Классификация сплавов по состоянию компонентов: Металлы. Их разновидности и свойства

1. Классификация материалов по агрегатному состоянию, структуре, типу химической связи, электрическим свойствам.

Классификация
материалов:


по агрегатному состоянию


по типу химической связи

-по
структуре


по электрическим свойствам


по магнитным свойствам

Все
свойства существуют в 4 агрегатных
состояниях:

-газообразные


жидкие

-твердое


состояние плазмы

Агрегатное
состояние вещества зависит от соотношения
кинетической энергии движения молекул
или атомов и потенциальной энергии их
взаимодействия.

Различают
следующие виды связей:


ионная: связь между разноименными + и –
ионами. И состоит из взаимодействия +
заряженных катионов и – заряженных
анионов

-ковалентная:
полярная- между разноименными атомами;
неполярная- между одноименными


металлическая: наблюдается у проводниковых
материалов и состоит в обобществлении
валентных электронов, пренадлежащих
атомов

-молекулярная:
объединяет атомы

3 Вида взаимодействия:

-индукционное


дискретное


ариетационное

По
структуре классифицируют только
материалы в твердом состоянии:

-упорядоченная
структура: монокристаллы, поликристаллы


неупорядоченная: стеклообразные
материалы, стеклокристаллические

2.

Классификация, строение и свойства металлов и сплавов. Кривые плавления (кристаллизации).

Основным
свойством металлов является наличие
электропроводности. Металлы
делятся на: легкие, тугоплавкие, тяжелые,
благородные, щелочные и щелочноземельные.
Напр. Вольфрам — тяжелый и тугоплавкий.
Все металлы делятся на черные(чугун,
железо) и цветные(все остальные). К
основным свойствам относятся:
физические(механические, электрические,
температура плавления,), химические(способность
их атомов легко отдовать валентные
электроны), технологические(ковкость,
жидкотекучесть), эксплуотационные(жаростойкость,
коррозионостойкость, способность к
скольжению). Металлы и сплавы обладают
поликристаллической структурой, состоят
из отдельных монокристаллических
областей ориентированных относительно
друг друга. Сплавы классифицируются по
компонентам (основными, легирующими,
случайные). По количеству компонентов:
двухкомпонентные, тройные, сложные. По
составу: механическая смесь компонентов(не
образу ют при переходе в твердое состояние
не образуют совместной кристаллической
решетки), твердый раствор замещения или
внедрения(один из компонентов замещает
атомы другого в узлах кристаллической
решетки), сплав типа химической
смеси(образование возможно при %-ном
соотношении компонентов, кол-во атомов
1-го сорта должно приходится на кол-во
атомов другого сорта).

кривая
кристаллизации для однокомпонентного
металла.1-2понижается температура металл
находится в жидком состоянии. В
точки 2 вязкость среды становится такой,
что появляются зародыши кристаллизации
после чего на участке 2-3 происходит сама
кристаллизация, после того как она
закончится в точки 3 металл проходит в
твердое состояние на участке 4. Кривая
плавления будет зеркальным отражением
данной кривой и соответственно процессы
будут проходить в обратном порядке.

1-2
плавное понижение Т одного жидкого
расплава состоящего из двух компонентов.
В
точке 2 начинают появлятся зародыши
кристаллизации того компонента сплав
которого имеет более высокую Т
кристаллизации. 2-3
— процесс
кристаллизации
более
высокотемпературного компонента. В
точки 3 начинают появляться зародыши
кристалл. Более низкого температурного
компонента. 3-4
заканчивается процесс совместной
кристаллизации.4-5 понижение Т сплава.

Диаграммы состояния сплавов. Правило фаз

Система
— это совокупность бесконечно большого
числа сплавов, образованных данными
металлами (и неметаллами).

