Сплавы металлов - что это такое?

Содержание

Сплавы металлов: определение, состав, типы, свойства и применение
Что такое сплав?
История сплавов
Из чего состоит сплав?
Как изготавливают сплавы?
Характеристики сплавов
Как выглядит сплав?
Различные типы сплавов
Свойства сплавов
Химические свойства сплавов
Применения сплавов
Недостатки сплавов
Являются ли сплавы устойчивыми к ржавчине?
Являются ли сплавы гипоаллергенными?
Являются ли сплавы металлами?
В чем разница между сплавом и металлом?
В чем разница между сплавом и алюминием?

Сплавы металлов: определение, состав, типы, свойства и применение

Сплавы – это металлы, состоящие из двух или более металлов или основного металла с неметаллическими добавками.

Добавление различных элементов к структуре решетки чистого металла позволяет металлам обладать свойствами, которые они не проявляют в своей чистой форме.

Как правило, сплавы прочнее, тверже, долговечнее, а иногда и более устойчивы к коррозии, чем их аналоги из чистого металла.

Точный состав сплава будет варьироваться в зависимости от типа основного металла и его легирующих элементов. Примеры сплавов включают сталь, латунь и алюминиевые сплавы.

Сплавы используются в самых разных областях, от строительства и транспорта до ювелирных изделий и искусства. В этой статье объясняется, что такое сплав, и рассматриваются различные типы, составы и области применения.

Что такое сплав?

Сплав представляет собой материал, состоящий из металлической основы и дополнительных металлических или неметаллических элементов.

Сплавы обычно создаются для получения желаемых свойств материала, которые иначе не присутствуют в чистом виде основного основного материала.

В то время как металлы обычно используются в качестве легирующих добавок, неметаллы, в первую очередь, также часто используются.

История сплавов

Сплавы использовались еще в 3000 г. до н.э. Первыми известными сплавами были латунь (сочетание меди и цинка) и бронза (сочетание меди и олова).

В основном они использовались для изготовления инструментов и оружия. В 16 веке до нашей эры кованое железо и чугун — два сплава железа и углерода — были созданы путем ковки горячего железа над пламенем.

Углерод из пламени диффундировал в структуру железа. Эти два сплава были предшественниками углеродистой стали. Однако только во время промышленной революции 18 века многие из сплавов, обычно используемых сегодня, были разработаны.

Достижения в области химии позволили изолировать металлические элементы, такие как марганец, никель и хром, что позволило создать нержавеющую сталь, алюминий, титан, никель и многие другие сплавы, обычно используемые сегодня.

Несколько других терминов для «сплава»: смесь, сплав, амальгама, твердый раствор и примесь.

Из чего состоит сплав?

Сплавы представляют собой металлические материалы, состоящие из основного металла и добавок других металлов, неметаллов или того и другого.

Точный состав сплава может широко варьироваться в зависимости от основного металла, его легирующих элементов, желаемых свойств и предполагаемого применения.

Как изготавливают сплавы?

Сплавы изготавливаются путем плавления и смешивания основного металла и дополнительных элементов (металлов и/или неметаллов) и их охлаждения.

Существуют два типа сплавов: сплавы замещения и сплавы внедрения. В сплавах замещения, таких как латунь и бронза, атомы легирующих элементов имеют одинаковый размер.

Атомы легирующих элементов занимают или замещают те же места, что и атомы основного материала в его структуре решетки.

В сплавах внедрения, таких как сталь, атомы легирующих элементов меньше и помещаются между атомами основного металла. После смешивания сплавы можно отливать или деформировать в слитки, стержни, прутки или пластины.

