Металлы и их сплавы

Министерство образования и науки Российской Федерации

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра МИТ

Отчет по лабораторной работе

«Изучение образцов материалов: металлы и их сплавы»

Выполнили: студенты гр. ОИ-

Деревянкин А.С.

РГГМУ

Санкт-Петербург

2007

Протокол камеральной обработки.

Лаборатория ЭРЭ и М

РГГМУ

Таблица образцов.

№	№обр	Наименование	Свойства	Документация
1	1	Чугун (черный сплав)	Маленькая плитка черного цвета с зернистой структурой	ТУ 79 РФ 179-76
2	2	Железо	Тонкая пластина прямоугольной формы с металлическим блеском и местами ржавчиной	ТУ 79 РФ 179-76
3	б/н	Сплав железа	Изделие с арматурой не расширяется при высоких температурах	ТУ 79 РФ 179-76
4	3	Сталь	Тонкая пластина прямоугольной формы с металлическим блеском, немного заржавевшая	ТУ 79 РФ 179-76
5	б/н	Сталь магнитная	В виде кольца, в середине отверстие, где магнитное поле максимальное	ТУ 79 РФ 179-76
6	б/н	Сталь монтажная	В виде крепления, прочная, термостойкая, химически стойкая, магнитная	ТУ 79 РФ 179-76
7	б/н	Сталь	Образец шлейфа, прочный, структура однородная, образован сваркой металла в единое целое	ТУ 79 РФ 179-76
8	4	Медь	Тонкая пластина прямоугольной формы красно-коричневого цвета; мягкий, хороший проводник	ТУ 79 РФ 179-76
9	б/н	Медная пластина с серебряным напылением	Медная пластина серебряного цвета; конденсатор, серебро применяется для увеличения проводимости,	ТУ 79 РФ 179-76
10	б/н	Бронза	Тонкая пластина прямоугольной формы светло-коричневого цвета с металлическим блеском; гибкий, но упругий	ТУ 79 РФ 179-76
11	5	Алюминий	Тонкая пластина прямоугольной формы серебряного цвета, не обладает магнитными свойствами; легкий, прочный, эластичный	ТУ 79 РФ 179-76
12	б/н	Сплав алюминия	Представлен в виде статуэтки серебряного цвета; обладает хорошими литейными свойствами, легкий	ТУ 79 РФ 179-76
13	7	Титан	Образец цилиндрической формы серого цвета; магнитными свойствами не обладает, высокопрочный металл, легкий, плотный, используется в судо- и авиастроении; тугоплавок и химически стоек	ТУ 79 РФ 179-76

Вывод: коллекция образцов материалов по теме «металлы» весьма разнообразна. Представлено множество образцов, в том числе редко встречающихся, за исключением благородных металлов.

Металлы, представленные в таблице образцов.

Чугун (тюрк.), сплав железа с углеродом (обычно более 2%) содержащий также постоянные примеси (Si, Mn, Р и S), чугун — важнейший первичный продукт чёрной металлургии. Широкому использованию чугуна в машиностроении способствуют его хорошие литейные и прочностные свойства (по прочности некоторые чугуны лишь немногим уступают углеродистой стали).

Историческая справка. Первые сведения о чугуне относятся к 6 в. до нашей эры. В Китае из высокофосфористых железных руд получали чугун с низкой температурой плавления, из которого отливали различные изделия. Чугун был известен и античным металлургам 4-5 вв. до нашей эры. Производство чугуна в Западной Европе началось в 14 в. с появлением первых доменных печей для выплавки чугуна из руд. В России производство чугуна началось в 16 в.; в дальнейшем оно непрерывно расширялось, и при Петре I Россия по выпуску чугуна превзошла все страны, но через столетие отстала от западно-европейских стран. Во 2-й половине 18 в. литейные цеха отделились от доменных, что положило начало независимому существованию чугунолитейного производства (при машиностроительных заводах). В начале 19 в. возникает производство ковкого чугуна. (…)

Классификация и свойства чугуна. Чугун, получаемый в доменных печах, подразделяется на передельный чугун, используемый для передела в сталь, и литейный чугун, служащий одним из основных компонентов шихты в чугунолитейном производстве.

