Конструкционные материалы Учебно-методическое пособие к проведению лабораторных работ по общей и неорганической химии для студентов I курса нехимических специальностей (стр. 2 )

Из литейных алюминиевых сплавов наибольшее распространение получили сплавы алюминия с кремнием – силумины. Они обладают хорошими литейными и средними механическими свойствами. Их применяют для изготовления литьем корпусов, крышек, кронштейнов и других сложных средненагруженных деталей.

Алюминий и его сплавы трудно паяются.

Оксид алюминия Al2O3 известен в виде различных модификаций. Высокая твёрдость позволяет применять его в виде абразивных материалов, как опорные камни в точных механизмах. В виде искусственных рубинов Al2O3 используют в качестве квантовых генераторов (лазеров).

Титан благодаря легкости, высокой термической и коррозионной устойчивости – важный конструкционный металл. Он используется для строительства самолётов, подводных лодок, химических реакторов и проч. Титановые сплавы начинают успешно конкурировать в ряде отраслей техники со сталями и алюминиевыми сплавами, превосходя их по удельной прочности, коррозионной стойкости и по жёсткости. Сплавы на основе титана применяются для изготовления компрессоров авиационных двигателей, аппаратов химической и нефтеперерабатывающей промышленности, медицинских инструментов и др. Введение титана в сплавы придаёт им ценные физико-химические свойства. Так, добавка в сталь 0,1 % Ti придаёт ей твёрдость и эластичность. 

Диоксид титана TiO2 вследствие химической инертности используется в качестве наполнителя в производстве пластмасс, красок, резины.

Ванадий в основном применяется в черной металлургии. Ценные физико-химические свойства позволяют использовать его при создании атомных реакторов. Как добавка к сплавам ванадий резко повышает вязкость, прочность, износоустойчивость сталей. В связи с этим большая часть ванадия  используется  в металлургии для изготовления инструментальной и конструкционной стали.

Соединения ванадия используются в химической промышленности в качестве катализаторов (производство серной кислоты), а также применяются в стекольной и других отраслях промышленности.

Основные характеристики и некоторые физико-химические свойства тяжёлых  конструкционных металлов приведены в табл. 2.

Таблица 2

Атомные характеристики и некоторые физико-химические свойства

Fe, Co, Ni, Sn, Pb

Свойство	Fe	Co	Ni	Sn	Pb
Строение внешнего и предвнешнего электронного слоя	3d64s2	3d74s2	3d84s2	5s25p2	6s26p2
Радиус атома, нм	0, 126	0, 125	0, 124	0, 162	0, 175
Первый потенциал ионизации, кДж/моль	7, 893	7, 866	7, 635	7, 343	7, 416
Относительная электроотрицательность (по Полингу)	1, 64	1, 70	1, 75	1, 72	1, 55
Стандартный электродный потенциал, В, для процесса: Э+ + = Э0 Э2+ + 2 = Э0 Э3+ + 3  = Э0   Э4+ + 4  = Э0	- - 0, 44 - 0, 03 -	- - 0, 27 + 0, 4 -	- - 0, 25 - -	- - 0, 13 - 0, 009	- - 0, 12 - 0, 80
Степени окисления в соединениях	+2, +3, +6	+2, +3	+2, +3, +4	+2, +4	+2, +4
Плотность, г/см3	7, 87	8, 84	8, 90	5, 846 (α-Sn) 7, 295 (β-Sn)	11, 33
Температура плавления, 0С	1539	1494	1455	231, 9	327, 4
Содержание в земной коре, масс. %	4,65	4⋅10-3	8⋅10-3	4⋅10-3	16⋅10-4
Цвет в компактном состоянии	сереб-ристо-серый	сереб-ристо-серый	сереб-ристо-серый	сереб-ристо-белый	сине-вато- серый
Удельная теплоемкость, Дж/(кг⋅ К)	456	421	450	222 (α-Sn) 217 (β-Sn)	127, 6

Железо - основной металл для изготовления различных металлоконструкций и металлоизделий. Применяется в виде железоуглеродистых сплавов, например чугуны (2-4 % углерода)  и стали (до 2 % углерода). Чугуны широко применяются в машиностроении для изготовления станин, коленчатых валов, зубчатых колёс, цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей, работающих при температуре до 1200 °С в окислительных средах, и др. Развитие авиационной техники потребовало создания новых жаропрочных сплавов на никелевой и кобальтовой основах; сталей; титановых, алюминиевых, магниевых сплавов, пригодных для длительной работы при высоких температурах. Совершенствование техники на каждом этапе развития предъявляет новые, непрерывно усложнявшиеся требования к конструкционным материалам (температурная стойкость, износостойкость, электрическая проводимость и др.).

