Основные сведения о металлах и сплавах

Определение и классификация. Металлы (от греч. metallon — шахта, рудник) являются самыми древними материалами, которые открыло человечество и начало широко использовать. Вначале это были самородные металлы — золото, серебро, медь. Позднее (с IV тыс. до н. э.) стали применять метеоритное железо. Плавка железа была изобретена примерно за 3550 лет до н. э. египтянами. Добыча и обработка железной руды относятся ко II тыс. до н. э.

В настоящее время металлами называют кристаллические вещества с закономерным расположением атомов в узлах пространственной решетки. К ним относится около 75% элементов периодической таблицы Д. Менделеева. Самым распространенным металлом в земной коре является алюминий.

Характерными свойствами металлов являются:

ü плотная кристаллическая структура;

ü способность к образованию сплавов;

ü высокая прочность;

ü способность к значительным пластическим деформациям, что дает возможность обрабатывать их давлением;

ü хорошие литейные свойства;

ü свариваемость;

ü выносливость (способность работать при низких и высоких температурах);

ü высокие тепло- и электропроводность;

ü особый блеск, называемый металлическим и др.

Неметаллы не обладают вышеперечисленными свойствами и резко отличаются по внешнему виду от металлов.

Различают чистые металлы и сплавы.

Чистые металлы состоят из одного основного элемента и незначительного количества примесей других элементов. По степени чистоты различают металлы технической, высокой и особой чистоты.

В большинстве случаев чистые металлы обладают недостаточно высокими физическими, механическими и химическими свойствами и мало пригодны для технических целей. Их используют, как правило, только в тех случаях, когда к материалу предъявляются высокие требования в отношении тепло- и электропроводности, высокой температуры плавления и т. п.

Например, для изготовления проводов, кабелей, обмоток электрических машин и в других целях.

Для изменения свойств металлов в требуемом направлении их сплавляют с другими элементами. Такие соединения или системы, состоящие из двух или нескольких металлов или металлов и некоторых неметаллов, называют сплавами, а элементы, входящие в их состав — компонентами. В настоящее время известно более 10 тыс. используемых в промышленности сплавов: латунь — сплав двух металлов (меди с цинком); бронза — сплав меди с оловом или другими элементами; углеродистая сталь и чугун — сплавы железа с углеродом, кремнием, марганцем, фосфором и серой и т. д.

По числу компонентов сплавы делятся на двухкомпонентные (двойные, или бинарные), трехкомпонентные (тройные) и многокомпонентные.

Компонент, преобладающий в сплаве количественно, называется основным, а компоненты, вводимые в сплав для придания ему нужных свойств, — легирующими. Совокупность компонентов сплава называется системой.

Сплавы обладают всеми характерными свойствами металлов, однако качественные характеристики их обычно резко отличаются от чистых исходных металлов и их можно регулировать. Например, сплав, содержащий 40% кадмия и 60% висмута, имеет температуру плавления 144 °С, а температура плавления составляющих его компонентов - соответственно 321 и 271 °С, т. е. намного выше.

Сплавы применяются значительно шире чистых металлов, так как превосходят их по прочности, твердости, износостойкости, жаропрочности, обрабатываемости резанием, литейным свойствам и т. д. Однако в технике как чистые металлы, так и сплавы объединены под общим термином «металлы».

Все металлы условно (исторически) подразделяются на две группы: черные и цветные (рис. 12.1).

 

К черным металлам относятся железо и его сплавы (сталь — содержание углерода до 2,14%, чугун — от 2,5 до 4,5% углерода и ферросплавы). Все остальные металлы и сплавы составляют группу цветных (нежелезных) металлов.

Наибольшее распространение в строительстве получили сплавы на основе черных металлов — железоуглеродистые (стали и чугуны). На их долю приходится около 95% производимой в мире металлопродукции. Среди цветных металлов первое место по применению в строительстве занимают алюминиевые сплавы. Далее — медь, бронза, латунь и др.

Наряду с черными и цветными сплавами выделяют еще группу благородных металлов: серебро, золото, платину и др. Их называют так потому, что они практически не окисляются на воздухе даже при повышенной температуре и не разрушаются при действии на них растворов кислот и щелочей.

В современной реставрационной практике используют как черные (чугун, сталь), цветные (медь и ее сплавы, цинк, олово, мельхиор, титановые и магниевые сплавы), так и благородные (золото, серебро и др.).

Строение металлов и сплавов. Все металлы и сплавы (за исключением ртути), полученные обычными способами, являются поликристаллическими телами, состоящими из различно ориентированных по отношению друг к другу кристаллов. Эти кристаллы называются зернами. При особых условиях металлы и сплавы могут быть получены также в аморфном состоянии либо смешанной структуры.

Поскольку металлы и сплавы при нормальной температуре относятся к кристаллическим веществам, то образующие их элементарные частицы (атомы) в процессе кристаллизации из расплавленного (жидкого) состояния группируются в строго определенной последовательности, образуя кристаллические решетки. Они представляют собой воображаемые пространственные сетки, в узлах которых расположены положительно заряженные ионы, а в промежутках между ними—легкоподвижные электроны.

Кристаллические решетки могут быть нескольких типов. Наиболее распространены среди металлов и сплавов три типа кристаллических решеток:

ü объемно-центрированная кубическая (ОЦК);

ü гранецентрированная кубическая (ГЦК);

ü гексагональная плотноупакованная (ГПУ).

Кубические решетки могут быть также тетрагональными.

Для изображения кристаллической решетки пользуются упрощенными схемами (рис. 12.2).

В объемно-центрированной кубической решетке атомы расположены в вершинах куба и один — в центре. Такая решетка характерна для альфа-железа, альфа-хрома, молибдена, вольфрама, ванадия и других металлов.

В гранецентрированной кубической решетке атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани. Этот тип кристаллической решетки имеют металлы: медь, алюминий, свинец, гамма-железо, альфа-никель и др.

Рис. 12.2. Основные типы кристаллических решеток и схемы упаковки атомов металлов:

а - объемно-центрированная кубическая (ОЦК); б - гранецентрированная кубическая (ГЦК); в — гексагональная плотноупакованная (ГПУ)

 

В гексагональной плотноупакованной решетке атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы и три атома в средней плоскости призмы. Такую решетку имеют цинк, магний, кадмий, α-цирконий и другие металлы.

Методы изучения строения металлов. Изучают строение металлов и сплавов различными методами: рентгеноструктурным, металлографическим, физическими (электрический, магнитный, радиоактивных изотопов) и др.

Рентгеноструктурным методом исследуют внутреннее строение кристаллических решеток, фазовый состав, величину зерен и т. п. Он позволяет контролировать сплавы на медной основе на глубину до 60 мм, стальные детали — до 100 мм, на алюминиевой основе — до 400 мм.

Металлографическим методом исследуют макро- и микроструктуру металлов. Макростроение металлов изучают на микрошлифах или по изломам. Макроскопический анализ позволяет выявить величины, форму и расположение кристаллических зерен в литом металле, направление волокон в деформированном металле, усадочные и газовые раковины, рыхлости, трещины, химическую неоднородность, характер его излома и др. При микроскопическом исследовании структуры металлов используют оптические или электронные микроскопы с увеличением от 50 до 100 ООО раз.

