Производство цинка и его сплавов. Способы обработки металлов давлением

 

3. Сплавы

 

За исключением сравнительно небольшого числа случаев, когда в технике используются чистые металлы U; Th; Zr; Li; Be - в ядерной энергетике; Ge; Ag; Сu (в электро- и радиотехнике), подавляющее количество изделий, конструкций, машин изготовлено из металлических сплавов, как правило, более дешевых и часто с лучшими физико-химическими и технологическими свойствами по сравнению с чистыми металлами.

Под сплавом понимают вещество, полученное сплавлением двух и более элементов. Сплав, приготовленный преимущественно из металлов и обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом.

В расплаве все компоненты (из которых был получен сплав) находятся обычно в атомарном (ионном) состоянии, образуя однородный жидкий раствор. При кристаллизации расплава образуются новые вещества - фазы сплава.

Фазой называют однородную составляющую часть системы, имеющую определенный состав, кристаллическое строение, свойства, одно и то же агрегатное состояние и отделенную от остальных частей системы поверхностями раздела.

Достаточно полную информацию о сплавах дают результаты экспериментальных исследований, обобщенные в виде так называемых диаграмм состояния. Диаграммы состояния позволяют определить фазовый состав сплавов при различных температурах и концентрациях компонентов.

По диаграммам можно установить, какие превращения происходят в сплавах при нагреве и охлаждении, определить равновесные температуры плавления (и затвердевания) сплавов различных составов.

В диаграммах состояния двойных систем по оси ординат откладывается температура, а по оси абсцисс - концентрации компонентов (конечные точки оси абсцисс соответствуют чистым компонентам).

Строятся диаграммы состояния на основе данных термического анализа - с помощью кривых охлаждения сплавов различного состава (рис. 3.13).

 

 

Рис. 3.13. Схема построения диаграммы состояния системы

«А-В» (б) по кривым охлаждения сплавов (а)

 

На участке кривой «А» от tH до tA происходит охлаждение расплавленного компонента А. Площадка при tA свидетельствует о кристаллизации компонента А. Ниже температуры tA идет охлаждение отвердевшего компонента А.

Сплавы кристаллизуются в интервале температур. На кривой охлаждения сплава «1» в интервале температур tm - tn скорость охлаждения меньше, чем на других участках этой линии, что связано с выделением тепла при кристаллизации. Таким образом, tm - температура начала, a tn - температура конца кристаллизации сплава «1». Кривые охлаждения других сплавов имеют аналогичный вид. Исключение составляет сплав состава «Э», который кристаллизуется подобно чистым компонентам А и В - при постоянной температуре tЭ. Таким образом, ниже температуры tЭ все сплавы системы «А-В» находятся в твердом – закристаллизовавшемся состоянии. Если установленные экспериментально точки tm и tn нанести на график (б) при соответствующих составах, то получим диаграмму состояния.

Ниже рассмотрены основные типы диаграмм состояния металлических сплавов.

 

 

 

 

 

 

 

4. Свойства и деформация металлов и сплавов

 

1. Физико-химические и физико-механические свойства металлов и сплавов

 

Все основные физико-химические свойства металлов определяются их атомно-кристаллическим строением - местом металла в периодической системе элементов. Металлы одной группы обладают сходством в электронном строении - у них на внешних орбитах одинаковое число электронов. В полном соответствии со сходством в электронном строении элементы одной группы имеют и сходные свойства. К таким периодически повторяющимся свойствам металлов относятся твердость, температура плавления (рис. 3.20), коэффициент теплового расширения, атомный объем и др. Некоторые физические свойства основной группы металлов приведены в табл. 3.5.

Плотность металлов закономерно увеличивается от левых верхних к нижним правым местам в таблице элементов 3.1- от Li; Be; Na; Mg к Os; Jr; Pt. В обратном порядке изменяется удельная теплоемкость металлов.

Наилучшей теплопроводностью обладает серебро. Если ее принять за 1, то теплопроводность меди будет 0,9; алюминия 0,3; железа 0,16; ртути 0,02.

Металлы сильно различаются по температурам плавления. Самым легкоплавким металлом является ртуть, затвердевающая при -38,9°С; цезий плавится при 28,5°С. Из широко применяемых металлов наиболее легкоплавкими являются олово (232°С), свинец (327°С); далее идет алюминий (660°С). Самые тугоплавкие металлы - это вольфрам, рений, осмий (3400; 3180 и 3030°С соответственно).

Легколетучими металлами с температурами кипения менее 1000°С являются Na; К; Cd; Zn; Rb; Sr; Cs; Hg.

