Сплавы и их классификация 9 класс

Классификация сплавов

Существует несколько способов классификации сплавов:

  • по способу изготовления (литые и порошковые сплавы);
  • по способу получения изделия (литейные, деформируемые и порошковые сплавы);
  • по составу (гомогенные и гетерогенные сплавы);
  • по характеру металла – основы (черные –основа Fe, цветные – основа цветные металлы и сплавы редких металлов – основа радиоактивные элементы);
  • по числу компонентов (двойные, тройные и т.д.);
  • по характерным свойствам (тугоплавкие, легкоплавкие, высокопрочные, жаропрочные, твердые, антифрикционные, коррозионностойкие и др.);
  • по назначению (конструкционные, инструментальные и специальные).

Свойства сплавов

Свойства сплавов зависят от их структуры. Для сплавов характерны структурно-нечувствительные (определяются природой и концентрацией элементов, составляющих сплавы) и структурно-чувствительные свойства (зависят от характеристик основы). К структурно-нечувствительным свойствам сплавов относятся плотность, температура плавления, теплоту испарения. тепловые и упругие свойства, коэффициент термического расширения.

Все сплавы проявляют свойства, характерные для металлов: металлический блеск, электро- и теплопроводность , пластичность и др.

Также все свойства, характерные для сплавов можно разделить на химические (отношение сплавов к воздействию активных сред – вода, воздух, кислоты и т.д.) и механические (отношение сплавов к воздействию внешних сил). Если химические свойства сплавов определяют путем помещения сплава в агрессивную среду, то для определения механических свойств применяют специальные испытания. Так, чтобы определить прочность, твердость, упругость, пластичность и другие механические свойства проводят испытания на растяжение, ползучесть, ударную вязкость и др.

Основные виды сплавов

Широкое применение среди всевозможных сплавов нашли различные стали, чугун, сплавы на основе меди, свинца, алюминия, магния, а также легкие сплавы.

Стали и чугуны – сплавы железа с углеродом, причем содержание углерода в стали до 2%, а в чугуне 2-4%. Стали и чугуны содержат легирующие добавки: стали– Cr, V, Ni, а чугун – Si.

Выделяют различные типы сталей, так, по назначению выделяют конструкционные, нержавеющие, инструментальные, жаропрочные и криогенные стали. По химическому составу выделяют углеродистые (низко-, средне- и высокоуглеродистые) и легированные (низко-, средне- и высоколегированные). В зависимости от структуры выделяют аустенитные, ферритные, мартенситные, перлитные и бейнитные стали.

Стали нашли применение во многих отраслях народного хозяйства, таких как строительная, химическая, нефтехимическая, охрана окружающей среды, транспортная энергетическая и другие отрасли промышленности.

В зависимости от формы содержания углерода в чугуне — цементит или графит, а также их количества различают несколько типов чугуна: белый (светлый цвет излома из-за присутствия углерода в форме цементита), серый (серый цвет излома из-за присутствия углерода в форме графита), ковкий и жаропрочный. Чугуны очень хрупкие сплавы.

Области применения чугунов обширны – из чугуна изготавливают художественные украшения (ограды, ворота), корпусные детали, сантехническое оборудование, предметы быта (сковороды), его используют в автомобильной промышленности.

Сплавы на основе меди называют латунями, в качестве добавок они содержат 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).

Среди сплавов на основе свинца выделяют двухкомпонентные (сплавы свинца с оловом или сурьмой) и четырехкомпонентные сплавы (сплавы свинца с кадмием, оловом и висмутом, сплавы свинца с оловом, сурьмой и мышьяком), причем (характерно для двухкомпонентных сплавов) при различном содержании одинаковых компонентов получают разные сплавы. Так, сплав, содержащий 1/3 свинца и 2/3 олова — третник (обычный припой) используется для пайки трубо- и электропроводов, а сплав, содержащий 10-15% свинца и 85-90% олова – пьютер, ранее применялся для отливки столовых приборов.