Свойства металлов. Плотность большинства металлов превышает 5000 кг/м³, и их условно называют тяжелыми. Металлы с плотностью меньше 5000 кг/м³ относят к легким. Плотность металла тем меньше, чем меньше атомная масса и чем больше радиус его атома. Весьма легкими металлами являются литий и калий (плотность соответственно 534 и 860 кг/м³), самыми тяжелыми — платина и осмий (плотность соответственно 21 450 и 22 500 кг/м³). Плотность других металлов и сплавов составляет: железа 7860, чугуна — 7000, меди - 8920, латуни — 8500, алюминия - 2702 кг/м³. При нагреве плотность материалов уменьшается из-за теплового расширения.

Температура плавления — температура перехода твердого кристаллического вещества в жидкое состояние при постоянном внешнем давлении. Температура обратного перехода из жидкого состояния в твердое кристаллическое вещество называется температурой затвердевания.

Температура плавления зависит от прочности связи между ионами и для разных металлов изменяется в довольно широких пределах: от -39 °С (ртуть) до +3390 °С (вольфрам).

В зависимости от температуры плавления различают металлы:

— тугоплавкие, температура плавления которых выше, чем у железа (1539 °С) — хром (1875), молибден (2622), вольфрам (3400 °С) и др.;

— легкоплавкие (олово 232, цинк 419, алюминий 660 °С).

Среди металлов есть и такие, которые при комнатной температуре находятся в расплавленном состоянии (ртуть -39 °С) или плавятся от тепла ладони (цезий +29 °С).

Чистые металлы плавятся при определенных температурах, а большинство сплавов — в интервале температур (начало и конец плавления). За температуру плавления сплавов принимается температура начала плавления. Значения этих температур зависят от количественного соотношения между составляющими сплава. При этом температуры плавления сплавов, как правило, ниже температуры плавления самого легкого его компонента, а температуры затвердевания — понижаются с увеличением концентрации растворенного вещества. Например, сталь, содержащая 0,5% углерода, имеет температуру плавления порядка 1450 °С, а содержащая 2,14% углерода 1147 °С.

Теплопроводность металлов зависит от многих факторов: атомно-молекулярного строения вещества, структуры, пористости, характера пор, влажности, температуры, при которой происходит передача тепла, и других факторов. Лучше других металлов проводят тепло серебро и золото, за ними следует медь, алюминий, вольфрам, магний, цинк, железо и др. Железо имеет теплопроводность примерно в три раза меньше, чем алюминий, и в пять раз меньше, чем медь. Например, теплопроводность меди 389,6, алюминия 209,3, железа 74,4, чугуна 62,8, стали 45,4 Вт/(м×К).

Электропроводность — способность материалов проводить электрический ток под действием внешнего электрического поля. Высокой электропроводностью обладают медь, алюминий и сплавы на их основе, низкой — вольфрам, хром, свинец. Из металлов, которые хорошо проводят электрический ток, делают электрические провода, а из металлов с большим сопротивлением изготовляют электронагревательные приборы.

Характеристикой противоположной электропроводности является электрическоесопротивление.

Жаростойкость (окалиностойкость) — способность металлов сопротивляться окислению и химическому разрушению в атмосфере сухих газов при повышенной и высокой температурах (ГОСТ 6130). У металлов нагрев сопровождается образованием на поверхности оксидного слоя (окалины). Оценивается удельной потерей массы за определенный срок наработки, т. е. скоростью окисления (г/(м²×ч)) или скоростью роста толщины оксидной пленки на его поверхности (мкм/ч). Можно оценивать также допустимой рабочей температурой, при которой скорость окисления металла не превышает заданного значения.

Свойство металлов противостоять коррозионному воздействию газов при высоких температурах называют жароупорностью.

Хладностойкость — способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах. Характеризуется температурами перехода в хрупкое состояние или критическими температурами хрупкости, которые определяют с помощью различных механических испытаний. Температура перехода металла в хрупкое состояние называется порогом хладноломкости. Чем ниже порог хладноломкости, тем менее чувствителен металл к концентраторам напряжений (резкие переходы, отверстия, риски), скорости деформации. Хладноломкими являются железо, вольфрам, цинк и другие металлы, имеющие объемно-центрированную кубическую и гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку.

Прочность металлов определяют в испытаниях на растяжение, сжатие, кручение, срез и изгиб. Испытания на растяжение являются обязательными. При этом наиболее распространенными прочностными характеристиками при испытаниях на растяжение являются предел прочности (временное сопротивление), предел текучести, модуль упругости (модуль Юнга) и относительное удлинение и сужение. Они позволяют получить достаточно полную информацию о механических свойствах металла и его способности к упругим и пластическим деформациям.

Испытания проводят на специальной разрывной машине, которая снабжена автоматической записью зависимости между нагрузкой и абсолютным удлинением. По результатам испытаний строят диаграмму растяжения «напряжение — деформация» и рассчитывают напряжения при различных условиях деформирования образца вплоть до его разрушения. По диаграмме растяжения определяют основные характеристики прочности (рис. 12.3).

В начале испытаний деформации у стали пропорциональны напряжениям. Наибольшее напряжение, при котором сохраняется эта зависимость, называется пределом пропорциональности (при этом напряжении остаточные деформации не должны превышать 0,05%). Следовательно, предел пропорциональности — наибольшее напряжение, при котором зависимость «нагрузка - удлинение» перестает быть прямолинейной.

Рис. 12.3. Диаграмма испытания стали на растяжение:

1 — низкоуглеродистой; 2 - высокоуглеродистой

 

Предел упругости - предельное напряжение, соответствующее нагрузке, при снятии которой образец восстанавливает свои первоначальные размеры. По абсолютному значению он может совпадать с пределом пропорциональности или быть несколько выше его. Предел упругости принято определять как напряжение, вызывающее остаточную деформацию образца, равную 0,005; 0,02 и 0,05% его первоначальной длины. Технический смысл предела упругости состоит в том, что он характеризует предельное напряжение, которое допустимо при работе упругих элементов.

При дальнейшем повышении напряжения начинает проявляться текучесть стали — быстрый рост деформаций при небольшом подъеме напряжений. Явление значительного роста удлинений без заметного увеличения нагрузки называется текучестью.

Предел текучести — наименьшее напряжение, при котором происходит необратимая пластическая деформация образца без заметного увеличения растягивающей нагрузки. Определяют, как правило, когда остаточное удлинение достигает 0,2%. В основе всех инженерных расчетов принимаются напряжения, не превышающие предела текучести.

Затем при дальнейшем подъеме напряжений наступает некоторое замедление роста деформаций, называемое временным упрочнением. Материал вновь приобретает свойство оказывать сопротивление нагрузке, но с ростом удлинения образца нагрузка возрастает значительно медленнее, чем в зоне упругих деформаций. Наступает разрушение образца, называемое временным сопротивлением, а фактически пределом прочности стали.

Удлинение стали в момент разрыва образца указывает на ее пластичность и характеризуется относительным удлинением и относительным сужением.

За относительное удлинение после разрыва (%) принимается отношение приращения длины образца после разрыва к его первоначальной длине. Является одной из характеристик пластичности металлов.

Относительное сужение (%) — отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади. Относительное сужение более точно характеризует пластичность и служит технологической характеристикой при листовой штамповке. Чем больше эти характеристики, тем пластичнее металл.

