Общие сведения о металлах

Общие сведения о металлах. Вопросы: 1. Основные понятия. 2. Виды металлов и сплавов. 3. Свойства металлов. 4. Заготовки. 5. Металлообрабатывающая промышленность. 6. Сталь. 1. Основные понятия. Металлы играют   огромную   роль   в   жизни   человека.   Из   них   изготавливают   различные   машины, строительные конструкции, предметы быта.  Металлы извлекаются из земли в процессе добычи полезных ископаемых. После извлечения руд они, как правило, подвергаются обогащению (разделение металлов и минералов).   Из добытой и обогащённой руды   металлы   извлекаются,   как   правило,   с   помощью   химического   или   электролитического восстановления.   В   пирометаллургии   для   преобразования   руды   в   металлическое   сырьё   используются высокие температуры, в гидрометаллургии применяют для тех же целей водную химию. Используемые методы   зависят   от   вида   металла   и   типа   загрязнения.   Когда   металлическая   руда   является   ионным соединением металла и неметалла, для извлечения чистого металла она обычно подвергается выплавке — нагреву с восстановителем. Многие распространённые металлы, такие как железо, медь, олово, плавят с использованием углерода в качестве восстановителя. 1. Виды металлов и сплавов. Приступая к изготовлению какого­либо изделия, нужно правильно выбрать наиболее подходящий для него материал.  Металлы в технике применяются не в чистом виде, а в виде сплавов.  Сплав ­   смесь двух или нескольких металлов в точно определенном соотношении.   Все   металлы   и   сплавы   подразделяют   на   черные   и   цветные.  Часто   сплавы   обладают   лучшими свойствами, чем их составные части. Например, чистое железо имеет очень низкую прочность, а сплавы железа с углеродом — гораздо более высокую.  Самые распространенные металлы и сплавы (в технике):  ­ Железо – черный металл, серебристо­белый цвет, плотность 7874 кг/м³, температура плавления 1539 °C, низкая твердость, высокая прочность, низкая упругость, высокая пластичность, высокая ковкость, высокая обрабатываемость резанием, низкая коррозийная стойкость.   ­  Чугун  ­ сплав железа с углеродом, черный металл, цвет серый, плотность 7200 кг/м3, температура плавления ­ 1150 ­ 1200 °C, низкая твердость, низкая прочность, низкая упругость, низкая пластичность, ковкость   возможна   только   при   отжиге   белого   чугуна,   высокая   обрабатываемость   резанием,   низкая коррозийная стойкость. Виды чугуна: белый чугун, серый чугун, ковкий чугун, высокопрочный чугун, передельный чугун. ­ Латунь ­ сплав меди с цинком, цвет желтый, плотность — 8500—8700 кг/м³, температура плавления 880—950 °C, высокая твердость, высокая прочность, высокая упругость, высокая пластичность, высокая ковкость, хорошая обрабатываемость резанием, низкая свариваемость, высокая коррозийная стойкость. ­ Бронза ­ сплав меди с оловом (реже со свинцом, алюминием), желто­красный цвет, плотность ­ 7800­ 8700   кг/м³,   температура   плавления   930—1140   °C,   высокая   твердость,   высокая   прочность,   высокая упругость, низкая пластичность, низкая ковкость, хорошая обрабатываемость резанием, свариваемость зависит от состава, высокая коррозийная стойкость. ­   Медь  –   золотисто­розовый   цвет,   плотность   8900   кг/м³,   температура   плавления   1084   °C,   низкая твердость, высокая прочность, высокая упругость, высокая пластичность, хорошая ковкость, хорошая обрабатываемость резанием, низкая свариваемость, высокая коррозийная стойкость. ­ Алюминий –  серый цвет, плотность 2699 кг/м3, температура плавления 660 °C, низкая твердость, высокая   прочность,   высокая   упругость,   высокая   пластичность,   высокая   ковкость,   хорошая обрабатываемость резанием, низкая свариваемость, высокая коррозийная стойкость. ­ Дюралюминий ­ сплав алюминия с медью, магнием или марганцем, цвет серебристый, плотность 2500­ 2800   кг/м³,   температура   плавления   650   °C,   высокая   прочность,   высокая   упругость,   высокая пластичность, высокая ковкость, низкая свариваемость, высокая коррозийная стойкость. ­ Силумин  ­ сплав алюминия с кремнием, цвет серебристый, плотность 2500­2940 кг/м³, температура плавления 580 °C, высокая прочность, низкая упругость, низкая пластичность, низкая ковкость, низкая свариваемость, высокая коррозийная стойкость. 