Сплавы на основе алюминия двухкомпонентные – Al-Si, Al-Mg, Al-Cu. Эти сплавы легко получать и обрабатывать. Они обладают электро- и теплопроводностью, немагнитны, безвредны в контакте с пищевыми, взрывобезопасны. Сплавы на основе алюминия нашли применение для изготовления легких поршней, применяются в вагоно-, автомобиле- и самолетостроении, пищевой промышленности, в качестве архитектурно-отделочных материалов, в производстве технологических и бытовых кабелепроводов, при прокладке высоковольтных линий электропередачи.

Примеры решения задач

Задание Сколько кг олова надо добавить к куску бронзы (m=4кг), содержащему 15% олова, чтобы повысить содержание олова в нем до 60% от общей массы?
Решение Пусть смешали 2 сплава, причем второй сплав содержит 100% олова и не содержит других компонентов. Найдем массы олова в сплавах:

Тогда масса сплавов будет:

Отношение массы олова в новом сплаве к массе нового сплава составляет:

При плавлении металлы обычно смешиваются, образуя сплавы.

Ещё в глубокой древности люди заметили, что в большинстве случаев сплавы обладают другими, нередко более полезными для человека свойствами, чем составляющие их чистые металлы. Как вы уже знаете, у бронзы, например, прочность выше, чем у составляющих её меди и олова. Сталь и чугун прочнее технически чистого железа. Поэтому в чистом виде металлы используют редко. Значительно чаще применяют их сплавы. Известно немногим более 80 металлов, но из них получены десятки тысяч различных сплавов.

Помимо большей прочности многие сплавы обладают большей коррозионной стойкостью и твёрдостью, лучшими литейными свойствами, чем чистые металлы. Так, чистая медь очень плохо поддаётся литью, из неё трудно получить отливки, и в то же время оловянная бронза — сплав меди и олова — имеет прекрасные литейные свойства: из неё отливают художественные изделия, требующие тонкой проработки деталей. Чугун — сплав железа с углеродом — также великолепный литейный материал. Чистый алюминий — очень мягкий металл, сравнительно непрочный на разрыв. Но сплав, состоящий из алюминия, магния, марганца, меди и никеля, называемый дюралюминием, в четыре раза прочнее алюминия на разрыв.

Читайте также:  Фигуры из железа своими руками

Помимо более высоких механических качеств сплавам присущи свойства, которых нет у чистых металлов. Примерами могут служить получаемая на основе железа нержавеющая сталь — материал с высокой коррозионной стойкостью даже в агрессивных средах и с высокой жаропрочностью, магнитные материалы, сплавы с высоким электрическим сопротивлением, с малым коэффициентом термического расширения.

Сплавы — это материалы с металлической кристаллической решеткой, обладающие характерными свойствами и состоящие из двух и более компонентов.

Компонентами сплавов могут быть и неметаллы, и соединения.

По состоянию компонентов сплавы могут быть однородными, когда при сплавлении образуется как бы раствор одного металла в другом, например сплавы меди и олова, золота и серебра, и неоднородными, например чугун, представляющий собой механическую смесь железа и углерода.

Сплавы классифицируют по-разному, в зависимости от того, какой признак взят за основу. Чаще всего сплавы подразделяют по составу. Например, выделяют медные, алюминиевые, никелевые, титановые и другие сплавы.

Есть группы сплавов, носящие общие названия: бронзы, латуни и др. Иногда в названии сплава отмечают особо ценные компоненты: бериллиевые бронзы, вольфрамовая сталь и др.

В металлургии железо и все его сплавы выделяют в одну группу под названием чёрные металлы, остальные металлы и их сплавы имеют техническое название цветные металлы.

Подавляющее большинство железных (или чёрных) сплавов содержит углерод. Их разделяют на чугуны и стали.

Чугун — сплав на основе железа, содержащий от 2 до 4,5% углерода, а также марганец, кремний, фосфор и серу. Чугун значительно твёрже железа, обычно он очень хрупкий, не куётся, а при ударе разбивается. Этот сплав применяют для изготовления различных массивных деталей методом литья, так называемый литейный чугун, и для переработки в сталь — передельный чугун.