Твердость — способность материала сопротивляться внедрению в его поверхность другого более твердого тела, не получающего остаточных деформаций. Самый твердый металл — хром (режет стекло). Самые мягкие — щелочные металлы (калий, натрий) режутся ножом.

Для определения твердости (макротвердости) используют методы Бринелля (шведский инженер), Роквелла (американский металлург), Виккерса (название британского концерна) и др. Они основаны на вдавливании в материал при постоянной нагрузке постороннего тела (шарика, конуса или пирамидки) определенных размеров, выполненного из вещества, твердость которого превышает твердость испытываемого материала (рис. 12.4).

Рис. 12.4. Схема определения твердости металла методами Бринелля (а),

Роквелла (б) и Виккерса (в)

 

Свариваемость — свойство металлов давать доброкачественные соединения при сварке, характеризующиеся отсутствием трещин и других пороков в швах и прилегающих зонах либо образовывать сварное соединение, свойства которого близки к свойствам основного металла, подвергнутого сварке.

Хорошей свариваемостью обладают конструкционные стали. Значительно худшую свариваемость имеют чугуны, медные и алюминиевые сплавы, которые требуют специальных технологических условий при сварке. Контролируют качество сварных соединений пробой сваренного образца на загиб или растяжение.

Паяемость - свойство металлов образовывать прочные и герметичные паяные соединения.

Ковкость - способность металлов без признаков разрушения изменять свою форму при обработке давлением. Ее определяют кузнечной пробой на осадку до заданной степени деформации. Многие металлы обладают достаточно хорошей ковкостью в нагретом состоянии, в холодном — латунь и алюминиевые сплавы. Пониженной ковкостью характеризуется бронза.

Обрабатываемостьрезанием — способность металла более или менее легко обрабатываться острым режущим инструментом (фрезой, резцом и т. д.). Хорошая обрабатываемость резанием предполагает получение гладкой и чистой поверхности материала после обработки режущим инструментом. Одни металлы обрабатываются хорошо до получения чистой и гладкой поверхности, другие же, имеющие высокую твердость и хрупкость, плохо. Очень вязкие металлы с низкой твердостью тоже плохо обрабатываются. Поверхность у них получается шероховатой и с задирами. Улучшить обрабатываемость, например стали, можно термической обработкой, понижая или повышая ее твердость. Критериями обрабатываемости являются режимы резания и качество поверхностного слоя.

 

Железоуглеродистые сплавы

Железоуглеродистые сплавы получают путем восстановления железа из оксидов, содержащихся в железных рудах. При этом технологический процесс состоит из двух стадий: получение чугуна и его переработка в сталь.

Производство чугуна. Исходным сырьем для производства чугуна является смесь (шихта), состоящая из железной руды, флюса и топлива. Процесс восстановления железа на первой стадии (получение чугуна) ведут преимущественно в доменных печах (рис. 12.5).

Рис. 12.5. Конструкция доменной печи: / — фундамент; 2 — лещадь; 3 - чугуновоз;

4 — чугунная летка; 5 — фурменный прибор; 6 - газоотводы; 7 - засыпное устройство;

8 - шихта; 9 — шлаковая летка; 10 — шлаковозы

 

Доменная печь работает по принципу противотока. Сверху вниз опускается поток шихты, навстречу ему поднимается поток горячих газов. В результате расплавленный чугун стекает вниз печи, а расплавленный шлак как более легкий находится сверху чугуна, предохраняя его от окисления. Жидкий чугун выпускается через нижнюю летку, шлаки — через верхнюю.

Современные доменные печи имеют общую высоту 80 метров и объем рабочего пространства до 5600 м³. Производительность доменной печи объемом 3000 м³ составляет более 6000 т чугуна в сутки.

В доменных печах получают жидкий передельный (80...90% всего производства) и литейный (8... 17%) чугуны, доменные ферросплавы (специальные чугуны — 2...3%), шлак и доменные газы. Чугун является основным и главным продуктом доменного производства, а шлак и доменные газы — побочными.

В составе выплавляемого чугуна кроме железа и углерода содержатся еще кремний, марганец, сера и фосфор, которые тоже в определенной мере оказывают влияние на формирование его структуры и свойств.

Разновидности и маркировка чугуна. Передельный чугун содержит 4...4,5% углерода, 0,6...0,8 кремния, до 0,07 серы, до 0,3% фосфора. Выпускается следующих марок:

ü для сталеплавильного производства (П1, П2);

ü для литейного производства (ПЛ1, ПЛ2);

ü фосфористый (ПФ1, ПФ2, ПФЗ);

ü высококачественный (ПВК1, ПВК2 и ПВКЗ).

Литейный чугун отличается от передельного повышенным содержанием кремния (до 3,6%) и в некоторых марках фосфора (до 1,2%). Выпускается марок ЛК-00, ЛК-0, ЛК-1... ЛК-5. Литейный чугун используется при производстве фасонных отливок.

В зависимости от формы и содержания углерода в чугунах (ГОСТ 3443) различают белый, серый, высокопрочный и ковкий чугуны.

Белый чугун назван по виду излома, который имеет матово- белый цвет. Получают при быстром охлаждении расплава. В результате весь углерод в нем находится в связанном состоянии в виде цементита. Из-за большого содержания цементита обладает высокой твердостью, износостойкостью, хрупкостью, но плохо обрабатывается. Поэтому для изготовления изделий он не используется, а применяется как передельный чугун, т. е. для производства стали или для отливки деталей с последующим отжигом на ковкий чугун.

Серый чугун (ГОСТ 1412) тоже получил название по виду излома, который имеет серый цвет. Большая часть углерода в сером чугуне находится в свободном состоянии в виде графита. Серый чугун мягкий, хорошо обрабатывается, имеет высокую износостойкость, но меньшую прочность.

В строительстве серый чугун применяют главным образом для изготовления деталей, работающих при сжатии (башмаки, колонны), а также санитарно-технических (отопительных радиаторов, труб) и архитектурно- художественных изделий. Значительное количество чугуна расходуется для изготовления тюбингов, из которых сооружается туннель метрополитена.

Марки серого чугуна состоят из букв СЧ (серый чугун) и цифр. Первое число показывает минимальное значение временного сопротивления при растяжении, второе — при изгибе (МПа). Например, СЧ 36-56 — чугун серый, предел прочности при растяжении 36МПа, при изгибе — 56 МПа. В отдельных случаях приводится лишь среднее значение предела прочности при изгибе (МПа).

Высокопрочный чугун (ГОСТ 7293) получают при модифицировании жидкого серого чугуна магнием или цезием (0,03...0,07% от массы отливки). По механическим свойствам он не уступает литой углеродистой стали, однако превосходит ее по литейным свойствам, износостойкости и обрабатываемости резанием. Помимо высокой прочности обладает еще и высокой пластичностью.

Маркируются высокопрочные чугуны по пределу прочности при растяжении и относительному удлинению. Например, ВЧ 45-5, где 45 кгс/мм² или 450 МПа — предел прочности при растяжении, 5% — относительное удлинение. Всего выпускается восемь марок (от ВЧ 35 до ВЧ 120).