В металловедении
изучают сплавы, в которые входит несколько
элементов. Поэтому, когда говорят
«система Си-Zn» или «система
Fe-Ni», это означает, что рассматривают
сплавы, состоящие из этих элементов. В
системе Fe-Fe3C
изучают взаимоотношение между Fe и
химическим соединением Fe3C.

Фазой называется
однородная
часть системы. В сложных системах,
состоящих из нескольких фаз, существуют
поверхности раздела между фазами. В
сплавах: фазами могут быть чистые
металлы, жидкие или твердые растворы,
химические соединения. Фазы отличаются
одна от другой по агрегатному состоянию
(жидкий алюминий и твердый алюминий —
две разные фазы), химическому составу,
т. е. концентрации компонентов в каждой
фазе, типу кристаллической решетки
(железо с решеткой о. ц. к. и г. ц. к. -тоже
две разные фазы). Число сосуществующих
фаз обозначают буквой Ф.

Компонент.
Компонентами называют вещества,
образующие систему. Компонентами могут
быть чистые металлы (элементы) или
устойчивые химические соединения. В
металловедении под компонентами обычно
понимают элементы (металлы и неметаллы),
которые образуют сплав. Следовательно,
чистые металлы представляют однокомпонентные
системы, сплавы из двух элементов —
двухкомпонентные системы и т. д. Число
компонентов обозначают буквой К.

Степень свободы
определяется числом независимых
переменных (например, температура,
концентрация сплава, давление), которые
можно изменять в определенных пределах,
не нарушая равновесия. Равновесным
называется состояние сплава,

которое не изменяется во времени. При
равновесии сохраняется число сосуществующих
фаз. Если при этом условии можно менять
только температуру (одна переменная),
то число степеней свободы равно единице;
если и температура, и состав фазы должны
быть постоянными, то число степеней
свободы равно нулю. Число степеней
свободы обозначают буквой С.

Закономерности
всех изменений системы в зависимости
от внутренних и внешних условий
подчиняются правилу
фаз.

Правило фаз
устанавливает возможное число фаз и
условия, при которых они могут существовать
в данной системе, т. е. в сплаве из данного
числа компонентов. Правило фаз выражает
зависимость между количеством фаз,
числом компонентов и числом степеней
свободы системы:

С=К+В-Ф,

где С — число
степеней свободы; К — число компонентов;
Ф — число фаз;

В — внешние переменные
факторы (температура, давление).

Если принять
давление постоянным, что допустимо при
рассмотрении металлических систем (В
= 1), т. е. если из внешних переменных
факторов учитывать только температуру,
то С =К+1- Ф.

Возможные случаи
равновесия для однокомпонентных систем.

Если в однокомпонентной системе
(например, в чистом металле) имеется
одна фаза (жидкий или закристаллизовавшийся,
т. е. твердый металл), то К = 1 и Ф = 1.
Следовательно С = 1+1-1= 1, т. е. имеется одна
степень свободы. Это значит, что можно
нагреть или охладить металл в определенном
интервале температур, сохраняя его
однофазным (жидким или твердым). Это
положение известно, так как металл можно
охлаждать в жидком виде (от температуры
затвердевания), сохраняя в нем однофазное
состояние.

Если в момент
плавления или затвердевания в
однокомпонентной системе имеются две
фазы (например, жидкий и твердый металл),
то К = 1, Ф = 2, следовательно, С=1+1-2 = О, т.
е. не имеется ни одной степени свободы.
Такое равновесие возможно лишь при
постоянной температуре. Следовательно,
температура плавления и температура
затвердевания однокомпонентных систем,
например, чистых металлов, всегда
постоянны и пока не исчезает одна фаза
(расплавится твердая часть при нагреве
или затвердеет жидкая часть при
охлаждении), температура остается
неизменной.

ДИАГРАММЫ
СОСТОЯНИЯ ДВОЙНЫХ СПЛАВОВ

Диаграмма
состояния

представляет собой графическую
зависимость состояния сплавов данной
системы от их концентрации (химического
состава) и температуры. По ней можно
установить, какие превращения происходят
в сплавах при нагреве и охлаждении,
определить, при каких температурах
произойдет затвердевание.

