ржавеет, медь по­крывается зеленым слоем окиси, алюминий — белым слоем окиси и т. д.

Металлы, не поддающиеся коррозии, называются благород­ными. К ним относятся золото и платина. Они разрушаются только в смеси соляной и азотной кислот, называемой «царской водкой».

Высокой коррозионной стойкостью обладают хром, никель и их сплавы, а титан и его сплавы по коррозионной стойкости приближаются к благородным металлам.

[Химическая коррозия

возникает вследствие химического взаимодействия металла со средами, не являющимися провод­никами электрического тока (сухие газы, нефть, бензин, керо-син, масла). При этом металлы вступают в химическое взаимо­действие с активными веществами внешней среды, обычно с кислородом, в результате чего на поверхности металлов по­являются окисные пленки и изделие начинает разрушаться.

Типичным примером химической коррозии является газовая коррозия, которая наблюдается при нагреве заготовок для ковки и термической обработки, деталей топок и дымоходов котлов, проточных частей газовых турбин, выхлопных труб дви­гателей и т. д. На судах химической коррозии подвергаются внутренние поверхности цистерн с керосином или бензином, танки с нефтью и другими подобными продуктами.

Электрохимическая коррозия

возникает при взаимодействии металла с электролитом, т. е. со средами, проводящими элект­рический ток (щелочи, растворы солей и кислот, вода и воздух). Коррозию металлов в атмосфере воздуха обычно называют ржавлением.

Явления при электрохимической коррозии по своей природе не отличаются от тех, которые происходят в гальванических элементах. Известно, что при работе гальванического элемента положительно заряженные ионы анода переходят в раствор.» При этом анод заряжается отрицательно, а раствор (электролит), приобретая эти ионы, заряжается положительно. Таким образом, возникает разность потенциалов. Чем она больше, тем быстрее переходят ионы с анода в раствор и, следовательно, тем быстрее анод разрушается.

Разность потенциалов, возникающая на поверхности ме­талла, соприкасающегося с электролитом, называется электрод­ным потенциалом. Значения электродных потенциалов элемен­тов измеряют по отношению к водороду, потенциал которого принят равным нулю (табл. 4). Металлы, расположенные выше водорода, электроположительны, а ниже — электроотрица­тельны.

Если построить гальванический элемент из двух разнород­ных металлов, то разрушаться будет тот, который в таблице расположен ниже. Так, если в электролит поместить пластинки цинка и железа, то разрушаться будет цинк. Каждый металл будет анодом по отношению к металлу, расположенному выше него в таблице, и катодом — ко всем нижерасположенным. Поэтому нельзя допускать в конструкциях, работающих в корро­зионных средах, соединения металлов, разных по активности, например железа с алюминием или медью, меди с алюминием. Возникновению коррозии на металле способствует неодно­родность их строения, наличие загрязнений и примесей.

Металлические изделия подвергаются коррозии как в процессе эксплуатации, так и хранения.

По характеру воздействия на металл коррозию можно раз­делить на сплошную (равномерную), местную и межкристаллитиую.
Сплошная (равномерная) коррозия равномерно распространяется по всей поверхности металла.

Местная коррозия вызывает разрушение отдельных участков поверхности металла в виде язв, пятен и точек. По­этому ее иногда называют язвенной, пятнистой, точечной. Она возникает обычно в местах дефектов металла: царапин, рисок, забоин, следов обработки и т. д.

Межкристалли тная коррозия развивается (воз­никает) по границам кристаллов, не вызывая заметных измене­ний поверхности металла. Этот вид коррозии наиболее опасный. Он приводит к мгновенной поломке деталей при эксплуатации

Интенсивность (скорость) коррозии зависит от химического состава и структуры металла, состояния его поверхности, наличия внутренних и наружных дефектов, окружающей среды (ее состава, температуры, скорости движения) и т. д. Металл с де­фектами имеет более высокий электродный потенциал, чем чи­стый. Дефекты способствуют образованию гальванических мик­роэлементов и, следовательно, разрушению основного металла. Чем меньше металл имеет дефектов, тем выше его коррозион­ная стойкость, и наоборот.Химический состав металла значительно влияет на его кор­розионную стойкость. При увеличении содержания углерода со­противляемость металла коррозии уменьшается, и наоборот. Содержание в металлах таких элементов, как хром, никель, ти­тан, медь, повышает их коррозионную стойкость. Ниобий и ти­тан повышают стойкость металлов к межкристаллитной корро­зии. Коррозия стали усиливается в кислых растворах и умень­шается в щелочных средах.