Чугун подразделяют: в зависимости от степени графитизации, обусловливающей вид излома, — на серый, белый и половинчатый (или отбелённый); в зависимости от формы включений графита — на чугун с пластинчатым, шаровидным (высокопрочный чугун), вермикулярным и хлопьевидным (ковкий чугун) графитом; в зависимости от характера металлической основы — на перлитный, ферритный, перлитно-ферритный, аустенитный, бейнитный и мартенситный; в зависимости от назначения — на конструкционный и чугун со специальными свойствами; по химическому составу — на легированные и нелегированные.

Серый чугун — наиболее широко применяемый вид (машиностроение, сантехника, строительные конструкции). Важная конструкционная особенность серого чугуна — более высокое, чем у стали, отношение предела текучести к пределу прочности на растяжение. Наличие графита улучшает условия смазки при трении. Свойства серого чугуна зависят от структуры металлической основы, формы, величины, количества и характера распределения включений графита.

Белый чугун представляет собой сплав, в котором избыточный углерод, не находящийся в твёрдом растворе железа, присутствует в связанном состоянии в виде карбидов железа Fe₃C (цементит). Легирование белого чугуна карбидообразующими элементами (Cr, W, Mo и др.) повышает его износостойкость.

Половинчатый чугун содержит часть углерода в свободном состоянии в виде графита, а часть — в связанном в виде карбидов. Применяется в качестве фрикционного материала, работающего в условиях сухого трения (тормозные колодки), а также для изготовления деталей повышенной износостойкости (прокатные, бумагоделательные, мукомольные валки).

Ковким называется чугун в отливках, изготовленных из белого чугуна и подвергнутых последующему графитизирующему отжигу, в результате чего цементит распадается, а образующийся графит приобретает форму хлопьев. Механические свойства ковкого чугуна определяются структурой металлической основы, количеством и степенью компактности включений графита. Наиболее высокими свойствами обладает ковкий чугун, имеющий матрицу со структурой зернистого перлита; им можно заменять литую или кованую сталь. Ковкий чугун используют в основном в автомобиле-, тракторо- и сельхозмашиностроении.

Высокопрочный чугун, характеризующийся шаровидной или близкой к ней формой включений графита, получают модифицированием жидкого чугуна присадками Mg, Ce, Y, Ca и некоторых др. элементов (в чистом виде или в составе сплавов). Высокопрочный чугун обладает хорошими литейными и технологическими свойствами (жидкотекучесть, линейная усадка, обрабатываемость резанием), но по значению сосредоточенной объёмной усадки приближается к стали. Такой чугун применяется для замены стальных литых и кованых деталей (коленчатые валы двигателей, компрессоров и т.д.), а также деталей из ковкого или обычного серого чугуна.

Легированные чугуны. Для улучшения прочностных, эксплуатационных характеристик или придания чугуну особых свойств (износостойкости, жаропрочности, жаростойкости, коррозионностойкости, немагнитности и т.д.) в его состав вводят легирующие элементы (Ni, Cr, Cu, Al, Ti, W, V, Mo и др.). Легирующими элементами могут служить также Mn при содержании > 2% и Si при содержании > 4%. Легированные чугуны классифицируют в соответствии с содержанием основных легирующих элементов — хромистые, никелевые, алюминиевые и т.д. По степени легирования различают низколегированные (суммарное количество легирующих элементов < 2,5%), среднелегированные (2,5—10%) и высоколегированные (> 10%). Низколегированные чугуны имеют перлитную или бейнитную структуру матрицы, среднелегированные — обычно мартенситную, высоколегированные — в большинстве случаев аустенитную или ферритную.