Ковкий чугун (ГОСТ 1215) получают из белого чугуна определенного химического состава путем специального графитизирующего отжига (томление), который заключается в длительной (до 2 сут) выдержке при температуре 950...970 °С. После такой обработки чугун приобретает вязкость, пластичность, почему и называется ковким. По механическим и технологическим свойствам ковкий чугун занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью.

Маркируются ковкие чугуны индексом КЧ и цифрами, обозначающими временное сопротивление при растяжении в десятых долях МПа или кгс/мм² и относительное удлинение при разрыве (в процентах). Например, КЧЗО-6, КЧ60-3, КЧ80-1,5 и др.

Ковкий чугун идет на изготовление деталей высокой прочности, которые подвержены сильному истиранию и ударным знакопеременным нагрузкам.

Легированный чугун (ГОСТ 7769) содержит специальные примеси (хром, никель, молибден), благодаря которым повышается его прочность при ударных нагрузках, кислотоупорность и др. В зависимости от назначения различают износостойкие, антифрикционные, жаростойкие и коррозионно- стойкие легированные чугуны. В обозначении марок легированных чугунов буквы и цифры, соответствующие содержанию легирующих элементов, те же, что и в марках стали.

Производство стали. Исходным сырьем для производства стали являются передельный чугун, стальной лом и ферросплавы. Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода, марганца, кремния, фосфора и серы. Поэтому процесс получения стали сводится к понижению концентрации указанных примесей и перевода их в шлак или газы. Достигается это окислением составляющих с последующим раскислением и получением стали (рис. 12.6).

Рис. 12.6. Схема технологического процесса производства стали

 

Рис. 12.7 Схема работы конвертера: а - заливка чугуна; б - продувка; в - выпуск стали

 

Основными способами производства стали являются кисло- родно-конвертерный, в электрических печах (электродуговой и индукционный), мартеновский (практически вытеснен) и др.

Кислородно-конвертерный способ производства стали заключается в том, что через жидкий чугун продувается кислород. Для производства стали требуется кислород с чистотой 99,5%. Превращение чугуна в сталь происходит благодаря окислению кислородом содержащихся в чугуне примесей (кремния, марганца, углерода). Продувка производится сверху или через днище в конвертерах. Конвертеры имеют грушевидную форму и футеруются внутри магнезитовым кирпичом (рис. 12.7).

Конвертерное производство характеризуется высокой производительностью. За один цикл (продолжительностью не более 1 ч) выпускается 350 тонн стали. Кроме того, не требуется дополнительно топливо, так как разогрев идет за счет экзотермических реакций горения кремния, марганца и углерода и позволяет перерабатывать лом и получать легированные стали.

Одним из недостатков конвертерного способа является повышенное содержание в стали кислорода, ухудшающее ее механические свойства.

Выплавка стали в электропенах основана на использовании электроэнергии для нагрева металла. Тепло в электропечах выделяется в результате преобразования электрической энергии при горении электрической дуги либо в специальных нагревательных элементах, либо за счет возбуждения вихревых токов. Производство стали электроплавильным способом осуществляется в печах двух типов: дуговых и индукционных (высокочастотных).

В электрических печах можно получать очень высокие температуры (до 2000 °С), расплавлять металл с высокой концентрацией тугоплавких компонентов, иметь основный шлак, хорошо очищать металл от вредных примесей, создавать восстановительную атмосферу или вакуум (индукционные печи), достигать высокого раскисления и дегазации металла.

Новыми методами производства и обработки стали являются электроннолучевая плавка, электрошлаковый переплав, вакуумирование и рафинирование стали в ковше жидкими синтетическими шлаками.

Полученную в сталеплавильных агрегатах сталь выпускают в разливочный ковш, а затем либо разливают в металлические формы (изложницы), либо направляют на установки непрерывной разливки стали (машины непрерывного литья). Незначительная часть стали идет на фасонное литье.

В результате затвердевания металла получаются стальные слитки или заготовки, которые в дальнейшем подвергают обработке давлением (прокатке, ковке). Технология и организация разливки является весьма ответственным этапом в общем производстве стали и в значительной мере определяет ее качество и количество отходов при последующем переделе стальных слитков.

Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом. Процесс кристаллизации сплавов (систем) и связанные с ним закономерности формирования структуры описываются с помощью диаграмм состояния или диаграмм фазового равновесия.

Зная диаграмму состояния, можно представить полную картину формирования структуры любого сплава, определять оптимальную температуру жидкого расплава перед разливкой, оценить жидкотекучесть сплава и склонность его к получению химической неоднородности, делать выводы о способности сплава пластически деформироваться, т. е. о возможности и условиях обработки давлением, определять режимы термической обработки.

Согласно диаграмме состояния для железоуглеродистых сплавов (рис. 12.8) характерны следующие фазовые и структурные составляющие: жидкая; однофазные (феррит, аустенит, цементит) и двухфазные (перлит, ледебурит).

Рис. 12.8. Диаграмма состояния сплава железа с углеродом

 

Феррит (от лат. ferrum — железо) - твердый раствор внедрения углерода в а-железе. При этом растворимость углерода в (γ-железе весьма мала. Максимальная растворимость при температуре 727 °С составляет 0,02%, а при температуре
0 °С — 0,01%. Поэтому свойства феррита близки к свойствам железа. Феррит характеризуется низкой твердостью и прочностью, но высокой пластичностью и ударной вязкостью. Чем больше феррита в сплавах, тем они мягче и пластичнее. Феррит хорошо поддается обработке давлением в холодном состоянии (волочению, штамповке). Область феррита ограничивается линиями GPO и AHN.

Аустенит (по имени английского ученого У. Робертса-Остена — W. Roberts-Austen) — твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. Предельная растворимость при температуре 1147 °С - 2,14%. С понижением температуры до
727 °С концентрация углерода уменьшается до 0,8%. Следовательно, аустенит в железоуглеродистых сплавах существует только при высоких температурах. При нормальной температуре (18...24 °С) аустенит в простых железоуглеродистых сплавах отсутствует и его увидеть нельзя. Аустенит характеризуется высокой пластичностью, низкой твердостью, хорошо поддается горячей обработке давлением (ковке, штамповке и прокатке). Область аустенита - NJESG.

Содержание углерода в сплавах всегда превышает его растворимость в α-железе. Избыточный углерод образует с железом химическое соединение, содержащее 6,67% углерода — карбид железа F₃C, или цементит, названного так за высокую твердость (легко царапает стекло). Температура плавления цементита — около 1250 °С. Эта самая твердая и хрупкая составляющая железоуглеродистых сплавов. Пластичность практически нулевая. Чем больше цементита в железоуглеродистых сплавах, тем большей твердостью и меньшей пластичностью они обладают. Цементит — соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита.

Перлит (от фр. perle — жемчуг, указывает на перламутровый отлив шлифа) - эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита. Содержит 0,8% углерода и является продуктом распада аустенита в процессе его охлаждения при 727 °С. Распад аустенита на перлит называется эвтектоидным превращением, а перлит — эвтектоидом. В зависимости от условий образования может существовать в зернистой и пластинчатой формах. Перлит присутствует во всех железоуглеродистых сплавах при температуре ниже 727 °С. Обладает ценным сочетанием прочности, твердости, пластичности и вязкости. Чем мельче включения феррита и цементита в перлите, тем выше показатели его механических свойств. Поэтому, чем больше перлита в сплаве, тем выше показатели механических свойств сплава.