Диаграммы состояния
строят экспериментальным путем на
основе результатов термического анализа,
изучения структур сплавов в твердом
состоянии, по результатам физических
методов исследований.

Типы сплавов — tech-science

В зависимости от степени растворимости двух компонентов друг в друге в твердом состоянии получаются различные типы сплавов.

Введение

Во многих технических областях предъявляются высокие требования к используемым материалам, например, в авиационной технике. В некоторых камерах сгорания температура может превышать 2000 °C. Поэтому материалы должны выдерживать не только высокие механические нагрузки, но и термические нагрузки.

Простые металлы часто не удовлетворяют этим требованиям. По этой причине несколько металлов обычно сплавляют вместе, чтобы после затвердевания получить совершенно новые свойства. Такие смеси двух или более металлов также известны как сплавы. Таким образом, на химическом уровне сплавы характеризуются своими металлическими связями.

Смеси веществ с металлическими свойствами называются сплавами!

Чтобы конкретно повлиять на желаемые свойства материала, необходимы глубокие знания в области легирования. Поэтому в этой статье будут объяснены основы легирования. Из-за их сложности рассматриваются только сплавы, состоящие из двух компонентов (также называемые 9).0013 бинарные системы ). Сумма возможных концентраций смеси двухкомпонентного сплава также упоминается как система легирования .

Бинарные системы — это сплавные системы, состоящие из двух компонентов!

Обычно сплавы получают плавлением, смешиванием и последующим отверждением. Для этой цели определенное количество легирующего элемента B (растворенного вещества) добавляют к основному материалу A ( растворитель ) в жидком состоянии. В жидком состоянии атомы участвующих веществ слабо связаны друг с другом. В общем, вещества могут поэтому смешиваться относительно хорошо.

Рисунок: Схематическое изображение компонентов сплава

При затвердевании эта растворимость может либо полностью сохраняться ( полный твердый раствор ), либо полностью теряться ( смесь чистых кристаллов ). Частичная растворимость веществ может возникать и при затвердевании ( смесь твердых растворов ).

В зависимости от растворимости двух компонентов А и В в твердом состоянии сплавы можно разделить на три различных типа.

Рисунок: Классификация сплавов

Твердый раствор

Если два компонента сплава А и В остаются полностью растворимыми друг в друге в твердом состоянии, то атомы легирующего компонента В включаются в кристалл-хозяин ( -хозяин матрица ) основного компонента А. Атомы А и В затем образуют общую структуру решетки. Такая кристаллическая структура смешанных атомов в общей решетке называется твердым раствором .

Полная растворимость компонентов сплава в твердом состоянии называется твердым раствором!

Образно говоря, компоненты твердого раствора ведут себя как смесь воды и спирта, в которой частицы спирта также могут быть полностью растворены в воде.

Рисунок: Схематическая структура полной растворимости двух компонентов в твердом состоянии

В твердом растворе легирующие атомы B могут накапливаться в основной решетке основного вещества A двумя различными способами во время кристаллизации. Соответственно, можно провести различие между твердыми растворами замещения и твердые растворы внедрения . Более подробно они объясняются в соответствующих главах.

Твердый раствор замещения

Если атомы легирующего элемента В занимают регулярные положения в основной решетке элемента А во время кристаллизации, это называется твердым раствором замещения . Сравнение исходной решетки до плавления и общей кристаллической решетки после затвердевания показывает, что отдельные атомы А были просто заменены атомами В.

Рисунок: Схематическая структура компонентов твердого раствора замещения

В общем, два компонента сплава имеют разные атомные радиусы и химические свойства. Поэтому в действительности внутри кристаллов происходит искажение решетки. Искажение решетки увеличивается с увеличением числа замещенных атомов и в конечном итоге приводит к тому, что атомы-хозяева не могут быть замещены в неограниченном количестве легирующими атомами. Поэтому растворимость легирующего элемента в основном материале обычно ограничена (9).0013 частичная растворимость компонентов в твердом состоянии ).