В зависимости от состояния углерода в сплаве различают серый и белый чугун (табл. 4).

Таблица 4
Виды и свойства чугуна

Состав

Свойства

Применение

Серый чугун

Содержит 1,7—4,3% С, 1,25—4,0% Si и до 1,5% Мп. Из-за большого содержания кремния снижается растворимость углерода, поэтому углерод находится в свободном состоянии в виде графита

Сравнительно мягкий и поддающийся механической обработке материал. Свободный углерод придаёт чугуну мягкость

Производство литых деталей (шестерни, колёса, трубы и т. д.), художественное литьё

Белый чугун

Содержит 1,7—4,3% С, более 4% Мп, но очень мало кремния. Углерод в основном содержится в виде цементита — карбида железа Fe 3 C

Твёрдый и хрупкий материал. Эти свойства придаёт цементит, который обладает большой твёрдостью

Переработка в сталь

Сталь — сплав на основе железа, содержащий менее 2% углерода. По химическому составу стали разделяют на два основных вида: углеродистая и легированная.

Углеродистая сталь представляет собой сплав железа главным образом с углеродом, но, в отличие от чугуна, содержание в ней углерода, а также марганца, кремния, фосфора и серы гораздо меньше. В зависимости от количества углерода стали подразделяют на мягкие (содержание углерода не превышает 0,3%), средней твёрдости (углерода несколько больше, чем в мягких) и твёрдые (углерода может быть до 2%). Из стали мягкой и средней твёрдости делают детали машин, трубы, болты, гвозди, скрепки и т. д., а из твёрдой — различные инструменты и посуду.

Легированная сталь — это тоже сплав железа с углеродом, только в него введены специальные, легирующие добавки: хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий и др.

Легирующие добавки придают сплаву особые качества. Так, хромоникелевые стали очень пластичные, прочные, жаростойкие, кислотоупорные, устойчивые против коррозии (ржавления). Их применяют в строительстве (например, облицовка колонн станции «Маяковская» московского метро выполнена из хромоникелевой стали (рис. 32)), а также для изготовления нержавеющих предметов домашнего обихода (ножей, вилок, ложек), всевозможных медицинских и других инструментов.

Рис. 32.
Станция метро «Маяковская», облицовка колонн которой выполнена из хромоникелевой стали

Хромомолибденовые и хромованадиевые стали очень твёрдые, прочные и жаростойкие. Их используют для изготовления трубопроводов, компрессоров, двигателей и многих других деталей машин современной техники. Хромовольфрамовые стали сохраняют большую твёрдость при очень высоких температурах. Они служат конструкционным материалом для быстрорежущих инструментов.

Свойства некоторых легированных сталей и области их применения представлены в таблице 5.

Таблица 5
Свойства некоторых легированных сталей и их применение

Легирующий элемент

Особые свойства стали

Изделия, для производства которых используется сталь

Твёрдость и коррозионная стойкость

Инструменты, резцы, зубила

Никель

Вязкость, механическая прочность, коррозионная стойкость

Турбины электростанций и реактивных двигателей, измерительные приборы, детали, работающие при высоких температурах

Марганец

Твёрдость, механическая прочность, устойчивость к ударам и трению

Детали дробильных установок, железнодорожные рельсы, зубья ковшей экскаваторов

Титан

Жаростойкость, механическая прочность при высоких температурах, коррозионная стойкость

В самолёто-, ракето- и судостроении. Химическая аппаратура

Вольфрам

Твёрдость и жаропрочность, износоустойчивость

Быстрорежущие инструменты, пилы, фрезы, штампы, нити электрических ламп

Молибден

Эластичность, жаростойкость, коррозионная стойкость

Лопасти турбин реактивных самолётов и автомобилей, броневые плиты, лабораторная посуда, детали электронных ламп

Кремний

Устойчивость к воздействию кислот

Трансформаторы, кислотоупорные аппараты и приборы

Ванадий

Высокая прочность, упругость и устойчивость к ударам

Детали автомобилей, тракторов и других машин, подвергающиеся при работе ударам

Стали — это основа современного машиностроения, оборонной промышленности, ракетостроения и других отраслей промышленности.