Ледебурит (по имени немецкого ученого А. Ледебура) - механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита при температуре выше 727 °С и перлита и цементита при температуре ниже 727 °С. Образуется при кристаллизации расплава, содержащего 4,3% углерода при температуре 1147 °С. Ледебурит обладает большой хрупкостью и высокой твердостью, хорошими литейными свойствами. Содержится во всех высокоуглеродистых сплавах, называемых белыми чугунами.

Диаграммы состояния строятся экспериментально по кривым охлаждения сплавов (см. рис. 12.8). Практическое значение имеют сплавы железа с углеродом с содержанием углерода до 6,67%, что соответствует его концентрации в цементите. Полому рассматривают диаграмму состояния сплавов железа с углеродом только до этой концентрации, т. е. фактически рассматривается диаграмма «железо — цементит». На горизонтальной оси концентраций отложено не только содержание углерода от 0 до 6,67%, но и содержание цементита. Левая вертикальная ось соответствует 100% содержанию железа. На ней отложены температура плавления железа и температуры его полиморфных превращений. Правая вертикальная ось (6,67% углерода) соответствует 100% содержанию цементита. Буквенное обозначение точек диаграммы принято согласно международному стандарту.

В отличие от чистых металлов сплавы кристаллизуются не при постоянной температуре, а в интервале температур. Температуры, при которых происходят вышерассмотренные фазовые превращения (начало и конец), называют критическими точками и на диаграмме обозначаются следующим образом:

Ас — при нагреве и Аг— при охлаждении с соответствующим номером.

В верхней критической точке, называемой точкой ликвидус (t_л), начинается кристаллизация. В нижней критической точке, которая называется солидус (t_c), кристаллизация завершается (табл. 12.1).

 

Таблица 12.1. Основные точки диаграммы «железо — углерод»

Точки	Температура, °С	Концентрация углерода, %	Точки	Температура, °С	Концентрация углерода, %
А		0,00	С		4,30
В		0,50	G		0,00
Н		0,10	S		0,80
J		0,16	К		6,67
N		0,00	Q	~ 400	0,01
Е		2,14	L	~ 400	6,67
F		6,67	Р		0,02
D	-1600	6,67

 

Линия, на которой при охлаждении начинается кристаллизация сплава (ABCD), называется линией ликвидус (от лат. liqvidus — жидкий). Выше ее существует жидкий раствор. Она характеризует начало первичной кристаллизации. Соответственно на участках АВ из жидкого раствора начинает кристаллизоваться феррит, ВС — аустенит и CD — первичный цементит.

Линия, на которой кристаллизация завершается (AHJECF), называется линией солидус (от лат. solidus — твердый). Она характеризует конец первичной кристаллизации и является началом вторичной кристаллизации (перекристаллизации) и характерна для твердой фазы.

Точка А на диаграмме соответствует температуре плавления железа, точка D — цементита.

Линия GSE диаграммы называется линией верхних критических точек или линией начала превращения аустенита (при охлаждении). Точка G соответствует температуре (911 °С) перехода чистого железа из модификации γ-железа в α-железо. При температурах, лежащих на линии GS, начинается выделение феррита из аустенита.

Линия РЖ диаграммы (температура 727 °С) называется линией нижних критических точек или линией перлитного превращения (при охлаждении).

В точке S, соответствующей содержанию углерода 0,8%, при температуре
727 °С аустенит полностью распадается, образуется перлит.

Разновидности и маркировка сталей. Наличие широкого сортамента сталей и сплавов, выпускаемых в различных странах, вызывает необходимость их идентификации. Однако международные организации по настоящее время не выработали единую систему их классификации и маркировки, что создает определенные трудности для металлоторговли, приводит к ошибкам в заказах и как следствие к нарушению качества изделий.

В настоящее время стали классифицируют главным образом по химическому составу и способу производства, отражая в классификации отдельные критерии качества, а также по назначению, структуре, методам придания формы стальным изделиям и т. д. (рис. 12.9).

Рис. 12.9. Классификация сталей

 

По международным стандартам ИСО 630-80 и ИСО 1052-82 сталь маркируется индексом Fe, цифрами (310, 360, 430, 490, 510, 590 и 690) и буквами, указывающими на качество стали (О, А, В, С и D) и степень раскисления (Е и CF). При этом нормируется содержание углерода, фосфора, серы, азота и их предельные отклонения.

Европейская система обозначения стали регламентируется стандартом ЕН 10027, который определяет порядок наименования сталей и присвоение им порядковых номеров.

В США существует несколько организаций по стандартизации, а следовательно, и систем обозначения металлов и сплавов.

В Республике Беларусь и странах СНГ принята разработанная ранее в СССР буквенно-цифровая система обозначения марок сталей и сплавов, где, согласно стандартам, буквами условно обозначаются названия элементов и способы выплавки стали, а цифрами — содержание элементов.

По типу сталеплавильного агрегата различают сталь: кислородно- конвертерную, мартеновскую, электросталь и др. Кроме того, различают сталь, выплавленную в основной или кислой (по характеру футеровки) печи — основную или кислую.

По способу производства и качеству различают следующие виды сталей:

— обыкновенного качества, которые выплавляют в конверторах или мартеновских печах. Они содержат до 0,6% углерода, 0,06% серы и 0,07% фосфора;

— качественные, которые получают преимущественно в мартеновских печах с соблюдением повышенных требований к составу шихты и технологическим режимам плавки и разливки. Содержание серы и фосфора в них не должно превышать 0,035%;

— высококачественные, изготовленные главным образом в электропечах или в так называемых кислых мартеновских печах. Содержание серы и фосфора не превышает 0,025%;

— особовысококачественные, которые выплавляют главным образом в электропечах с электрошлаковым переплавом. Содержание серы — до 0,015%. Для таких сталей характерны высокая ударная вязкость, стойкость к пониженным температурам и контактная выносливость.

В зависимости от назначения стали подразделяют:

— на конструкционные — бывают строительные (0,3% углерода) и машиностроительные (от 0,025 до 1,3% углерода). Название конструкционной стали может отражать ее непосредствен назначение. Например, котельная, рессорно-пружинная, арматурная, судостроительная и др:,

— инструментальные — могут быть углеродистыми (0,8...1,3% углерода) и легированными (хромом, марганцем, кремнием, ванадием и др.);

— стали специального назначения (нержавеющие, жаростойкие, жаропрочные, электротехнические, износо- и кислостойкие, предназначенные для изготовления деталей и устройств с особыми свойствами. Для многих сталей этой группы характерно низкое содержание углерода и высокая степень легирования).

Углеродистые стали. В состав углеродистых сталей кроме железа и углерода входят марганец (0,1... 1,0%), кремнезем (до 0,4%), а также вредные примеси — сера и фосфор. Свойства их определяются количеством углерода и содержанием примесей.

В зависимости от содержания углерода различают низкоуглеродистую (до 0,25% С), среднеуглеродистую (0,25...0,6% С) и высокоуглеродистую (более 0,6% С) стали.

Углеродистые стали обыкновенного качества (ГОСТ 380) маркируются буквами Ст (сталь) и цифрами, обозначающими условный номер марки в зависимости от химического состава. Выпускается семь марок таких сталей — от СтО до Стб. Чем выше номер марки, тем больше содержание углерода и, соответственно, выше прочность и ниже пластичность. Например, идя стали Ст0 содержание углерода не должно превышать 0,23%, а для стали Ст6 - 0,38...0,49%.