Характеристики сплавов

Хотя характеристики сильно различаются в зависимости от типа сплава, общие характеристики сплавов перечислены ниже:

Улучшенные свойства: сплавы создаются путем объединения двух или более металлов или элементов. Полученный материал обычно имеет улучшенные свойства по сравнению с его составными частями. Например, сталь прочнее и долговечнее, чем одно только железо, а бронза тверже и устойчивее к коррозии, чем чистая медь.
Возможность настройки: сплавы позволяют получить желаемые свойства, которых нет у исходных чистых металлов. Например, алюминиевые сплавы намного прочнее и тверже по сравнению с чистым алюминием, который является мягким и податливым.
Разнообразие: В настоящее время существует несколько сотен различных сплавов. Сплавы были созданы для множества различных применений. Также постоянно разрабатываются новые сплавы.
Прочность: сплавы прочнее, чем их аналоги из чистого металла. Дополнительные элементы в структуре решетки основного металла затрудняют перемещение атомов, что делает материал прочнее.
Коррозионная стойкость: сплавы более устойчивы к коррозии, чем чистые металлы. Дополнительные легирующие элементы взаимодействуют с воздухом и образуют на поверхности сплава защитный оксидный слой.
Электропроводность: сплавы, как правило, имеют более низкую электропроводность, чем чистые металлы. Добавление атомов с разными зарядами в структуру решетки основного металла может мешать потоку электронов через сплав.
Теплопроводность: сплавы имеют более низкую теплопроводность, чем чистые металлы. Способность металла проводить тепло зависит от количества свободных электронов в его атомах. Добавление атомов с разными зарядами в структуру решетки основного металла может мешать потоку электронов через сплав.

Цвета сплавов различаются в зависимости от их состава. Сплавы обычно имеют цвет, аналогичный цвету основного металла, но могут казаться светлее или темнее в зависимости от дополнительных элементов.

Как выглядит сплав?

Сплавы внешне похожи на свои основные металлы, но могут казаться светлее или темнее по тону в зависимости от состава сплава.

Чистая медь имеет оранжевый оттенок, в то время как бронза кажется красновато-коричневой, а латунь выглядит как тусклое золото. И бронза, и латунь содержат медь.

Различные типы сплавов

Наиболее распространенные классы сплавов перечислены и описаны ниже:

Сталь

Все стали основаны на элементе железа с добавлением небольшого количества (<2%) углерода. Другие преднамеренные легирующие элементы, добавляемые для улучшения или изменения свойств стали, включают марганец, никель, хром и ванадий.

Многие другие элементы могут быть добавлены для определенных целей или присутствовать в виде остатков. Хотя точные свойства могут различаться в зависимости от химического состава, в целом по сравнению с чистым железом сталь прочнее, тверже и жестче, но менее пластична.

Некоторые стальные сплавы, такие как нержавеющая сталь, также устойчивы к коррозии. Сталь сегодня является одним из наиболее часто используемых металлов.

Он часто используется в зданиях, кораблях и плавсредствах, автомобилях, медицинском оборудовании, бытовой технике и инструментах. Для получения дополнительной информации см. наше руководство по стальным сплавам.

Латунь

Латунь представляет собой сплав, состоящий примерно из 66,6% меди и 33,3% цинка. Однако было разработано множество латунных сплавов, которые представляют собой вариации этой основной формулы.

Они могут содержать такие дополнительные легирующие элементы, как алюминий, сурьма, железо или кремний.

Как правило, латунь прочнее, тверже, менее плотная и легче обрабатывается, чем чистая медь. Латунь часто используется в пуговицах, скобяных изделиях, гильзах для боеприпасов и в морской технике.

Бронза

Бронза представляет собой сплав, состоящий примерно из 88% меди и 12% олова. Иногда добавляют дополнительные элементы, такие как алюминий, фосфор, марганец и кремний.

По сравнению с чистой медью бронза прочнее, тверже, более устойчива к коррозии и легче отливается. Бронза часто используется в скульптурах, шестернях, втулках и инструментах.

Алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы изготавливаются путем объединения алюминия с небольшими количествами таких элементов, как марганец, медь, магний, кремний и цинк. Существует несколько сотен различных алюминиевых сплавов.