В развитии современной металлургии стали большое значение имели работы Д. К. Чернова и П. П. Аносова.

Из цветных сплавов отметим бронзу, латунь, мельхиор, дюралюминий.

Бронза — сплав на основе меди с добавлением (до 20%) олова. Бронза хорошо отливается, поэтому её используют в машиностроении для изготовления подшипников, поршневых колец, клапанов, арматуры и т. д. Используют бронзу также и для художественного литья (рис. 33).

Читайте также:  Металлоискатель на биениях схема

Латунь — медный сплав, содержащий от 10 до 50% цинка. Применяют в моторостроении, для изготовления мебельной фурнитуры.

Мельхиор — сплав, содержащий около 80% меди и 20% никеля, похож по внешнему виду на серебро. Используют его для изготовления сравнительно недорогих столовых приборов и художественных изделий.

Дюралюминий (дюраль, дуралюмин) — сплав на основе алюминия, содержащий медь, магний, марганец и никель. Имеет хорошие механические свойства, его применяют в самолётo- и машиностроении (рис. 34).

Для дошкольников и учеников 1-11 классов

Рекордно низкий оргвзнос 25 Р.

Цель: углубление понимания понятия «сплав», ознакомление с их свойствами и областями применения.

Образовательные: углубить понятие о сплавах, познакомить с их классификацией и свойствами; познакомить с важнейшими сплавами их значением в жизни общества и преимуществом сплавов перед чистыми металлами;

Развивающие: развивать умение делать выводы; развивать логическое мышление и кругозор учащихся; обучать и развивать умение самостоятельного поиска необходимой информации

Воспитательные: воспитание чувства патриотизма и эстетического вкуса.

Тип урока: усвоение новых знаний.

Методы: рассказ учителя, лабораторная работа учащихся, индивидуальные выступления учащихся.

Оборудование и реактивы: коллекции «Сплавы черных и цветных металлов», учебная презентация «Сплавы», раздаточный материал к уроку.

Проверка готовности к уроку учащихся, наличие журнала. Выявление отсутствующих на уроке, причина.

Различные интеллектуальные и спортивные конкурсы, соревнования и марафоны награждают своих победителей медалями. И всем известно, что за первое место вручается медаль золотая, за второе – серебряная и за третье место – бронзовая. Из чего состоят медали победителей? – металлов. Какие это металлы, какими свойствами они обладают, каково их содержание в медали… На эти и многие другие вопросы мы постараемся ответить в течение нашего урока.

Прежде чем перейти к новой теме, повторим некоторые вопросы прошлой урока: 2 человека у доски, остальные работают устно.

1. Где элементы – металлы расположены в периодической системе?

2. К каким электронным семействам относятся элементы – металлы?

3. Расскажите об особенностях строения атомов металлов.

4. Чем образована кристаллическая решетка металлов?

5. Какими физическими свойствами характеризуются металлы, и чем они обусловлены?

6. Почему в химических реакциях металлы выступают в роли восстановителей?

7. Как определить активность металла?

8. Допишите уравнения возможных реакций:

9. Осуществите превращения по схеме:

Итак, все металлы имеют общие черты в строении атомов, в свойствах, но при этом есть и некоторые отличия. Человек давно обнаружил эти свойства металлов и научился их использовать. Но редко встречаются изделия, состоящие из чистых металлов. А из чего состоят окружающие нас металлические предметы? (сплавов)

Объяснение нового материала.

Итак, тема нашего урока «Сплавы».

Цель урока: познакомиться с понятием «сплав», изучить их состав, классификацию, значение и применение в жизни общества.

И в конце урока вы должны будете ответить на один вопрос: «Почему с течением времени человечество перешло от использования чистых металлов к использованию сплавов?»

Давайте подумаем, с чем ассоциируется у вас слово сплав. (Сплавление чего–либо между собой).

Сплавы – это материалы с характерными металлическими свойствами, состоящие из двух и более компонентов, из которых, по крайней мере, один – металл.

Как получают металлы?

–сплавлением при высоких температурах.