Только при условии, что легирующий компонент В по сравнению с основным компонентом А имеет

  • одинаковую структуру решетки,
  • аналогичные атомные радиусы (отличаются менее чем на 15 %) и
  • аналогичные химические свойства,

легирующие атомы B могут «незаметно» занимать регулярные узлы решетки исходного кристалла A во всем диапазоне смешения. Любая концентрация сплава в конечном итоге может быть получена без так называемого зазор смешиваемости  с помощью такого твердого раствора замещения.

Рисунок: Схематическая структура компонентов полного ряда твердых растворов (твердый раствор замещения)

Растворимость во всем диапазоне смешения также упоминается как полный ряд твердых растворов , т.е. идеальная растворимость компонентов в твердом веществе состояние. В принципе, система медно-никелевого сплава образует такой полный ряд твердых растворов.

Система сплавов, которая демонстрирует полную растворимость компонентов в твердом состоянии во всем диапазоне концентраций, также называется «серией полных твердых растворов»!

Упомянутые выше условия для образования твердого раствора также называются правилами Юма-Розери .

Твердый раствор внедрения

Если атомы В легирующего элемента относительно малы по сравнению с атомами А основного материала (максимальное отношение диаметров 0,4), существует еще одна возможность расположения атомов в решетке. Из-за их небольшого размера легирующие атомы B могут быть также помещены в междоузельные узлы решетки основной кристаллической структуры.

Рисунок: Схематическая структура твердого раствора замещения

Такая смесь атомов в промежуточных узлах решетки также известна как твердый раствор внедрения . Из-за своей доминирующей роли регулярные узлы решетки зарезервированы исключительно для атомов решетки-хозяина.

Поскольку в твердом растворе внедрения имеются только промежуточные узлы решетки, полная растворимость компонентов достигается только в строго ограниченном диапазоне концентраций (обычно всего несколько процентов). Если сплавление проводить за пределами этого предела растворимости, то «избыток» легирующих атомов В выпадет в осадок и образует в микроструктуре собственный кристалл. Этот кристалл, в свою очередь, может частично содержать атомы основного компонента А. Поэтому только частичная растворимость компонентов в твердом состоянии получена для твердых растворов внедрения.

Смесь чистых кристаллов

Если условия для образования твердого раствора не соблюдены, то легирующие атомы В могут оказаться неспособными также занимать регулярные узлы решетки или промежуточные узлы решетки. Это тот случай, когда легирующий компонент В по сравнению с основным компонентом А имеет

  • другую структуру решетки или
  • имеет очень разные химические свойства.

Рисунок: Схематическая структура компонентов смеси чистых кристаллов

Затем атомы практически вытесняются из другой структуры решетки во время затвердевания и вынуждены образовывать свои собственные («чистые») кристаллы. Затем каждый тип атома образует свою собственную кристаллическую структуру, так что в решетке-хозяине нельзя найти легирующих атомов, а в решетке-хозяине нельзя найти никаких атомов-хозяев ( полная нерастворимость компонентов в твердом состоянии ). Микроструктура состоит из смеси совершенно разных кристаллитов (зерен).

Если компоненты сплава нерастворимы, каждый компонент образует собственную кристаллическую структуру!

Рисунок: Схематическая структура полной нерастворимости двух компонентов в твердом состоянии

Образно говоря, компоненты такого сплава ведут себя как смесь воды и масла, компоненты которой также не могут быть смешаны – ни частицы воды в масле, ни частицы масла в воде.

Обратите внимание, что только потому, что атомы смешанного кристаллического сплава не могут быть смешаны в общей структуре решетки, это не означает, что сплав менее стабилен, чем сплав твердого раствора! Между чистыми кристаллами такого сплава также действуют очень большие межатомные силы, обеспечивающие сцепление.