Чугун с 5—7% Si (силал) применяется в качестве жаростойкого материала. Чугун с 12—18% Si (ферросилид) обладает высокой коррозионной стойкостью в растворах солей, кислот (кроме соляной) и щелочей. Такой чугун, легированный молибденом (антихлор), характеризуется высокой стойкостью в соляной кислоте. Чугун с 19—25% Al (чугаль) обладает наибольшей по сравнению с известными чугунами жаростойкостью в воздушной среде и средах, содержащих серу. В качестве износостойких наибольшее распространение получили чугуны, легированные Cr (до 2,5%) и Ni (до 6%) — нихарды. Аустенитные никелевые чугуны, легированные Mn, Cu, Cr (нирезисты), применяются как коррозионностойкие и жаропрочные.

Железо (лат.)

Историческая справка. Железо было известно ещё в доисторические времена, однако широкое применение нашло значительно позже, т. к. в свободном состоянии встречается в природе крайне редко, а получение его из руд стало возможным лишь на определённом уровне развития техники. Вероятно, впервые человек познакомился с метеоритным железом, о чём свидетельствуют его названия на языках древних народов: древнеегипетское «бени-пет» означает «небесное железо»; древнегреческое sideros связывают с латинским sidus (родительный падеж sideris) — звезда, небесное тело. Способ получения железа из руд был изобретён в западной части Азии во 2-м тысячелетии до н. э.; вслед за тем применение железа распространилось в Вавилоне, Египте, Греции (…) Промышленный переворот 18 — начала 19 вв., изобретение паровой машины, строительство железных дорог, крупных мостов и парового флота вызвали громадную потребность в железе и его сплавах. Железо — металл земных глубин, оно накапливается на ранних этапах кристаллизации магмы, в ультраосновных (9,85%) и основных (8,56%) породах (в гранитах его всего 2,7%). В биосфере железо накапливается во многих морских и континентальных осадках, образуя осадочные руды.

Физические и химические свойства. Значение железо в современной технике определяется не только его широким распространением в природе, но и сочетанием весьма ценных свойств. Оно пластично, легко куется как в холодном, так и нагретом состоянии, поддаётся прокатке, штамповке и волочению. Способность растворять углерод и др. элементы служит основой для получения разнообразных железных сплавов. Физические свойства железа зависят от его чистоты. В промышленных железных материалах железо, как правило, сопутствуют примеси углерода, азота, кислорода, водорода, серы, фосфора. При нагревании железа в сухом воздухе выше 200°С оно покрывается тончайшей окисной плёнкой, которая защищает металл от коррозии при обычных температурах; это лежит в основе технического метода защиты железа.

Получение и применение. Чистое железо. получают в относительно небольших количествах электролизом водных растворов его солей или восстановлением водородом его окислов. Разрабатывается способ непосредственного получения железа. из руд электролизом расплавов. Постепенно увеличивается производство достаточно чистого железа. путём его прямого восстановления из рудных концентратов водородом, природным газом или углём при относительно низких температурах. Железо — важнейший металл современной техники. В чистом виде железо из-за его низкой прочности практически не используется, хотя в быту «железными» часто называют стальные или чугунные изделия. Основная масса железа применяется в виде весьма различных по составу и свойствам сплавов. На долю сплавов железа приходится примерно 95% всей металлической продукции. На основе железа создаются материалы, способные выдерживать воздействие высоких и низких температур, вакуума и высоких давлений, агрессивных сред, больших переменных напряжений, ядерных излучений и т. п. Производство железа и его сплавов постоянно растет

Сталь (польск. stal, от нем. Stahl), деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2%) и др. элементами. Сталь — важнейший продукт чёрной металлургии, являющийся материальной основой практически всех отраслей промышленности. Масштабы производства стали в значительной степени характеризуют технико-экономический уровень развития государства.