По сравнению с чистым алюминием алюминиевые сплавы прочнее (иногда с прочностью, соперничающей со сталью), тверже, долговечнее и более устойчивы к коррозии.

Алюминиевые сплавы используются в самых разных областях, включая автомобили, самолеты, медицинское оборудование, потребительские товары, электропроводку и электронику.

Титановые сплавы

Титановые сплавы состоят из основного металла титана и дополнительных элементов, таких как: алюминий, марганец, цирконий, хром и кобальт.

В то время как чистый титан уже является одним из самых прочных элементов, титановые сплавы еще прочнее. Кроме того, титановые сплавы более гибкие и устойчивые к коррозии.

Они часто используются в авиационных и автомобильных компонентах, морских приложениях, а также в медицинских устройствах и оборудовании.

Никелевые сплавы

Никелевые сплавы состоят из никелевой основы и других элементов, таких как железо, хром и медь.

Никелевые сплавы прочнее и обладают желаемыми магнитными и термическими свойствами, чем чистый никель. Никелевые сплавы часто используются в электрических компонентах и электронике.

Медно-никелевые сплавы

Медно-никелевые (Cu-Ni) сплавы в основном состоят из меди и никеля, но иногда включают другие элементы, такие как кремний, железо, марганец и цинк, для получения различных свойств.

Полученные свойства различаются в зависимости от точного химического состава сплава Cu-Ni.

Как правило, медно-никелевые сплавы являются прекрасными электропроводниками, устойчивы к коррозии и обладают высокой прочностью на растяжение (340-650 МПа). Сплавы Cu-Ni обычно используются в электронике, судостроении и трубопроводах.

Свойства сплавов

Свойства некоторых наиболее распространенных типов сплавов показаны в таблице 1 ниже:

Таблица 1: Свойства обычных сплавов

Тип сплава	Состав	Характеристики	Общее использование	Примеры
Сталь	Железо: 80-98% Углерод: 0,030-1,25% Другие элементы: 0,3-20%	Прочный, твердый, прочный, ковкий, поддающийся механической обработке	Строительство, производство, автомобилестроение, медицина	Конструктивные элементы в зданиях, автомобильные детали, медицинские инструменты
Латунь	Медь: 33-67% Цинк: 33-67% Другие элементы: 0-5%	Прочный, электропроводящий, устойчивый к коррозии, поддающийся механической обработке	Одежда, оборудование, боеприпасы, морская пехота	Молнии, болты, фурнитура, бижутерия, музыкальные инструменты
Бронза	Медь: 85-88% Олово: 12-25% Другие элементы: 0-16%	Прочный, твердый, устойчивый к коррозии, обрабатываемый	Художественные работы, шестерни, втулки, инструменты	Скульптуры, электрические разъемы
Алюминиевые сплавы	Алюминий: 99% Другие элементы: 1%	Легкий, прочный, долговечный, устойчивый к коррозии, обрабатываемый	Рамы для самолетов, автомобилей, машин и т.д.	Фюзеляж для самолетов, велосипедная рама
Титановые сплавы	Титан: 85-99% Другие элементы: 1-11% 89-99% титан, 1-11% другие элементы	Легкий, прочный, твердый, долговечный, устойчивый к коррозии, биосовместимый	Медицинские имплантаты, самолеты, автомобили	Совместные имплантаты, детали самолетов, автомобильные детали
Никелевые сплавы	Никель: 72-83% Другие элементы: 17-28% 72-83% никель, 17-28% другие материалы	Отличная электро- и теплопроводность, стойкость к коррозии	Электрические и электронные приложения	Электропроводка, трансформаторы, ЗУ
Медно-никелевые сплавы	Медь: 70-90% Никель: 10-30% 70-90% меди, 10-30% никеля	Прочный, устойчивый к коррозии, пластичный	Морское применение, производство электроэнергии, нефте- и газопроводные системы	Морские нефтегазовые платформы, корпуса лодок