Смеси чистых кристаллитов в реальности не встретишь, так как компоненты всегда можно смешать до определенной степени, даже если растворимость очень низкая. Но в системе сплава висмут — кадмий, например, растворимость настолько мала, что для простоты можно предположить полную нерастворимость компонентов.

Смесь твердых растворов

Полная растворимость (твердый раствор) или полная нерастворимость компонентов (кристаллическая смесь) являются лишь частными случаями. Как правило, компоненты не являются ни полностью смешиваемыми, ни несмешиваемыми.

В действительности легирующий компонент В всегда может быть в определенной степени растворен в основном компоненте А и наоборот. Таким образом, обычно всегда достигается ограниченная растворимость компонентов в твердом состоянии.

Образно частичную растворимость можно сравнить с водно-сахарной смесью, в которой растворимость сахара в воде также ограничена. Вода может только растворить в ней сахар до определенной степени, нерастворенный сахар в конечном итоге осядет.

Рисунок: Схематическая структура частичной растворимости двух компонентов в твердом состоянии

В структуре решетки основного компонента А (растворитель) в определенной степени также будут обнаружены атомы В (растворенное вещество). В зависимости от своих химических свойств атомы B могут либо занимать регулярные узлы решетки в основной решетке A, либо храниться в промежуточных узлах решетки. Тогда это либо твердый раствор замещения , либо твердый раствор внедрения .

Такой твердый раствор, который в основном состоит из основного элемента А (в частности, из решетчатой ​​структуры компонента А) и содержит только небольшое количество легирующего элемента В, также обозначается как \(\альфа\)-твердый раствор ( альфа твердый раствор ).

Наоборот, при очень высоких концентрациях атомов В кристаллиты состоят в основном из решеточной структуры компонента В (растворителя), тогда как небольшое количество атомов А (растворенного вещества) будет осаждаться в них. В таком случае говорят о \(\бета\)-твердом растворе ( бета-твердом растворе ).

Что такое сплав?

Металлический сплав представляет собой вещество, которое объединяет более одного металла или смешивает металл с другими неметаллическими элементами.

Например, латунь представляет собой сплав двух металлов: меди и цинка. Сталь представляет собой сплав металлического элемента (железа) и небольшого количества — до 2 % — неметаллического элемента (углерода).

По сравнению с металлами сплавы отличаются по своим свойствам и характеристикам, таким как состав, области применения, способы их изготовления и стоимость. Продолжайте читать, чтобы узнать больше о сплавах.

Сплавы являются примером того, что «работа в команде заставляет мечту работать», поскольку каждое вещество в сплаве придает свои свойства раствору или смеси. Некоторые сплавы сочетают в себе лучшие качества каждого элемента и создают конечный продукт, более твердый, долговечный и/или более устойчивый к коррозии.

Тщательная химия, которая используется для создания этих точных соотношений, в конечном итоге производит вещества с уникальными полезными свойствами.

Как изготавливают сплавы? Как работают сплавы?

Более глубокое изучение химии сплавов показывает, почему сплавы так полезны в самых разных отраслях промышленности.

Поскольку сплавы сочетают в себе разные элементы, они содержат атомы разного размера. То, как эти атомы объединяются и взаимодействуют друг с другом, определяет классификацию сплавов. В химии сплавов сплав можно классифицировать как замещающий или внедренный в зависимости от его атомного расположения.

сплавы замещения

Сплавы замещения образуются в результате механизмов обмена атомами. Металлические компоненты имеют одинаковые атомные радиусы и возможности химической связи, поэтому атомы одного металла могут занимать те же места, что и их аналог в атомной решетке металла. Хорошо известные замещающие сплавы включают латунь и бронзу.