Структура и свойства стали. К стали как важнейшему материалу современной техники предъявляются разнообразные требования, что обусловливает большое число марок стали, отличающихся по химическому составу, структуре, свойствам. Основной компонент стали — железо. Свойственный железу полиморфизм, т. е. способность кристаллической решётки менять своё строение при нагреве и охлаждении, присущ и стали. При комнатной температуре структура стали состоит из частиц феррита и цементита, присутствующих либо в виде отдельных включений (т. н. структурно-свободных феррита и цементита), либо в виде тонкой механической смеси, называемой перлитом.  Для феррита характерны относительно низкие прочность и твёрдость, но высокие пластичность и ударная вязкость. Цементит хрупок, но весьма твёрд и прочен. Перлит обладает ценным сочетанием прочности, твёрдости, пластичности и вязкости.

Классификация сталей. В современной металлургии сталь выплавляют главным образом из чугуна и стального лома. По типу сталеплавильного агрегата (кислородный конвертер, мартеновская печь, электрическая дуговая печь) сталь называется кислородно-конвертерной, мартеновской или электросталью. Кроме того, различают металл, выплавленный в основной или кислой (по характеру футеровки) печи; сталь при этом называется соответственно основной или кислой. По назначению стали делят на следующие основные группы: конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами. Конструкционные стали применяют для изготовления строительных конструкций, деталей машин и механизмов, судовых и вагонных корпусов, паровых котлов и др. изделий. Название конструкционной стали может отражать её непосредственное назначение (котельная, клапанная, рессорно-пружинная, судостроительная, орудийная, снарядная, броневая и т.д.). Инструментальные стали служат для изготовления резцов, фрез, штампов, калибров и др. режущего, ударно-штампового и мерительного инструмента. Стали этой группы также могут быть углеродистыми (обычно 0,8—1,3% С) или легированными (главным образом Cr, Mn, Si, W, Mo, V).

По качеству стали обычно подразделяют на обыкновенные (рядовые), качественные, высококачественные и особо высококачественные. Различие между ними заключается в количестве вредных примесей (S и Р) и неметаллических включений.

Медь (лат. Cuprum) - мягкий, ковкий металл красного цвета.

Историческая справка. Медь относится к числу металлов, известных с глубокой древности. Раннему знакомству человека с медью способствовало то, что она встречается в природе в свободном состоянии в виде самородков, которые иногда достигают значительных размеров. Медь и её сплавы сыграли большую роль в развитии материальной культуры. Благодаря лёгкой восстановимости окислов и карбонатов меди была, по-видимому, первым металлом, который человек научился восстановлять из кислородных соединений, содержащихся в рудах.

Распространение в природе. Среднее содержание меди в земной коре 4,7·10^-3 % (по массе), в нижней части земной коры, сложенной основными породами, её больше (1·10^-2 %), чем в верхней (2·10^-3 %), где преобладают граниты и другие кислые изверженные породы. Медь энергично мигрирует как в горячих водах глубин, так и в холодных растворах биосферы; сероводород осаждает из природных вод различные сульфиды меди, имеющие большое промышленное значение. Среди многочисленных минералов меди преобладают сульфиды, фосфаты, сульфаты, хлориды, известны также самородная медь, карбонаты и окислы. Медь — важный элемент жизни, она участвует во многих физиологических процессах. Среднее содержание меди в живом веществе 2·10^-4 %, известны организмы — концентраторы меди. В таёжных и других ландшафтах влажного климата Медь сравнительно легко выщелачивается из кислых почв, здесь местами наблюдается дефицит меди и связанные с ним болезни растений и животных (особенно на песках и торфяниках). В степях и пустынях (с характерными для них слабощелочными растворами) медь малоподвижна; на участках месторождений меди наблюдается её избыток в почвах и растениях, отчего болеют домашние животные. В речной воде очень мало меди, 1·10^-7 %. Приносимая в океан со стоком меди сравнительно быстро переходит в морские илы. Поэтому глины и сланцы несколько обогащены медью (5,7·10^-3 % ), а морская вода резко недосыщена медью (3·10^-7 %). В морях прошлых геологических эпох местами происходило значительное накопление меди в илах, приведшее к образованию месторождений (например, Мансфельд в ГДР). Медь энергично мигрирует и в подземных водах биосферы, с этими процессами связано накопление руд меди в песчаниках.