 

Все металлы обладают достаточно высокой электропроводностью, на много порядков превышающей электропроводность полупроводников (германия, кремния). Высокая электропроводность, так же как и высокая теплопроводность, объясняется большой свободой перемещения в металлах «электронного газа». По мере уменьшения электропроводности металлы располагаются в том же порядке, что и по теплопроводности: Ag →Cu →А1 →Be.

Считают, что именно электрические свойства позволяют точно отличить металл от неметалла: у металлов электрическое сопротивление растет с температурой.

У двадцати трех металлов (Al; Zn; Sn; Pb и др.) наблюдается явление сверхпроводимости: будучи охлажденными до температур, близких к абсолютному нулю, они перестают оказывать какое-либо сопротивление электрическому току. Для ртути это происходит при 2,4 К; для олова - 3,7 К; для свинца - 7,2 К.

В отношении магнитных свойств наибольший интерес представляют не чистые металлы, а их сплавы с другими элементами.

Металлам присущи многие общие химические свойства, обусловленные слабой связью валентных электронов с ядром атома: образование положительно заряженных ионов, проявление положительной валентности, образование основных оксидов и гидроксидов, замещение водорода в кислотах и др.

Очевидно, что с увеличением порядкового номера элемента в пределах каждого периода, т. е. с увеличением количества электронов на последней орбите, когда атом проявляет все большее стремление не отдавать свои, а присоединять «чужие» электроны, уменьшаются его «металлические» свойства - элемент становится неметаллом. По мере приближения к концу ряда - от щелочных и щелочноземельных металлов к платине и золоту - электроположительный характер членов ряда возрастает. Металлы от лития до натрия вытесняют водород из воды на холоде, а от магния по таллий - при нагревании. Все металлы, стоящие в ряду электрохимических потенциалов (табл. 3.6) выше водорода, вытесняют его из разбавленных кислот; стоящие ниже водорода растворяются только в кислородных кислотах (концентрированной H2SО4 при нагревании или HNО3), платина, золото - только в «царской водке», иридий нерастворим и в ней.

                

 

              Таблица 3.6

Ряд стандартных электродных потенциалов при Т = 298 К

 

Металлы от лития по натрий легко реагируют с кислородом на холоде; последующие члены ряда соединяются с кислородом только при нагревании, а иридий, платина, золото в прямое взаимодействие с кислородом не вступают.

Оксиды металлов от лития по алюминий, титан, цирконий трудно восстановимы. По мере продвижения к концу ряда восстановимость оксидов улучшается, а оксиды последних его членов - серебра, ртути - разлагаются на металл и кислород при небольшом нагревании.

Металлы, имеющие переменную валентность, образуют оксиды неодинакового характера: низшие оксиды обладают основными свойствами, высшие с валентностью Fe3+; Мп7+; Сг6+ являются ангидридами кислот.

Как показывает анализ табл. 3.5, различные металлы обладают разнообразными механическими свойствами. Однако в наиболее полной мере удовлетворяют требованиям конструкторов различные металлические сплавы, свойства которых можно дополнительно улучшать в результате термообработки.

При выборе материала для изготовления требуемой детали или конструкции учитывают также технологические свойства металлов и сплавов: ковкость, свариваемость, обрабатываемость (в том числе - резанием), коррозионную стойкость, износоустойчивость и др. Эти свойства позволяют судить о поведении металла в ходе его обработки и эксплуатации.

Эффективным средством улучшения свойств металлов является легирование - введение в них (в расплавленном состоянии) нескольких процентов других элементов. Легирование стали Мn повышает ее износоустойчивость; легирование Сг и Ni улучшает антикоррозионные свойства; легирование V значительно повышает прочность и вязкость (высококачественная инструментальная сталь, легированная 2% V, сохраняет свои режущие свойства при достаточно высоких температурах); железнодорожные рельсы, изготовленные из стали, легированной Ti, имеют стойкость в 3-5 раз выше обычных. При легировании алюминия 3-5% Сu прочность повышается в 5-8 раз. Широко используются в качестве легирующих элементов W; Mo; Zr; Со; А1.

 

4.2 Механические свойства металлов и сплавов

Металлические конструкции и детали различных машин, механизмов для успешного выполнения служебных функций должны обладать определенным комплексом механических свойств, из которых главным является прочность.

Механические свойства металлов и сплавов зависят от следующих основных факторов:

• от природы металла - типа кристаллической решетки и величины межатомных сил;
• от химического состава сплавов, имеющих как полезные компоненты (обеспечивающие повышение механических свойств), так и вредные примеси; в сплавах цветных металлов к числу вредных относятся разные элементы; для сталей вредными примесями считаются прежде всего сера, фосфор, мышьяк;
• от наличия в металлах и сплавах мелких неметаллических включений и растворенных газов (О, Н, N), количество которых определяется технологическим режимом металлургического производства;
• от условий кристаллизации металлов и сплавов, влияющих на размер зерна (кристаллита), на степень ликвации отдельных элементов, на размеры и распределение в объеме слитка или отливки усадочных раковин и газовых пузырей.