Физические свойства сплавов

Некоторые физические свойства распространенных типов сплавов показаны в таблице 2 ниже:

Таблица 2: Физические свойства распространенных типов сплавов

Тип сплава	Плотность (г/см3)	Температура плавления (°С)	Теплопроводность (Вт/м*К)	Электропроводность (% IACS)
Сталь	7.80-8.00	1300-1540	44,0-52,0	3-15
Латунь	8.40-8.73	900-930	111-120	28
Бронза	7.40-8.92	950-1025	26-83	15
Алюминиевые сплавы	2,50-2,83	463-1038	70-237	61
Титановые сплавы	4,42-4,84	1538-1704 гг.	7,2-22,7	0,96-1,87
Никелевые сплавы	8.09-8.91	875-2732	8-17	1.35-20.28
Медно-никелевые сплавы	8,91-8,94	1170-1240	25-40	3.45-9.07

Химические свойства сплавов

Некоторые химические свойства некоторых распространенных сплавов показаны в таблице 3 ниже:

Таблица 3: Химические свойства распространенных типов сплавов

Тип сплава	Устойчивость к коррозии	Стойкость к окислению	Реактивность	Магнитные свойства	Воспламеняемость
Сталь	Подвержен коррозии, если только поверхность не обработана или не изготовлен из нержавеющего сплава.	Легко реагирует с кислородом	Реагирует на кислоты и щелочи	Ферромагнитные (кроме аустенитных нержавеющих сталей)	Не воспламеняется
Латунь	Сопротивление ржавчине	Легко реагирует с кислородом	Реагирует на кислоты и щелочи	Немагнитный	Не воспламеняется
Бронза	Сопротивление ржавчине	Легко реагирует с кислородом	Реагирует на кислоты и щелочи	Немагнитный	Не воспламеняется
Алюминиевые сплавы	Сопротивление ржавчине	Легко реагирует с кислородом	Реагирует на кислоты и щелочи	Немагнитный	Не воспламеняется
Титановые сплавы	Сопротивление ржавчине	Легко реагирует с кислородом	Реагирует на кислоты и галогены	Немагнитный	легковоспламеняющийся
Никелевые сплавы	Сопротивление ржавчине	Легко реагирует с кислородом	Реагирует на кислоты	Ферромагнитный	Не воспламеняется
Медно-никелевые сплавы	Сопротивление ржавчине	Легко реагирует с кислородом	Реагирует на кислоты и щелочи	Ферромагнитный	Не воспламеняется

Применения сплавов

Некоторые типичные области применения распространенных групп сплавов перечислены ниже:

Строительство

Стали и алюминиевые сплавы широко используются в строительстве благодаря своей прочности и долговечности. Они используются в конструкционных элементах, кровле, сайдинге и других строительных материалах.

Транспорт

Алюминиевые сплавы, возможно, являются наиболее широко используемым типом сплава в транспортной отрасли. Они легкие, имеют высокое соотношение прочности и веса, устойчивы к коррозии и пригодны для вторичной переработки.

Алюминий помогает повысить эффективность использования топлива и снизить общий вес автомобиля, при этом выполняя требования по прочности.

Электроника

Медно-никелевые сплавы используются в электропроводке и соединителях из-за их высокой проводимости и низкого сопротивления. Они также используются в батареях, реле, корпусах для пайки и других электрических компонентах.

Медицинские приборы

Нержавеющая сталь и титановые сплавы используются в медицинских устройствах, таких как имплантаты, протезы и хирургические инструменты. Эти сплавы часто используются в этих приложениях, потому что они прочны, устойчивы к коррозии и биосовместимы.

Ювелирные изделия

Для создания украшений используются бронза, медно-никелевый, нейзильбер, алюминий и многие другие сплавы.

Сплавы часто используются в ювелирных изделиях, потому что их легче формовать и они более долговечны, чем чистые металлы. Кроме того, из сплавов можно получить различные цвета, которые были бы невозможны из чистых металлов.