Оказывается, что при сплавлении различных металлов строение их изменяется: расстояние между атомами в узлах кристаллической решетки либо уменьшается, либо, наоборот, увеличивается

Считается, что при этом появляются дополнительные силы, скрепляющие атомы в кристалле. Вот почему сплавы обычно более прочные, чем чистые металлы.

Существует несколько классификаций сплавов, в зависимости от структуры, свойств и состава сплава.

– легкоплавкие (сплавы олова, свинца, ртути и цинка)

– тугоплавкие (вольфрамовые, титановые сплавы)

– коррозийно-устойчивые (стали, медные и магниевые сплавы).

2. По основному компоненту:

– черные (основной металл – Fe ) – стали, чугуны.

– цветные (в качестве основного компонента другие металлы) – сплавы меди, никеля, цинка, драгоценных металлов и др.

Расплавленные металлы смешиваются между собой в любых соотношениях, но при охлаждении образуется не твердый раствор, а сплав, состоящий из мельчайших отдельных кристалликов каждого из металлов. Например, свинца и олова, свинца и серебра, висмута и кадмия. (металлы в расплавленном состоянии смешиваются между собой, при этом сохраняя свою кристаллическую решетку)

Т акие сплавы получаются, если расплавленные металлы неограниченно растворяются друг в друге, то есть смешиваются в любых соотношениях. Компонентами могут быть металлы, кристаллические решетки которых одного типа, а атомы мало различаются по размеру. Например, золото и серебро, серебро и медь, медь и никель. Такие сплавы содержат в узлах кристаллической решетки атомы обоих металлов, а потому они однородны и называются твердыми растворами внедрения. При существенном различии значений атомных радиусов, образующих сплав, атомы металла с меньшим радиусом размещаются в пустотах кристаллической решетки другого компонента. Примером такого сплава может служить сталь. Такие сплавы называются твердым раствором внедрения.

Такие сплавы получаются, если расплавленные металлы вступают во взаимодействие и образуют между собой химические соединения. Например, медь и цинк, Кальций и сурьма, свинец и натрий.

А теперь, чтобы активизировать работу головного мозга выполним несколько упражнений для наших пальчиков. Оказывается, тренировка тонких, дифференцированных движений пальцев является стимулом для развития речи, и мощным тонизирующим фактором для коры головного мозга в целом.

Читайте также:  Почему припой не липнет к проводу

1. Растирание рук, массаж всех пальцев. Надавливаем на суставы пальцев с боков, а также сверху – снизу.

2. «Колечко» – поочередно и как можно быстрее ребенок перебирает пальцы рук, соединяя в кольцо с большим пальцем последовательно указательный, средний и т. д. в прямом и обратном порядке.

Рассмотрим состав и области применения различных сплавов. (Выступление учащихся со своими презентациями). В процессе выступления учеников остальные учащиеся записывают названия сплавов и их основные характеристики.

Состав: Сталь сплав железа и углерода (0.04 – 2%), и добавок марганца(0.1 – 1%), кремния(0.4%), серы(0.08%), фосфора(0.09%), если сталь легированная, то в нее добавлены хром и никель.

Свойства: Она прочная, легкая, коррозионностойкая.

История получения: В старину она считалась драгоценным металлом. Из нее в первую очередь делали оружие. Самым знаменитым был булат. Его родина – Индия. До 19 века сталь считалась исключительно оружейным сплавом, но в 1830 году в Англии из нее стали делать бытовые предметы: шкатулки, подносы, портсигары.

Применение: В 20 веке из стали начали изготавливать светильники, и даже барельефы. Сталь с различными видами обработки может иметь золотой, красный, синий, зеленый, оранжевый цвет. Сталь – основа современной техники.

Состав: Чугун сплав железа и углерода (2 -4.5%), с добавками марганца до 3%, кремния до 4.5%, серы до 0.08%, фосфора до 2.5%.

Свойства: Чугун значительно тверже железа, обычно он очень хрупкий, не куется, а при ударе разбивается.