Физические и химические свойства. Цвет меди красный, в изломе розовый, при просвечивании в тонких слоях зеленовато-голубой. По химическим свойствам медь занимает промежуточное положение между элементами первой триады VIII группы и щелочными элементами I группы системы Менделеева. Медь, как и Fe, Со, Ni, склонна к комплексообразованию, даёт окрашенные соединения, нерастворимые сульфиды и т. д. Сходство с щелочными металлами незначительно. Так, медь образует ряд одновалентных соединений, однако для неё более характерно 2-валентное состояние. Соли одновалентной меди в воде практически нерастворимы и легко окисляются до соединений 2-валентной меди; соли 2-валентной меди, напротив, хорошо растворимы в воде и в разбавленных растворах полностью диссоциированы.  Химическая активность меди невелика.

Получение. Медные руды характеризуются невысоким содержанием меди. Поэтому перед плавкой тонкоизмельчённую руду подвергают механическому обогащению; при этом ценные минералы отделяются от основной массы пустой породы; в результате получают ряд товарных концентратов (например, медный, цинковый, пиритный) и отвальные хвосты. В мировой практике 80 % меди извлекают из концентратов пирометаллургическими методами, основанными на расплавлении всей массы материала. В процессе плавки, вследствие большего сродства меди к сере, а компонентов пустой породы и железа к кислороду, медь концентрируется в сульфидном расплаве (штейне), а окислы образуют шлак.

Применение. Большая роль меди в технике обусловлена рядом её ценных свойств и прежде всего высокой электропроводностью, пластичностью, теплопроводностью. Благодаря этим свойствам медь — основной материал для проводов; свыше 50 % добываемой меди применяют в электротехнической промышленности. Все примеси понижают электропроводность меди, а потому в электротехнике используют металл высших сортов, содержащий не менее 99,9 % Cu. Высокие теплопроводность и сопротивление коррозии позволяют изготовлять из меди ответственные детали теплообменников, холодильников, вакуумных аппаратов и т. п. Около 30—40 % меди используют в виде различных сплавов, среди которых наибольшее значение имеют латуни (от 0 до 50 % Zn) и различные виды бронз; оловянистые, алюминиевые, свинцовистые, бериллиевые и т. д. Кроме нужд тяжёлой промышленности, связи, транспорта, некоторое количество меди (главным образом в виде солей) потребляется для приготовления минеральных пигментов, борьбы с вредителями и болезнями растений, в качестве микроудобрений, катализаторов окислительных процессов, а также в кожевенной и меховой промышленности и при производстве искусственного шёлка.

Бронза (франц. bronze, от итал. — bronzo), сплав меди с разными химическими элементами, главным образом металлами (олово, алюминий, бериллий, свинец, кадмий, хром и др.). Соответственно, бронза называется оловянной, алюминиевой, бериллиевой и т.п. бронза не называют сплавы меди с цинком и никелем.