Часто одновременно с коррозией металлов происходит эрозия. Эрозией называется механическое разрушение поверхности металла ударами частиц твердых тел, воды, газа, пара, воздуха и т. д. Совместная коррозия и эрозия значительно быстрее раз­рушают металл.

Около 10 % всех наплавленных металлов, воплощенных в различные изделия, конструкции и машины, ежегодно разру­шается от коррозии. Поэтому борьба с коррозией является важнейшей народнохозяйственной задачей. Знание химических свойств металлов позволяет правильно выбрать нужный для из­готовления изделий или конструкций, работающих в коррозион­ных средах.

Коррозия судовых конструкций

Судовые конструкции работают в чрезвычайно неблагоприятных условиях. Детали двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин, топки и дымоходы паровых котлов, нагревае­мые при обработке судостроительные заготовки подвергаются газовой коррозии, судовые конструкции, соприкасающиеся с нефтью, бензином, керосином, маслами,— химической корро­зии, судовые конструкции, находящиеся в воде и влажной ат­мосфере,— электрохимической коррозии. Многие судовые кон­струкции (корпус судна, гребные винты, рули, вращающиеся детали турбин и насосов, трубы большинства судовых систем и т. д.) подвергаются также эрозии. В результате потери ме­талла от коррозии в судостроении довольно высоки.

Основной коррозионной средой судовых конструкций явля­ется морская вода, в которой содержатся растворы различных солей. Соленость океанов составляет примерно 35 промилле, морей — не более 25, рек и озер — не более 0,3 промилле. Чем выше концентрация солей в воде, тем выше электропроводность и, следовательно, тем выше ее коррозионная активность. Рас­творенные в морской воде кислород, йод, бром также способ­ствуют ее коррозионной активности.

Наиболее подвержены коррозии в морской воде углероди­стая сталь и чугун. Чем больше примесей (серы и фосфора) содержит металл, тем ниже его коррозионная стойкость. Нержа­веющие стали и особенно сплавы на основе титана, циркония и тантала устойчивы против коррозии.

Коррозионная стойкость цветных металлов колеблется в ши­роких пределах. Высокую коррозионную стойкость имеет медь и ее сплавы (латунь и бронза). Но простые латуни подвержены в морской воде обесцинкованию. Обесцинкование — это вид из­бирательной коррозии, при которой цинк растворяется, а медь выделяется на поверхности в виде рыхлых образований.

Алюминий и его сплавы устойчивы против коррозии в прес­ной воде, а сплавы алюминия с магнием устойчивы и в морской воде, если они имеют дополнительную защиту. Магний и его сплавы мало устойчивы против коррозии в морской воде, а ти­тан и его сплавы — практически абсолютно устойчивы против коррозии, поэтому являются ценным материалом для изготов-ления судовых конструкций.

Увеличение скорости движения воды повышает электрохими­ческую коррозию, а при определенных условиях вызывает кор­розионную эрозию, прежде всего судовых конструкций в кормо­вой части корпуса судна: гребных винтов, внутренних поверх­ностей судовых трубопроводов и др.

Коррозионная стойкость судовых конструкций зависит в зна­чительной степени от чистоты их обработки. Бугорчатая поверх­ность сварных швов, выступающие головки заклепок и других крепежных деталей могут быть причинами интенсивной местной коррозии. Ускоряет коррозию наличие окалины на поверхности судовых конструкций, даже находящейся под слоем краски.

Особенно интенсивно происходит электрохимическая корро­зия конструкций, в которых сочетаются различные металлы, например сталь с алюминиевыми или медными сплавами. Од­нако при постройке судов без таких материалов невозможно обойтись.

Подводная часть судов (обычно до грузовой ватерлинии) во время плавания и особенно стоянки обрастает различными жи­вотными или растительными организмами, которые повреждают покрытие корпуса судна, что способствует возникновению мест­ной коррозии. В процессе жизнедеятельности эти организмы вы­деляют вредные химические соединения: сернистый водород, уг­лекислый газ, различные кислоты и кислород, что также спо­собствует повышению скорости коррозии.