Физико-химические свойства сплавов железа изменяются  как в результате термической обработки, так и при добавлении легирующих компонентов (Cr, Mn, Ni, Co, Ti, W, Mo, Cu, Si, B, V, Zr и др.). Железо и его соединения используются как катализаторы, например при производстве аммиака.

Железоуглеродистые сплавы на основе железа относят к черным металлам. В зависимости от содержания углерода эти сплавы делят на стали – до 2,14% углерода и чугуны – свыше 2,14% углерода.

Чугуны - это сплавы железа с углеродом, содержащие постоянные

примеси марганца, кремния, фосфора и серы, а также при необходимости легирующие элементы.

В зависимости от структуры и состояния, в котором находится углерод (свободный или химически связанный), различают серые, белые и ковкие чугуны. Чугуны также классифицируют в зависимости от назначения – на конструкционные и со специальными свойствами; и от химического состава – на легированные и нелегированные.

Как конструкционный материал наиболее широко применяются серые чугуны, в которых весь углерод находится в свободном состоянии в виде включений графита пластинчатой формы. Они обладают средней прочностью, хорошими литейными и другими технологическими свойствами (жидкотекучестью, малой линейной усадкой, обрабатываемостью резанием), малочувствительны к концентрации переменных напряжений, антифрикционны.

В белых чугунах избыточный углерод, не растворившийся в твердом растворе железа, присутствует в виде карбидов железа. Вследствие низких механических свойств – высокой хрупкости и твердости, плохой обрабатываемости резанием – белые чугуны не применяются в качестве конструкционных материалов.

Ковкий чугун получают из белого путем последующего отжига до распада графита в виде хлопьев. Детали из него могут подвергаться незначительным деформациям. Они обладают меньшей по сравнению с деталями из серого чугуна хрупкостью, но стоят на 30 … 100% дороже.

Высокопрочный чугун характеризуется шаровидной или близкой к ней формой включений графита, которую получают модифицированием жидкого чугуна присадками магния. Шаровидный графит в наименьшей мере ослабляет металлическую основу, что приводит к высоким механическим свойствам. Высокопрочный чугун обладает хорошими литейными и эксплуатационными свойствами.

Для улучшения прочностных характеристик и получения особых эксплуатационных свойств: износостойкости, немагнитности, коррозионной стойкости и т. д., в состав чугунов вводят легирующие элементы (никель, хром, медь, алюминий, титан и др.). Легирующими элементами могут служить также марганец (при содержании более 2%) и кремний (более 4%).

Стали  – это деформируемые сплавы железа с углеродом и другими

элементами.

По химическому составу стали делят на углеродистые и легированные. Углеродистые стали содержат кроме железа и углерода также марганец (до 1%) и кремний до (0,8%), а также примеси, от которых трудно избавиться в процессе выплавки – серу и фосфор. Сера и фосфор снижают механические свойства сталей: сера увеличивает хрупкость в горячем состоянии (красноломкость), а фосфор – при пониженных температурах (хладноломкость). В зависимости от содержания углерода различают низко - (С ≤ 0,25%), средне - (0,25 < С ≤ 0,6%) и высокоуглеродистые (C > 0,6%) стали.

В состав легированных сталей помимо указанных компонентов для улучшения технологических и эксплуатационных характеристик и придания особых свойств вводят легирующие элементы (хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан, ниобий и др.). Легирующими элементами могут быть также марганец при содержании более 1% и кремний – более 0,8%.

По назначению стали делят на конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами. Наиболее широко применяют конструкционные стали. Они бывают как углеродистыми (С ≤ 0,7%), так и легированными. Инструментальные стали служат для изготовления режущего, ударно-штампового и мерительного инструментов. Они бывают углеродистыми (С ≥ 0,8 … 1,3%) и легированными хромом, марганцем, кремнием и другими элементами. К сталям с особыми свойствами относят нержавеющие, немагнитные, электротехнические стали, стали постоянных магнитов и др.

По качеству стали делят на обыкновенные, качественные, высококачественные. Различие между ними заключается в количестве вредных (сера и фосфор) примесей. Так, в сталях обыкновенного качества допускается содержание серы до 0,06% и фосфора до 0,07%; в качественных – каждого элемента не более 0,035%; а в высококачественных – не более 0,025%.