Оловянная бронза — древнейший сплав, выплавленный человеком. Первые изделия из бронзы получены за 3 тыс. лет до н. э. восстановительной плавкой смеси медной и оловянной руд с древесным углём. Значительно позднее бронзу стали изготовлять добавкой в медь олова и других металлов. Бронза применялась в древности для производства оружия и орудий труда (наконечников стрел, кинжалов, топоров), украшений, монет и зеркал. В средние века большое количество бронзы шло на отливку колоколов. Колокольная бронза обычно содержит 20% олова. До середины 19 в. для отливки орудийных стволов использовалась так называемая пушечная (орудийная) бронза — сплав меди с 10% олова. В 19 в. началось применение бронзы в машиностроении (втулки подшипников, золотники паровых машин, шестерни, арматура). Особенно ценными для машиностроения оказались антифрикционные свойства и стойкость против коррозии оловянных бронз. В развитых промышленных странах появилось большое число марок машинных бронз разного состава, содержавших до 10—15% олова, до 5—10% цинка, а также небольшие добавки свинца и фосфора. В 20 в. начали изготовлять заменители оловянных бронз, не содержащие дефицитного олова и часто превосходящие их по многих свойствам. Наиболее распространены алюминиевые бронзы с 5—12% алюминия и добавками железа, марганца и никеля. В 20—30-е гг. разработаны безоловянные бронзы (бериллиевые, кремненикелевые и др.), способные сильно упрочняться при закалке с последующим искусственным старением. Например, сплав меди с 2% бериллия после термической обработки приобретает большую прочность, чем многие стали, и очень высокий предел текучести — 1280 Мн/м² (128 кгс/мм²). Разнообразные бронзы играют важную роль в современном машиностроении, авиации и ракетной технике, судостроении и др. отраслях промышленности.

Алюминий (лат.) – серебристо-белый лёгкий металл.

Историческая справка. Название алюминий происходит от латинского alumen — так ещё за 500 лет до н. э. назывались алюминиевые квасцы, которые применялись как протрава при крашении тканей и для дубления кожи. Первый промышленный способ производства алюминия предложил в 1854 французский химик А. Э. Сент-Клер Девиль. Похожий по цвету на серебро, алюминий на первых порах ценился очень дорого. С 1855 по 1890 было получено всего 200 т алюминия.  По распространённости в природе алюминий занимает 3-е место после кислорода и кремния и 1-е — среди металлов. Его содержание в земной коре составляет по массе 8,80%. В свободном виде алюминий в силу своей химической активности не встречается.

Физические и химические свойства. Алюминий сочетает весьма ценный комплекс свойств: малую плотность, высокие теплопроводность и электрическую проводимость, высокую пластичность и хорошую коррозионную стойкость. Он легко поддаётся ковке, штамповке, прокатке, волочению. Алюминий хорошо сваривается газовой, контактной и др. видами сварки.

 

Применение. Сочетание физических, механических и химических свойств алюминий определяет его широкое применение практически во всех областях техники, особенно в виде его сплавов с др. металлами. В электротехнике алюминий успешно заменяет медь, особенно в производстве массивных проводников, например в воздушных линиях, высоковольтных кабелях, шинах распределительных устройств, трансформаторах (электрическая проводимость алюминия достигает 65,5% электрической проводимости меди, и он более чем в три раза легче меди; при поперечном сечении, обеспечивающем одну и ту же проводимость, масса проводов из алюминия вдвое меньше медных). Сверхчистый алюминий употребляют в производстве электрических конденсаторов и выпрямителей, действие которых основано на способности окисной плёнки алюминий пропускать электрический ток только в одном направлении. Обладая относительно низким сечением поглощения нейтронов, алюминий применяется как конструкционный материал в ядерных реакторах. В алюминиевых резервуарах большой ёмкости хранят и транспортируют жидкие газы (метан, кислород, водород и т. д.), азотную и уксусную кислоты, чистую воду, перекись водорода и пищевые масла. Алюминий широко применяют в оборудовании и аппаратах пищевой промышленности, для упаковки пищевых продуктов (в виде фольги), для производства разного рода бытовых изделий. Резко возросло потребление алюминия для отделки зданий, архитектурных, транспортных и спортивных сооружений. В металлургии алюминий (помимо сплавов на его основе) — одна из самых распространённых легирующих добавок в сплавах на основе Cu, Mg, Ti, Ni, Zn и Fe.  Алюминий используют в производстве взрывчатых веществ (аммонал, алюмотол). Широко применяют различные соединения алюминия. Производство и потребление алюминия непрерывно растет, значительно опережая по темпам роста производство стали, меди, свинца, цинка.