На механические свойства металлических изделий сильное влияние оказывает последующая их обработка: термическая, термохимическая, термомеханическая.

Металлические изделия и конструкции (рельсы, зубчатые шестерни, валы и оси, опорные валки и др.) в ходе эксплуатации подвергаются воздействию различных сил (статических, динамических, ударных), в результате чего происходит деформация этих изделий и конструкций.

Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием приложенных к нему сил. Различают деформацию упругую и пластическую. Упругой называют деформацию, которая устраняется после снятия нагрузки. При этом происходит только незначительное и обратимое смещение атомов в кристаллической решетке; остаточных изменений структуры и свойств металлов упругая деформация не вызывает. Пластической называют такую деформацию, которая не устраняется после снятия нагрузки. В этом случае происходит необратимое изменение формы, структуры и свойств металла.

Достаточно полную характеристику механических свойств металла дают испытания на растяжение стандартного образца с записью на приборе диаграммы растяжения, на оси ординат которой отмечается напряжение (σ = P:S - сила, действующая на единицу площади поперечного сечения образца, а на оси абсцисс - степень деформации, ε - относительное уменьшение площади поперечного сечения (рис. 3.21)).

До точки А наблюдается прямая пропорциональность между ε и σ, σ = Е●ε. Это область упругих деформаций. Коэффициент Е = σ:ε называют модулем упругости материала, а напряжение, соответствующее точке А, - пределом пропорциональности σпц. В этой области остаточная деформация не превышает 0,05%. Напряжения, вызывающие остаточную деформацию 0,2%, называют условным пределом текучести σ02. Дальнейшее повышение нагрузки вызывает более значительную пластическую деформацию.

Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называют временным сопротивлением или пределом прочности - σв. При достаточно высоких напряжениях процесс деформации заканчивается разрушением металлического тела. Разрушение состоит из двух стадий: зарождение трещины и ее распространение через все сечение образца. Разрушение может быть хрупким или вязким. Хрупкое разрушение происходит с высокой скоростью (для стали до 2500 м/с), поэтому его иногда называют «внезапным» или «катастрофическим».

При испытаниях на растяжение пластичных металлов происходит не только увеличение длины образца, но и сужение его поперечного сечения - образуется так называемая «шейка», где и происходит разрушение образца. В связи с этим значения напряжения в металле, характеризуемые кривой ABC на рис. 3.21, являются заниженными, так как рассчитываются на начальное поперечное сечение образца. Действительное напряжение характеризуется кривой АС.

Твердость металлов определяется по размерам отпечатка, образовавшегося на поверхности изделия после вдавливания с постоянным усилием (Р), либо твердого стального шарика (метод Бринелля - НВ), либо алмазного конуса (метод Роквелла - HR), либо алмазной пирамиды (метод Виккерса - HV).

            0,2     5-7            40-50

              СТЕПЕНЬ ДЕФОРМАЦИИ, %

 

Рис. 3.21. Диаграмма растяжения металлов:

I - область упругих деформаций;

II - пластической деформации;

III - развития трещин

Склонность металла к хрупкому разрушению определяют по величине работы, пошедшей на разрушение образца изломом (рис. 3.22) - в результате удара.

                    

 

Рис. 3.22. Схема определения ударной вязкости металлического образца

            Длительное воздействие повторно-переменных напряжений может вызвать образование трещин и разрушение тела даже при напряжениях ниже а0 2. Постепенное накопление повреждений в металле под действием циклических нагрузок называется усталостью металла. Около 80% всех разрушений происходит в результате возникновения очага разрушения, обусловленного усталостью металла. Предел выносливости металла зависит от тщательности обработки поверхности изделия, наличия концентраторов (очагов повышенных напряжений); усталостное разрушение наступает быстрее при наличии растягивающих усилий, в результате коррозии.

Работа всех механизмов неизбежно сопровождается износом соприкасающихся поверхностей деталей в результате трения (подшипники скольжения и качения, зубья шестерен, детали двигателей внутреннего сгорания, режущие инструменты и др.). Для таких узлов очень важно подбирать металлы и сплавы, обладающие высоким сопротивлением износу. Различают следующие виды изнашивания: механическое, коррозионно-механическое, электро-эррозионное. С целью изучения износостойкости металлов проводят испытания на специальных установках, где измеряется скорость поверхностного разрушения металлических образцов под действием трения при различных нагрузках и степенях шероховатости соприкасающихся поверхностей.