В зависимости от гарантированных свойств стали подразделяются на три группы — А, Б и В.

Стали группы А поставляются только с гарантированными механическими свойствами без уточнения химического состава. Используются они в виде листов и различных профилей без последующей обработки давлением, сварки или термической обработки.

Стали группы Б поставляются с гарантированным химическим составом. Их применяют в тех случаях, когда при производстве изделий используется сварка, горячая деформация или термическая обработка.

Стали группы В выпускаются с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Они обладают повышенным качеством и поставляются по особым техническим условиям.

Индексы Б и В в обозначении марок указываются слева от букв Ст. Индекс группы А в маркировке стали не указывается.

Для обозначения способа раскисления стали в конце марки добавляют индексы: кп (кипящая), сп (спокойная) и пс (полуспокойная) (например, Ст2 кп, СтЗсп и др.). Более надежны спокойные стали, имеющие низкий порог хладноломкости.

Категорию стали (по требованиям к нормируемым показателям химического состава и механических свойств) обозначают соответствующей цифрой правее индекса степени раскисления. Марка стали первой категории пишется без указания цифры 1 (например, Ст4 сп и Ст4 сп2).

Марки сталей с повышенным содержанием марганца имеют в обозначении букву Г (например, Ст5 ГпсЗ означает, что сталь группы А, марки Ст5 с повышенным содержанием марганца, полуспокойная, третьей категории).

Углеродистые качественные стали (ГОСТ 1050) характеризуются более низким, чем у сталей обыкновенного качества, содержанием вредных примесей и неметаллических включений, более узкими пределами содержания углерода в каждой марке и в большинстве случаев более высоким содержанием кремния и марганца. Регламентируется макро- и микроструктура таких сталей.

Маркируют углеродистые качественные стали двухзначными числами, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента: 05, 08, 10, 15 и далее до 85. Перед цифрами пишется слово «сталь» (например, сталь 25 содержит в среднем 0,25% углерода, сталь 40 — 0,40% углерода и т. д.). Дополнительными индексами могут быть отмечены степень раскисления и характер затвердевания стали в изложнице. Спокойные стали не маркируются индексом сп, а полуспокойные и кипящие — соответственно с индексами пс и кп (стали 08 пс, 10кп и др.). Буква Г в марках сталей указывает на повышенное содержание марганца - до 0,9... 1,25% (в нормальной стали 0,35...0,80% марганца), например 14 Г, 18 Г.

Легированные стали. В состав легированных сталей помимо указанных компонентов в определенных сочетаниях вводят легирующие элементы в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и более).

Легирование (от нем. legiren - сплавлять и лат. ligo — связывать, соединять) сталей производят для улучшения их технологических и эксплуатационных характеристик или придания им особых свойств, например с целью повышения предела текучести, ударной вязкости, относительного сужения и прокаливаемости, а также существенного снижения скорости закалки, пирога хладноломкости, деформируемости изделий и возможности образования трещин.

Основными легирующими элементами служат хром, никель, медь, алюминий, вольфрам, молибден, ванадий, титан, цирконии, кобальт и др. Легирующими элементами могут быть также марганец (при содержании более 1%) и кремний (более 0,8%).

По степени легирования (т. е. по суммарному содержанию легирующих элементов) различают низколегированные (менее 5%), среднелегированные (5... 10%) и высоколегированные (более 10%) стали.

По числу легирующих элементов стали могут быть трехкомпонентные (железо, углерод и легирующий элемент), четырехкомпонентные (железо, углерод и два легирующих элемента) и т. д.

Легированные стали часто называются по преобладающим и ней компонентам (например, вольфрамовая, никелевая, высокохромистая, хромомолибденовая, хромоникельмолибденовая и др.).

Маркируют легированные стали буквами в сочетании с цифрами. Буквы обозначают наличие в стали определенного элемента, а первая цифра, стоящая перед буквами, показывает содержание углерода в сотых долях процента, в инструментальных - в десятых долях процента. Если в начале марки нет цифры, то это означает, что количество углерода составляет 1% и выше. Цифры, стоящие за буквами, показывают содержание легирующих элементов в процентах. Если за буквой отсутствует цифра, то содержание данного элемента составляет до 1,5%. Исключение сделано для некоторых элементов, присутствие которых в сталях даже в тысячных долях процента оказывает существенное влияние на свойства сталей (ванадий, титан, молибден, ниобий, цирконий, бор, азот и др.).

Легирующие элементы обозначаются следующими буквами: азот — А, ниобий — Б, вольфрам — В, магний — Г, медь — Д, селен — Е, кобальт — К, молибден — М, никель — Н, фосфор — П, бор — Р, кремний — С, титан — Т, ванадий — Ф, хром — X, цирконий — Ц, алюминий — Ю.

Сталь легированная конструкционная (ГОСТ 4543) в зависимости от химического состава и свойств делится на категории: качественная, высококачественная — А, особовысококачественная — Ш. Буквы А или Ш, стоящие в конце марки, означают, что сталь соответственно высококачественная или особо- высококачественная. Например, марка стали 09Г2С означает, что содержание углерода составляет 0,09%, марганца - 2%, кремния — до 1,5% - сталь качественная; 35XH3MA означает, что содержание углерода составляет 0,35%, хрома - до 1,5%, никеля — 3%, молибдена — до 1,5% — сталь высококачественная и 12Х18 Н10ТА-Ш — углерода 0,12%, хрома 18%, никеля 10%, титана до 1,5% — сталь особовысококачественная.

Строительные стали. Для низколегированных (ГОСТ 19281) и углеродистых сталей (ГОСТ 380), предназначенных для изготовления строительных конструкций из профилей, листов и труб, основными расчетными характеристиками являются временное сопротивление и предел текучести. Маркируют их буквой С (сталь строительная) и числом, указывающим минимальный предел текучести (МПа). В соответствии с ГОСТ 27772 строительные стали подразделяют на несколько классов по прочности (С235, С245, С255, С275, С285, С345, С375, С390, С440, С590). В конце марки могут стоять буквы:

ü К — отличие в химическом составе от стали такого же класса прочности;

ü Т — упрочнение термообработкой;

ü Д — введение в сталь 0,15...0,3% меди для повышения сопротивления атмосферной коррозии.

В зависимости от температуры эксплуатации конструкций и степени опасности хрупкого разрушения испытания на ударную вязкость для сталей С345 и С375 проводятся при разных температурах, поэтому они поставляются четырех категорий, а к обозначению стали добавляют номер категории (например, С345-1, С375-2). Различают такие стали (ГОСТ 19281) обычной прочности (С235... С285), повышенной (С345... С390) и высокопрочные (С440 и С590).

Стали обычной прочности очень пластичны и хорошо свариваются. Однако коррозионная стойкость их недостаточная и поэтому конструкции из них следует защищать с помощью лакокрасочных и других покрытий. Недостатком таких сталей является также склонность к хрупкому разрушению при низких температурах, что тоже ограничивает их применение при отрицательных температурах.

Стали повышенной прочности получают либо введением при выплавке стали легирующих добавок, в основном марганца и кремния, реже никеля и хрома, либо термоупрочнением низкоуглеродистой стали (С34 Т). Такие стали несколько хуже свариваются и требуют иногда использования специальных технологических мероприятий для предотвращения образования горячих трещин.