Производство

Сплавы всех видов используются в производстве для изготовления деталей для автомобильной, аэрокосмической, строительной и тяжелой техники, медицины, производства потребительских товаров и многого другого.

Сталь, латунь, алюминий и титановые сплавы часто используются в производстве для механической обработки, литья или формовки. Сплавы используются в производстве, потому что их намного легче обрабатывать и формовать, чем чистые металлы.

Искусство и скульптура

Сплавы, такие как бронза и латунь, широко используются в произведениях искусства и скульптуре из-за их уникальных цветов, долговечности и обрабатываемости.

Преимущества сплавов

Некоторые из преимуществ использования сплавов вместо чистых металлов перечислены ниже:

Лучшая прочность: сплавы прочнее чистых металлов, потому что добавление других атомов в структуру решетки основного металла деформирует решетку ровно настолько, чтобы атомам было труднее двигаться.
Больше универсальности: сплавы более универсальны, чем чистые металлы, потому что они обладают желаемыми свойствами, которых нет у чистых металлов. Сплавы, как правило, прочнее, тверже и более устойчивы к коррозии.
Повышенная твердость: сплавы тверже чистых металлов по той же причине, по которой они прочнее чистых металлов. Дополнительные атомы напрягают структуру решетки основного металла и затрудняют смещение атомов.
Может иметь повышенную коррозионную стойкость: сплавы могут быть более устойчивыми к коррозии, чем чистые металлы, в зависимости от дополнительных легирующих элементов и того, как они взаимодействуют с окружающей средой. Некоторые легирующие элементы, такие как цинк, хром и никель, легко реагируют с кислородом и образуют на поверхности сплавов защитные слои. Этот барьер предотвращает проникновение кислорода в материал и его коррозию.
Рентабельность: сплавы более рентабельны, чем чистые металлы, потому что процессы производства сплавов обычно дешевле, чем процессы рафинирования чистых металлов.

Недостатки сплавов

Ограничения сплавов по сравнению с чистыми металлами перечислены ниже:

Менее пластичный: сплавы менее пластичны, чем чистые металлы, из-за добавления дополнительных атомов в структуру решетки основного металла и, как следствие, уменьшения количества систем скольжения, доступных для пластической деформации.
Трудно сваривать: сплавы имеют более низкую температуру плавления, чем их аналоги из чистого металла. Это затрудняет сварку сплавов.
Сложность переработки: сплавы труднее перерабатывать, чем чистые металлы, потому что сплавы состоят из многих материалов.
Могут быть более подвержены коррозии: некоторые сплавы более подвержены различным формам коррозии, чем чистые металлы.
Экологические проблемы: Производство некоторых сплавов может привести к выбросу в атмосферу опасных и вредных паров.

Являются ли сплавы устойчивыми к ржавчине?

В основном да. Сплавы, не содержащие железа, не будут ржаветь, так как ржавчина представляет собой конкретно оксид железа. Однако сплавы, содержащие железо, со временем ржавеют, за исключением нержавеющей стали.

Являются ли сплавы гипоаллергенными?

В основном да. Сплавы, не содержащие никель, кобальт и хром (металлы, обычно вызывающие аллергию), являются гипоаллергенными. Если у вас аллергия, избегайте использования сплавов с этими металлами.

Являются ли сплавы металлами?

Да, сплавы — это металлы. Они являются хорошими проводниками тепла и электричества и имеют блестящую поверхность. Для получения дополнительной информации см. наше руководство по металлоидам.

В чем разница между сплавом и металлом?

Сплав – это материал, состоящий из основного металла и дополнительных элементов.

«Металл» — это классификация пластичных материалов, которые имеют блестящий внешний вид и являются превосходными электрическими и тепловыми проводниками по сравнению с другими классами материалов. Все сплавы являются металлами, но не все металлы являются сплавами.