Металлы — один из видов материалов наиболее многочисленных и распространенных по применению во многих областях. Однако окружающие нас в природе это сплавы металлов, потому что чистый материал можно получить только в космосе.
Черные металлы, в основном, получают путем последовательного процесса очистки и восстановления железной руды. Если расплавить руду получается чугун содержащий примеси: углерод, кремний, марганец, серу и фосфор.
Если смотреть с точки зрения основных элементов, то металлы делятся на 2 вида, а именно:
- Чистый металл (состоит только из одного типа атомов), самый главный металл железо (Fe) и другие как медь (Cu).
- Металлический сплав состоящий из двух или более типов атомов.
Металлы и их сплавы являются самыми важными инженерными материалами, используемыми для строительства машин, транспортных средств, мостов, зданий и самолетов.
В связи с их применением в машиностроении выделяются определенные свойства: механические, физические, химические определяющие качество.
Черный металл — это металлический сплав, состоящий из смеси элемента углерода с железом.
Железо встречаются в природе в виде оксида или железной руды. Чтобы получить сплав, который имеет различные свойства с железом и углеродом смешивают с различными другими металлами.
Сталь это сплав
В качестве примеров класса черных металлов можно привести сталь — это железо с содержанием углерода от 0 до 0,3 %.
В зависимости от количества углерода сталь может быть:
- Низкоуглеродистая
Получаемый материал податлив и прост в машинном использовании:
– от 0,05 % до 0,20% углерода (С): автомобильные кузова, здания, трубы, цепи, заклепки, шурупы, гвозди.
– 0,20 % — 0,30% C: шестерни, валы, болты, поковки, мосты, здания. - Среднеуглеродистая сталь
Прочность выше, чем у низкоуглеродистой стали.
Полученный материал трудно согнуть, сварить, разрезать.
Использование:
— 0,30 % — 0,40% C: шатуны, кривошипные штифты, оси.
— 0,40 % — 0,50 % C: оси вагонов, коленчатые валы, рельсы, котлы, шнековые долота.
— 0,50 % — 0,60 % C: молотки, наковальни. - Высокоуглеродистая инструментальная сталь
Трудно согнуть, сварить и разрезать. Содержание 0.60 % – 1,50 % С.
Использование :
— отвертки, кузнечные молоты , столовые ножи, шурупы, , тиски, ножи, дрели, инструменты для токарной обработки латуни и дерева, развертки, инструменты для токарной обработки твердых металлов, пилы для резки стали, штампы для волочения проволоки, тонкие фрезы
Легированная сталь
В легированной стали специально добавлены материалы для:
- повышения механических свойств (твердость, пластичность, прочность на растяжение);
- повышения механических свойств при низких температурах;
- повышения устойчивости к химическим реакциям (окислению и восстановлению);
- чтобы сделать свойства особенными.
Легированные стали, классифицируемые по содержанию углерода, подразделяются на:
- низколегированная, если элементы ее сплавов ≤ 2,5 %;
- среднелегированная, если элементы получаются 2,5-10 %;
- высоколегированная, если элементы ее сплавов > 10 %.
Легированная сталь также делится на две группы, а именно специальная легированная и быстрорежущая
- Специальная легированная сталь
Сталь этого типа содержит один или несколько металлов, таких как никель, хром, марганец, молибден, вольфрам и ванадий. Сталь такого сплава имеет особые механические и химические свойства, такие как твердость, прочность и пластичность по сравнению с углеродистой сталью.
- Быстрорежущая сталь
Содержание углерода: 0,70 — 1,50 %. Из такого материала делают режущие инструменты, такие как сверла, развертки, зенкеры, токарные долота и фрезы. Назван как быстрорежущая сталь, потому что режущий инструмент, изготовленный из этих материалов, может работать в два раза быстрее, чем из углеродистой стали. В то время как цена в два-четыре раза выше, чем у углеродистой стали
Прочие виды стали
Сталь с особыми физико-химическими свойствами:
— кислотостойкая
– жаростойкая
– не способствует накипи
– электросталь
– магнитная
– немагнитная
– износостойкая сталь
– устойчивая к ржавчине/коррозии.
Путем объединения двух классификаций стали по видам применения и химическому составу получаются пять групп:
– углеродистая конструкционная
– углеродистая инструментальная
– легированная конструкционная
– легированная инструментальная
– конструкционная сталь высоколегированная
Нержавеющая сталь
Нержавеющая сталь — это соединение железа, содержащее не менее 10,5% хрома для предотвращения процесса коррозии (ржавления металла).
Способность к коррозионной стойкости получена из образования слоя оксидной пленки хрома, при этом оксидный слой блокирует процесс окисления железа.
- 12-14% хрома (Cr), где механические свойства стали очень сильно зависят от содержания элемента углерода (С).
- Для лопаток газовой турбины используется сталь с дальнейшим упрочнением 10-12% хрома(Cr), 0,12% углерода (C) с небольшим количеством дополнительных элементов Mo, V, Nb, Ni при давлении мощности, достигающем 927 МПа.
- Сталь с высоким содержанием хрома, 17%Cr, 2,5% Ni. Обладает очень высокой коррозионной стойкостью. Используется для валов насосов, клапанов и фитингов, которые работают при высоком давлении и температуре, но не подходят для кислых условий.