Стали высокой прочности получают, как правило, путем легирования и термической обработки. Для легирования используют нитридообразующие элементы, способствующие образованию мелкозернистой структуры. Однако пластичность таких сталей снижается. Определенные трудности возникают и при изготовлении конструкций. Высокая прочность и низкая пластичность требуют более мощного оборудования для резки, правки, сверления и других операций.

Стали, поставляемые по разным стандартам, взаимозаменяемы. Так, сталь С235 соответствует стали ВСтЗкп2, сталь С245 — МСтЗпсб, сталь С255 - ВСтЗсп5 и т. д. Рекомендации по таким заменам приведены в нормах проектирования.

Инструментальные стали. По назначению инструментальные стали бывают для изготовления режущего, измерительного и штампового инструментов: резцов, фрез, калибров, штампов и т. д. Они тоже могут быть как углеродистыми, так и легированными. Среди инструментальных сталей наиболее широкое распространение получила быстрорежущая сталь (ГОСТ 19263), отличающаяся высокой твердостью и красностойкостью. Обозначение стали начинается с буквы Р (от англ. rapid - скорость), затем следуют цифра, указывающая среднее содержание вольфрама, буквы и за ними цифры, определяющие массовое содержание легирующих элементов (например, Р18, Р6М5, Р6М5ФЗ и т. д.).

 

Цветные металлы и сплавы

Общие сведения. Традиционно к цветным металлам относятся все металлы за исключением железа и его сплавов. Тем не менее, на их долю приходится всего лишь 5% мирового производства металлов. Объясняется это их небольшим содержанием в земной коре, малым содержанием в рудах, сложностью производства, а следовательно, и высокой стоимостью. Однако, несмотря на более высокую стоимость и сложность производства, они находят достаточно широкое применение в строительстве. И все это благодаря их уникальным физико-химическим и механическим свойствам.

Применяют цветные металлы главным образом в виде сплавов, так как в чистом виде они обладают недостаточной прочностью. Наибольшее распространение из них в строительстве получили сплавы на основе меди, алюминия, олова, магния и других металлов.

Медь и медные сплавы. Медь (лат. cuprum — название о. Кипр, где в древности добывали медную руду) — тягучий, вязкий металл красного (в изломе розового) цвета, в очень тонких слоях на просвет выглядит зеленовато-голубым. Эти же цвета характерны и для многих соединений меди.

Самородная медь в природе встречается крайне редко. В промышленных же масштабах медь получают из руд, а также отходов меди и ее сплавов. Свойства полученной меди (ГОСТ 859) зависят от ее чистоты, а уровень содержания примесей определяет марку: М00к — не менее 99,99% меди, М0к — 99,97, М1к — 99,95, М2к - 99,93% меди и др. В обозначении марок после буквы М (медь) указывается условный номер чистоты, а затем буквой способ и условия получения меди: к — катодная; б — бескислородная; р — раскисленная; ф — раскисленная фосфором.

Вредными примесями, снижающими механические и технологические свойства меди и ее сплавов, являются свинец, висмут, сера и кислород. Содержание их в меди строго ограничено: висмута — не более 0,005%, свинца — 0,05% и т. д.

Технически чистую медь поставляют в виде листов или полуфабрикатов — слитков, предназначенных для дальнейшего передела прокаткой. Более 30% меди используется для производства медных сплавов.

Медь относится к тяжелым цветным металлам. Плотность составляет 8,89 г/см³, температура плавления — 1083 °С. Чистая медь обладает высокой электро- и теплопроводностью. По электрической проводимости она находится на втором месте после серебра. Поэтому медь принято считать эталоном электро- и теплопроводности по отношению к другим металлам. Характеристики этих свойств меди принимаются за 100%, в то время как у алюминия и железа они составляют соответственно 60 и 17% от свойств меди.

Медь — металл сравнительно малоактивный. На воздухе в сухих условиях медь не окисляется. При наличии же углекислого газа и влаги медь окисляется и покрывается тонкой пленкой карбоната меди (CuОH)₂CО₃ зеленого цвета под названием «патина». В дальнейшем эта пленка в определенной мере способна защищать медь от коррозии. У меди также высокая коррозионная стойкость в пресной и морской воде и в ряде химических сред.

Медь обладает высокой пластичностью и отличной обрабатываемостью давлением в холодном и горячем состояниях, хорошими литейными свойствами и удовлетворительной обрабатываемостью резанием. Механические свойства меди относительно низкие: предел прочности составляет 150...200 МПа, отшит цельное удлинение — 15...25%. Повышение механических свойств достигается созданием различных сплавов.

Латуни – сплавы меди с цинком и другими элементами (ГОСТ 15527 и 17711). Если в составе содержится только медь и цинк, то такие латуни называют простыми (двойными). С введением третьего, четвертого и более компонентов латуни именуют сложными или специальными, и они получают названия, например, алюминиевой латуни, железомарганцевой, марганцево-оловянно-свинцовой и т. д.

Среди медных сплавов латуни получили наибольшее распротранение благодаря сочетанию высоких механических и технологических свойств. Кроме того, латуни — наиболее дешевые медные сплавы. По сравнению с медью они обладают большими прочностью, твердостью, коррозионной стойкостью, упругостью, лучшими технологическими свойствами (жидкотекучестью, обрабатываемостью литьем, давлением, резанием).

Механические свойства латуней изменяются с изменением содержания цинка. Наибольшей прочностью (до 450 МПа) обладают латуни, содержащие 45% цинка, а максимальной пластичностью — латуни с содержанием цинка 32%. При увеличении содержания цинка выше 39% резко падает пластичность, а выше 45% — и прочность. Поэтому латуни с содержанием цинка более 45%, как правило, не применяются. Латуни, содержащие до 15% цинка (Л90, Л85), называют томпаком. Они имеют цвет золота и применяются в основном для изготовления украшений, а также труб и радиаторов.

Добавки никеля и железа тоже повышают механическую прочность сплава до 550 МПа. Вместе с тем все латуни, содержащие более 20% цинка, склонны к коррозионному растрескиванию.

Маркируют латуни буквой Л (латунь), за которой стоят цифры, указывающие процентное содержание меди (например, латунь марки Л68 содержит 68% меди, остальное — цинк). Если латунь многокомпонентная, то после буквы Л ставят условное обозначение других элементов и цифры, указывающие их усредненное процентное содержание в сплаве. Порядок букв и цифр в деформируемых и литейных латунях различный.

В литейных латунях среднее содержание компонента сплава указывается сразу после буквы, обозначающей его название (например, латунь марки ЛЦ23А6ЖЭМц2 содержит 23% цинка, 6% алюминия, 3% железа и 2% марганца).

В деформируемой латуни первая цифра после буквы указывает среднее содержание меди. Последующие цифры, отделенные дефисом, указывают среднее содержание легирующих элементов (например, латунь ЛАЖ60-1-1 содержит 60% меди, 1% алюминия, 1% железа и остальное цинк (38%)).