История получения: Чугун сыграл важную роль в развитии изобразительного искусства и архитектуры. В России его применение в архитектуре началось с литых столбов, которые производили заводы Демидова на Урале. Изобретение данного сплава стало причиной революции в мостостроении. Вообще, литье из чугуна – самостоятельный вид искусства.

Применение. Этот сплав применяется для изготовления различных массивных деталей методом литья, так называемый литейный чугун и для переработки в сталь – передельный чугун. Но данный сплав, в силу коррозионной стойкости и прочности применяется также применяется и для изготовления кухонной утвари.

Состав: Сплав на основе меди с добавкой ( до 20% ) олова.

Свойства: Бронза твёрже меди, устойчива на воздухе, хорошо перерабатывается в различные изделия, но более легкоплавка.

История получения: Историками установлено, что в период Древнего царства в Египте ремесленники применяли только медные инструменты. Но некоторые свойства меди не удовлетворяли потребности мастеров, поэтому с конца 4-го тысячелетия до нашей эры стали появляться бронзовые изделия. Ее секрет раскрыли китайцы, впервые ее получившие. С этого момента начинается в истории бронзовый век. Наряду с изготовлением орудий труда и изделий культового назначения уже в глубокой древности из бронзы начали отливать скульптуру.

Первая из них появилась в 3 тысячелетии до нашей эры в Месопотамии. Это была статуя местного божества. В России из бронзы лились даже колокола. Из нее отлиты знаменитые Царь – колокол и Царь – пушка. Знаменитое чудо света – Колосс Радосский также был отлит из бронзы. В Казахстане также найдены предметы древней казахской культуры, которые хранятся в музеях Алматы.

Применение: Бронза хорошо отливается, поэтому используется в машиностроении, где из нее изготавливают подшипники, поршневые кольца, клапаны, арматуру и т. д. Используется также для художественного литья.

Состав: Мельхиор представляет собой соединение меди и никеля, причем процент никеля составляет 29 – 33%, иногда с добавлением серебра.

Свойства: обладает высокой коррозийной устойчивостью и твердостью. Также внешне очень схож с чистым серебром.

История получения: Был получен с целью создания боле дешевой альтернативы серебру, и в отличие от первого не стирается, так как более прочный.

Применение: Мельхиор служит материалом для изготовления посуды, столовых приборов, из него чеканили монеты. Это прочный материал, легкий в обработке. Благодаря хорошим декоративным качеством часто используется для изготовления украшений и предметов искусства.

Состав: состоит из алюминия и меди 6 – 8%. С добавками магния, марганца, кремния.

Свойства: Медь добавлена в сплав для придания ему большей мягкости, что упрощает его обработку, а так же для прочности. Более коррозийно-устойчив и прочен по – сравнению с алюминием. Имеет хорошие механические свойства.

История получения: был создан как хорошая альтернатива алюминию благодаря высокой прочности и твердости.

Применение: Используется как строительный материал, для изготовления легких и прочных конструкций, а так же в современном машино- и авиастроении.

Лабораторный опыт: «Изучение свойств чистых металлов и их сплавов».

У вас на столах лежат небольшие коллекции с различными металлами и сплавами. Рассмотрите выданные образцы, найдите среди них чистые металлы и сплавы и сравните их свойства (по твердости, окисляемости, внешнему виду). Сделайте вывод о свойствах сплавов и чистых металлов.

Вывод: сплавы металлов отличаются по свойствам от чистых металлов, из которых они изготовлены. Сплавы более твердые, прочные и устойчивы к окислителям.

? А с какими сплавами и где в жизни встречаетесь вы?

? На каких свойствах основано их использование?

А теперь вернемся к началу нашего урока и ответим на вопрос: «Почему же люди стали использовать сплавы?»

Ученики отвечают на вопрос, предлагают свои варианты.

1. Сплавы обладают различными свойствами, поэтому есть возможность создать сплав с нужными свойствами.

2. Не смотря на то, что в состав сплавов входят металлы, обладающие определенным набором, но свойства сплава сильно отличаются от свойств компонентов, входящих в него, что особенно ценно.

Оцените статью
Adblock detector