- Магниты не могут прилипнуть к материалу из нержавеющей стали.
Чугун
Белый чугун: очень твердый и хрупкий. Чугун трудно поддается механической обработке, и его использование ограничено в отношении футеровки цементом, где твердость необходима. Углерод C содержится в виде цементита (формула Fe3C).
Серый чугун: тип чугуна наиболее широко используемый. Его тип варьируется и классифицируется в зависимости от его прочности.
Ковкий чугун: имеет более высокую прочность на растяжение, чем серый и широко используется для деталей машин, получающих изгибное напряжение.
Высокопрочный чугун более упругий и пористый, чем серый чугун. Этот материал обычно используется для компонентов, которые получают нагрузку таких как поршень, коленчатый вал и кулачок.
Свойства сплавов металлов
Металлы имеют определенные свойства которые приводят к сильным и слабым сторонам при применении.
Механические свойства
Механические свойства сплавов металла — это способность или поведение материала выдерживать заданную нагрузку, либо статические нагрузки, либо динамические нагрузки при обычной температуре, высокой температуре или температуре ниже 0°C.
Статическая нагрузка — это нагрузка, которая остается либо большой, либо ее направление изменяется в зависимости от времени. Статическая нагрузка может быть как растягивающей, так и прессосгибающей, крутильной, сдвиговой, а также комбинациями нагрузок. Между тем динамическая нагрузка может быть либо внезапной, либо сменной, либо постоянной.
Механические свойства металлов включают в себя прочность, эластичность, твердость, функциональную жесткость, пластичность, износостойкость, прочность на разрыв под напряжением.
1. Характер сплавов металла при нагрузке
Когда металл обременен растягивающей нагрузкой, он будет подвергаться деформации, то есть изменению размеров или формы вследствие воздействия нагрузки, которая на него накладывается. Эта деформация может происходить как в упругом, так и в пластическом состоянии. Упругая деформация, т. е. изменения будут немедленно потеряны снова, когда нагрузка будет распределена. Пластическая деформация, а именно изменение формы, которое сохраняется, несмотря на нагрузку, вызвавшую деформацию, устраняется.
2. Природа сплавов металла при динамическом нагружении
Материал, который нагружается динамически, устанет и сломается, хотя и будет изменен статической силой.
Усталость-это симптом разрушения материала, вызванный изменением нагрузки. Усталостная прочность металла — это специфическое переменное напряжение.
Между тем предел усталости — это постепенное накопление повреждений до тех пор, пока не будет разрушен.
3. Растяжение
Растяжение — это увеличение длины непрерывно на постоянной нагрузке. Когда материал подвергается растягивающей нагрузке, то увеличение длины не может быть остановлено до тех пор, пока материал не будет сломан.
4. Природа металла против внезапной нагрузки
Когда деформация велика, то материал обычно испытывает хрупкое разрушение из-за того, что материал подвергается внезапной нагрузке.
5. Природа твердости металла
Твердость — это устойчивость материала к пластической деформации вследствие нагрузки на поверхность в виде царапин. Природа этого имеет отношение к свойствам прочности, износостойкости.
6. Удар
Эти свойства почти совпадают с природой растяжения, ибо свойства от нагрузки выше. Например, у серого чугуна свойства давления примерно в четыре раза больше, чем у растяжения.
7. Сдвиг и кручение
Испытание на сдвиг и кручение проводится усилием когда произойдет изгиб.
8. Демпфирующие свойства
Если металл вытягивается или прессуется так, чтобы деформация была упругой, то нагрузка снимается, тогда энергия, необходимая для изменения формы всегда меньше энергии для упругой деформации, из-за упора или тяги. Это происходит из-за свойства гасить нагрузку или вибрацию.
9. Пластичность
Пластичность — это способность материала в твердом состоянии изменять фиксированную форму без разрыва. Пластичность важна чтобы учитывать при обработке формы металла. Большинство металлов при высокой температуре обладают свойствами пластичности лучше и имеют тенденцию к увеличению с повышением температуры. При высокой температуре металл может легко растрескиваться из-за деформации, вызванной наличием нагрузки при такой температуре. Когда эти свойства проявляются при обычной комнатной температуре, это называется ломким холодом.
Физические свойства сплавов
Физические свойства-это свойства материала, обусловленные физическими явлениями, такими как влияние тепла и электричества.
1. Свойства, обусловленные воздействием тепла, в частности, плавления, изменения размеров и структуры вследствие процесса нагрева.
2. Электрические свойства известны как сопротивление материала к потоку электричества или наоборот как электропроводность.
Химические свойства
Химические свойства материала включают растворимость этих материалов в растворе, основаниях или соли. Почти все химические свойства тесно связаны с повреждениями в виде признаков коррозии.
Цветные металлы
Пример: Al и его сплавы, Ni и его сплавы.
Цветной металл — это металл, который не содержит элементов железа (Fe). Металл цветной среди прочих:
Медь (Cu)
Алюминий (Al)
Свинец (Pb)
Олово (SN)
Кроме того: Цинк, Магний, Никель, Кобальт, Молибден, Вольфрам, Сурьма, Висмут, Ртуть.
К цветным относятся и драгоценные металлы: золото, серебро, платина.