Бронза (от названия порта Бриндизи в Италии) - сплав меди с оловом, алюминием, свинцом и другими элементами, среди которых цинк и никель не являются основными. Цинк и никель вводятся в бронзы только как дополнительные легирующие элементы. По химическому составу они подразделяются на оловянные и безоловянные. Наименование бронзы получают по основному легирующему элементу, образующего сплав (алюминиевые, кремнистые и др.). В зависимости от технологии производства они, как и латуни, делятся на обрабатываемые давлением и литейные.

Бронзы по сравнению с латунями обладают лучшими механическими, антифрикционными свойствами и антикоррозионной стойкостью. Структура и свойства их изменяются в зависимости от содержания легирующих элементов, скорости охлаждения сплава, разновидности и характера термической и других видов обработки. Отжиг, например, снимает напряжения, устраняет наклеп и позволяет получать сплавы однородной структуры. Закалка при температуре 700...750 °С без отпуска увеличивает пластичность сплава, а с отпуском – повышает прочность и твердость.

Маркируют бронзы буквами Бр, далее следуют буквенные и цифровые обозначения содержащихся элементов, кроме меди. Обозначение элементов в бронзах то же, что и при маркировке латуней. Наличие меди в марке не указывается, а ее содержание определяется по разности.

В марках бронз, обрабатываемых давлением (ГОСТ 5017 и 18175), названия легирующих элементов указаны в порядке убывания их концентрации, а в конце марки в той же последовательности указаны их средние концентрации (например, бронза марки БрОЦС4-4-2,5 содержит по 4% олова и цинка, 2,5% свинца и остальное — медь).

В марках литейных бронз (ГОСТ 613 и 493) после каждого обозначения легирующего элемента указано его содержание. Если составы литейных и обрабатываемых давлением бронз перекрываются, то в конце марки литейной бронзы ставится буква Л (например БрА9ЖЗЛ).

Сплавы меди и никеля называют медно-никелевыми (ГОСТ 492). Никель существенно упрочняет медь, не меняя практически характеристик пластичности и ударной вязкости. При этом повышается коррозионная стойкость, технологичность, сплав приобретает особые электрические свойства.

По назначению медно-никелевые сплавы подразделяются:

— на конструкционные (высокопрочные и коррозионностойкие сплавы типа мельхиор, нейзильбер и куниаль);

— на электротехнические (константан, копель и др.).

Алюминий и его сплавы. Алюминий (от лат. alumen — квасцы) по распространенности в природе занимает четвертое место среди всех элементов и первое среди металлов. Впервые алюминий был получен в 1825 г. В настоящее время по объему производства он занимает второе место среди металлов после стали. Его ежегодное мировое производство превышает 15 млн т.

Алюминий представляет собой серебристо-белый легкий металл плотностью 2,7 г/см³ и температурой плавления 660 °С. Характеризуется высокой тепло- и электропроводностью и хорошей коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах. Чем чище алюминий, тем выше его коррозионная стойкость. На воздухе алюминий покрывается тонкой прочной беспористой пленкой оксида алюминия (А1203) толщиной примерно 10 нм, защищающей металл от дальнейшего окисления и обусловливающей его высокую коррозионную стойкость.

Алюминий хорошо обрабатывается давлением, поэтому применяется для изготовления тонких листов, в том числе и фольги различного назначения. Холодная пластическая деформация повышает предел прочности алюминия, но при этом снижается относительное удлинение. Алюминий хорошо сваривается, полируется и относительно плохо обрабатывается резанием из-за налипания металла на инструмент.

В зависимости от содержания примесей алюминий подразделяется на группы и марки (ГОСТ 11069):

— алюминий особой чистоты А999 (99,999% алюминия);

— высокой чистоты марок - А995 (99,995%), А99 (99,99%), А97 (99,97%), А95 (99,95%);

— технической чистоты, допускающих содержание примесей 0,15... 1,0% (А85, А8, А7, А6, А5, АО). Например, марка А85 обозначает, что в металле содержится 99,85% алюминия, а в марке АО — 99% алюминия.

Примеси оказывают существенное влияние на электрические и технологические свойства алюминия, его коррозионную стойкость.

Алюминиевые сплавы сочетают в себе лучшие свойства чистого алюминия и повышенные прочностные характеристики легирующих добавок. Благодаря более высоким технологическим и потребительским свойствам сплавы значительно шире применяются в промышленности и строительстве, чем чистый или технический алюминий. У них выше прочность, коэффициент конструктивного качества, достаточно высокие коррозионная стойкость, тепло- и электропроводность.

Алюминиевые сплавы входят в группу легких металлов — при одинаковой прочности они в три раза легче стали. Минимальный расчетный срок службы конструкций из алюминиевых сплавов - 80 лет. Алюминиевые сплавы нормально работают в любых климатических условиях в диапазоне температур от -80 до +100 °С и хорошо сохраняют свои структурные свойства при перепаде температур.

Вместе с тем алюминиевые сплавы уступают сплавам на железной основе по величине модуля упругости почти в три раза, малопригодны для упрочнения поверхностного слоя способами химико-термической обработки, и их твердость и износостойкость ниже, чем стали. Некоторые из них не обладают хорошей свариваемостью.

Дюралюмины (ГОСТ 4785) являются наиболее распространенными сплавами, основу которых составляют алюминий, медь (4%), магний 0,5%) и в небольших количествах марганец, кремний и железо. Название можно расшифровать как твердый алюминий (от фр. dur - твердый).

Дюралюмины характеризуются сочетанием высокой прочности и пластичности, хорошо деформируются в горячем и холодном состояниях. Максимум прочности достигается при содержании 4% меди и 1% магния (супердюралюмин). Твердость и прочность дюралюминов примерно такая же, как и у сталей обыкновенного качества. Однако при близких значениях прочности коэффициент конструктивного качества у них значительно выше.

Недостатком дюралюминов является их пониженная коррозионная стойкость. Для защиты от коррозии дюралюмины плакируют чистым алюминием либо подвергают электрохимическому оксидированию. При этом прочность сплава незначительно снижается, но зато коррозионная стойкость резко возрастает.

Силумины (ГОСТ 2685) — это общее название группы литейных сплавов на основе алюминия, содержащих кремний (4…13%, а в некоторых марках до 23%) и другие элементы. В зависимости от желательного сочетания технологических и эксплуатационных свойств силумины легируют Си, Mn, Mg, иногда Zn, Ti, Be и другими металлами.

Силумины обладают высокими литейными свойствами, достаточно высокой прочностью, повышенной коррозионной стойкостью, хорошо обрабатываются резанием. По механическим свойствам они несколько уступают лишь сплавам на основе алюминия и меди. Однако литейные свойства у последних несколько ниже. Силумины, легируемые магнием, медью и цинком, можно подвергать также термической обработке, и результате которой повышается их прочность и твердость. Наибольший эффект упрочнения силуминов достигается путем их модификации солями натрия (NaFe, NaCl).

Маркируются алюминиевые сплавы по-разному. Единой международной маркировки нет. На территории Республики Беларусь и России «сосуществуют» практически несколько видов маркировки сплавов: буквенная, буквенно-цифровая, новая цифровая и буквенно-цифровая маркировка технологической обработки полуфабрикатов и изделий, качественно отражающая механические, химические и другие свойства сплава. При буквенной маркировке алюминиевых сплавов последовательно указываются компоненты сплава (АМг, АМц и т. д.).

Литейные сплавы алюминия маркируются буквами АЛ и ч