При очистке подводной части крупнотоннажных судов в до­ках снимают до 200 т продуктов обрастания, которое не только способствует возникновению коррозии, но и снижению скорости движения судов, увеличению расхода топлива, ускорению сро­ков докования.

Титановые сплавы.

Титановые сплавы превосходят как алюминиевые, так и магниевые в отношении предела прочности и модуля упругости. Их плотность больше, чем всех других легких сплавов, но по удельной прочности они уступают только бериллиевым. При достаточно низком содержании углерода, кислорода и азота они довольно пластичны. Электрическая проводимость и коэффициент теплопроводности титановых сплавов малы, они стойки к износу и истиранию, а их усталостная прочность гораздо выше, чем у магниевых сплавов. Предел ползучести некоторых титановых сплавов при умеренных напряжениях (порядка 90 МПа) остается удовлетворительным примерно до 600° C, что значительно выше температуры, допустимой как для алюминиевых, так и для магниевых сплавов. Титановые сплавы достаточно стойки к действию гидроксидов, растворов солей, азотной и некоторых других активных кислот, но не очень стойки к действию галогеноводородных, серной и ортофосфорной кислот.

Титановые сплавы ковки до температур около 1150° C. Они допускают электродуговую сварку в атмосфере инертного газа (аргона или гелия), точечную и роликовую (шовную) сварку. Обработке резанием они не очень поддаются (схватывание режущего инструмента). Плавка титановых сплавов должна производиться в вакууме или контролируемой атмосфере во избежание загрязнения примесями кислорода или азота, вызывающими их охрупчивание. Титановые сплавы применяются в авиационной и космической промышленности для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах (150–430° C), а также в некоторых химических аппаратах специального назначения. Из титанованадиевых сплавов изготавливается легкая броня для кабин боевых самолетов. Титаналюминиевованадиевый сплав – основной титановый сплав для реактивных двигателей и корпусов летательных аппаратов.

В табл. 3 приведены характеристики специальных сплавов, а в табл. 4 представлены основные элементы, добавляемые к алюминию, магнию и титану, с указанием получаемых при этом свойств.

Профили металлов, металлосырье

Листовой металл делится на тонко-листовой и толсто-листовой.

Края листового металла лучше всего обработать стругом, полученным из использованного ножовочного полотна. Абразивным трехгранным бруском вытачиваем в полотне угловой вырез – струг готов.

Стальные трубы производятся бесшовными (цельнотянутые) или сварные (внахлестку). Первые известны как газовые или паровые трубы.

Удобнее всего резать жестяную трубу – консервным ножом. Заход делаем обычной ножовкой.

Трубы из чугуна обычно используются в водо-канализационных системах.

Проволока имеет три (основные) и более видов сечений — квадратное, круглое или прямоугольное. Ее поверхность может быть омедненная, луженая, оцинкованная или неизолированная. Также может быть упругой либо мягкой.

Стержни производятся круглого, шестигранного, квадратного или плоского сечения.

Искусство самостоятельного приготовления легких сплавов могут стать очень полезным. Самое главное не допустить перегрева металла.

Бериллиевые сплавы.

Пластичный бериллиевый сплав можно получить, например, вкрапляя хрупкие зерна бериллия в мягкую пластичную матрицу, такую, как серебро. Сплав этого состава удалось холодной прокаткой довести до толщины, составляющей 17% первоначальной. Бериллий превосходит все известные металлы по удельной прочности. В сочетании с низкой плотностью это делает бериллий пригодным для устройств систем наведения ракет. Модуль упругости бериллия больше, чем у стали, и бериллиевые бронзы применяются для изготовления пружин и электрических контактов. Чистый бериллий используется как замедлитель и отражатель нейтронов в ядерных реакторах. Благодаря образованию защитных оксидных слоев он устойчив на воздухе при высоких температурах. Главная трудность, связанная с бериллием, – его токсичность. Он может вызывать серьезные заболевания органов дыхания и дерматит. См. также КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ и статьи по отдельным металлам.
Таблица 1. Некоторые важные сплавы (состав и механические свойства)

Таблица 2. Некоторые важные сплавы (физические свойства, характеристика и применение)