Сплавы внедрения

Сплавы внедрения образуются, когда более мелкие атомы одного элемента заполняют отверстия в металлической решетке. Атомы каждого элемента не занимают одни и те же позиции. Сталь является примером междоузельного сплава. В случае стали меньшие атомы углерода заполняют промежутки между атомами железа.

Химия увлекательна, но мы перейдем к сути: в обоих случаях атомы в сплаве не могут скользить друг по другу так же легко, как атомы в чистом металле, а это означает, что сплав прочнее и тверже, чем в обоих случаях. чистых металлов, используемых для его создания. Думайте об этом как о липучке: если у вас есть только одна сторона липучки, она не будет прилипать сама к себе так прочно, как контрастные петли и крючки будут сцепляться друг с другом.

Чем полезны сплавы металлов?

Чистые металлы редко используются в производстве, так как они слишком ковкие или мягкие. Но, как мы показали выше, легирование металла часто улучшает его свойства. Некоторые сплавы созданы, чтобы иметь лучшую стойкость к коррозии или лучшую проводимость, а некоторые созданы, чтобы значительно увеличить их несущую способность.

Физические свойства сплава, такие как проводимость, реакционная способность и плотность, могут незначительно отличаться от составляющих его элементов. Однако технические свойства сплава, такие как прочность на сдвиг и прочность на растяжение, могут существенно различаться.

Из-за этого металлические сплавы пользуются большим спросом в различных областях и отраслях, таких как производство, электроника, товары для дома, архитектура, сантехника, а также автомобильная и аэрокосмическая промышленность.

Примеры популярных сплавов и их применения:

Латунь

Латунь — это сплав меди и цинка. Латунь имеет низкую температуру плавления и чрезвычайно удобна в обработке и долговечна. Он используется в тех случаях, когда требуется низкое трение и устойчивость к коррозии, например:

  • Замки
  • Подшипники
  • Компоненты боеприпасов
  • Части прибора
  • Украшение

Фосфористая бронза

Фосфористая бронза состоит из меди, легированной 0,5-11% олова и 0,01% фосфора. Он устойчив к коррозии и усталости и должен использоваться в:

  • Сварочные стержни
  • Втулки
  • Подшипники
  • Пружины
  • Детали переключателя
  • Судовые гребные винты и другие применения в морской среде

Сталь

Сталь представляет собой сплав железа и углерода. Обладает высокой прочностью на растяжение и низкой стоимостью. Mead Metals предлагает множество классификаций стали, таких как нержавеющая сталь, отожженная и отпущенная пружинная сталь и холоднокатаная сталь. Часто используется в:

  • Автозапчасти
  • Инфраструктура
  • Строительство
  • Товары для дома
  • Кухонные приборы

Бериллиевая медь

Бериллиевая медь, также известная как Alloy 25 или BeCu, представляет собой медный сплав с содержанием бериллия 0,5-3%. Он поддается сварке, пластичен, обладает немагнитными и искробезопасными свойствами. Он устойчив к окислению, коррозии и неокисляющим кислотам. Кроме того, бериллиевая медь обладает отличными тепловыми и электрическими свойствами. Часто используется в:

  • Контакты электронного разъема
  • Малые пружины
  • Музыкальные инструменты
  • Компьютерные компоненты
  • Инструменты для опасных сред, таких как аэрокосмическая техника и металлообработка

Металлические сплавы дорогие?

Распространенное заблуждение состоит в том, что металлические сплавы дороги из-за множества стадий, необходимых для их производства. Однако многие металлические сплавы, такие как латунь и бронза, использовались в течение столь долгого времени, что их часто можно было получить по более низкой цене, чем входящие в их состав чистые металлы.

Наш опыт означает, что вы экономите.

По нашему опыту, ненужные расходы для производителя возникают, когда поставщик имеет высокий MOQ для специального металла, такого как бериллиевая медь. Мы понимаем, что производители часто нуждаются в меньшем количестве нишевого сырья и недостаточно обслуживаются крупными дистрибьюторами.