3. Свойства металлов. Металлы   обладают   различными   свойствами,   которые   делятся   на   физические   (плотность, электропроводность, намагничиваемость, теплопроводность, цвет, температура плавления и др.), механические   (твердость,   прочность,   упругость,   пластичность,   ударная   вязкость   и   др.), технологические (ковкость, жидкотекучесть, обрабатываемость резанием, свариваемость и др.) и химические (окисляемость, коррозийная стойкость и др.).  Физические свойства: ­ Плотность ­ это отношение массы к объёму, то есть плотность определяется массой вещества в единице своего объёма. В зависимости от плотности, металлы делят на лёгкие (плотность 530 ­ 5000 кг/м3) и тяжёлые (5000 ÷ 22500 кг/м3).  ­   Электропроводность   –   способность   проводить   электрический   ток.   Все   металлы   хорошо   проводят электрический ток; это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся   под   действием   электрического   поля.   Все   металлы   обладают   высокой электропрододностью. ­ Намагничиваемость ­ способность намагничиваться под действием магнитного поля. Намагничиваться способны   все   металлы,   но   в   разной   степени.   Очень   сильно   намагничиваются   только   четыре   чистых металла   —   железо,   кобальт,   никель   и   гадолиний.   Хорошо   намагничиваются   также   сталь,   чугун   и некоторые сплавы, не содержащие в своём составе железа, например, сплав никеля и кобальта. Все эти металлы и сплавы называют ферромагнитными. ­ Теплопроводность – способность передавать теплоту от более нагретых частей к менее нагретым. Высокая теплопроводность металлов также зависит от подвижности свободных электронов. Поэтому ряд   теплопроводностей   похож   на   ряд   электропроводностей,   и   лучшим   проводником   тепла,   как   и электричества, является серебро. Все металлы обладают высокой теплопроводностью. ­ Температура плавления ­ тепловое состояние, при котором металлы из твердых становятся жидкими. Температура плавления металлов находится в диапазоне от ­39 градусов Цельсия до +3410 градусов. Металлы разделяются на: легкоплавкие (температура плавления до 600 °C), среднеплавкие (температура плавления от 600 до 1600 °C), тугоплавкие (температура плавления от 1600 °C). Механические свойства: ­   Твердость   ­   свойство   сопротивляться   внедрению   в   металл   другого,   более   твердого   материала. Существует несколько способов определения твердости. Чаще всего используется метод Бринелля (НВ): в небольшой фрагмент исследуемого материала с силой 100 кг вдавливается небольшой стальной шарик диаметром  10  мм. Лунку,  которая после  этого остается,  измеряют.  Чем  меньше лунка,  тем  тверже древесина и выше показатель. При переводе из других единиц: 1 HB = 10 МПа = 10 Н/мм². Все металлы при   нормальных   условиях  находятся   в   твёрдом   состоянии,   однако   обладают  различной   твёрдостью. Условно, твердость можно определить температурой плавления. ­   Прочность   ­  способность   сопротивляться   разрушению   под   действием   внешних   сил.   Различают прочность   на   растяжение,   сжатие   и   изгиб.   Действующие   нагрузки   и   допустимую   прочность   на растяжение, сжатие и изгиб определяют в H/S , где H — сила в ньютонах (1 ньютон   0,1 кг), S (мм2) — площадь поперечного сечения детали. По прочности металлы можно разделить на следующие группы: непрочные   (временное   сопротивление   не   превышает   50   МПа);   прочные   (от   50   до   500   МПа); высокопрочные (более 500 Мпа). ­   Упругость   ­   свойство   восстанавливать   первоначальную   форму   после   прекращения   действия непродолжительной нагрузки. См. прочность. ­ Пластичность — способность изменять форму под действием внешних сил не разрушаясь. Это свойство используется   при   правке,   гибке,   прокатке,   штамповке   заготовок.   По   степени   пластичности   металлы принято подразделять следующим образом: высокопластичные ­ (относительное удлинение превосходит 40   %);   пластичные   (относительное   удлинение   лежит   в   диапазоне   между   3%   и   40%);   хрупкие   ­ (относительное удлинение меньше 3%).  ­ Ударная вязкость ­  свойство поглощать энергию при ударе. Обычно оценивается работа до разрушения или разрыва испытываемого образца при ударной нагрузке, отнесённой к площади его сечения в месте приложения нагрузки. Технологические свойства: ­ Ковкость — способность изменять форму в нагретом или холодном состоянии под действием внешних сил. Это свойство основано на использовании механического свойства — пластичности.  ­   Жидкотекучесть   —   способность   расплавленного   металла   легко   растекаться   и   хорошо   заполнять форму.  ­   Обрабатываемость   резанием   —   способность   подвергаться   механической   обработке   режущим инструментом. Виды обработки резанием: точение, сверление, фрезерование, притягивание, шлифование. Обработке   резанием  хорошо  подвергают  следующие   металлы:  чугуны,  стали,  цветные  металлы   и  их сплавы. ­ Свариваемость — способность двух частей металла при нагревании прочно соединяться друг с другом. Свариваемость металлов зависит от их химических и физических свойств, наличия примесей и др. От свариваемости   металла   зависит   выбор   технологии   его   сварки.   Металлы   делятся   на   хорошо, удовлетворительно, плохо и ограниченно свариваемые. Химические свойства: ­ Окисляемость ­ способность металла вступать в реакцию с кислородом под воздействием окислителей. В ряде случаев образование  прочной оксидной пленки  на поверхности изделия  желательно, так как пленка   предохраняет   металл   от   дальнейшего   окисления.   При   пайке   и   сварке   алюминиевых   сплавов пленка   препятствует   соприкосновению   припоя   с   чистой   поверхностью   металла.   В   природе   металлы находятся   почти   исключительно   в   окисленном   состоянии   (в   виде   руд),   поэтому   их   производство основано   на   процессах   восстановления   различных   соединений.   Металлы   и   сплавы,   используемые   на практике,   вследствие   воздействия   окружающей   среды   подвергаются   постепенному   окислению   — коррозии.  ­   Коррозионная   стойкость   ­   способность   сопротивляться   разрушению,   которое   вызвано   химическим воздействием   окружающее   среды.   Чисто   химическая   коррозия   определяется   главным   образом окислением.  4. Металлические заготовки. Заготовки из металлов и сплавов производятся на предприятиях в виде листов, проволоки, проката и др. Это значительно облегчает изготовление из них различных изделий. ­    Листовой   металл.  Листовой   металл   различается   по   толщине   (тонколистовой   (0,2   –   2   мм)   и толстолистовой   металл);  материал   толщиной   менее   0,2   мм   называется   фольгой  (медная   фольга широко применяется в радиотехнике, а алюминиевая фольга — для упаковки шоколада, конфет, чая и др.),   по   способу   прокатки   (горячекатаные   и   холоднокатаные   (холодную   прокатку   используют   для тонколистовых   металлов,   горячую   —   для   тонко­   и   толстолистовых)),   по   материалу   (алюминиевый, медный, латунный, и др.). Тонколистовая сталь бывает нескольких видов: кровельная сталь (толщиной от 0,5 до 0,8 мм), жесть (толщиной   от   0,2   до   0,5   мм).   Кровельная   сталь,   не   имеющая   покрытия,   называется черной.   Чтобы поверхность листов не ржавела, ее покрывают тонким слоем цинка (оцинкованная сталь). Жесть бывает черная и белая. Белая жесть — это листовая сталь, покрытая с двух сторон тонким слоем олова. Такая жесть имеет гладкую, блестящую, нержавеющую поверхность. За стандарт размера принято среднее значение листа шириной 1,25 м и длиной 2,5 м.  Стандартный распространенный размер холодного листа 1,0 х 2,0 метра, при этом размер полос бывает 1,2 х 2,5 м, оцинковка имеет несколько отличные размеры, несмотря на стандартизацию всех материалов по ГОСТ 19904–1974. Оцинкованные стандартные полосы идут толщиной 0,55 мм, выпускаются изделия толщиной 1,4 мм, 1,2 мм, 1,0 мм, 0,7 мм, 0,5 мм, 0,45 мм, и 0,4 мм. Ширина оцинковки чаше всего составляет 1,25 м при длине 2,5 м. Стальные горячекатаные пластины выпускают размером 1,25 х 2,5 м, при этом толщина колеблется в пределах 0,5−3 мм, прибавление толщины листа происходит с интервалом в 0,5 мм. ­ Проволока.  Проволока представляет собой  металлическую нить, шнур. Проволока обычно круглая, редко — шестиугольного, квадратного, трапециевидного или овального сечения, производится из меди, алюминия, стали, никеля, титана, цинка, их сплавов и других металлов. Алюминиевая проволока: от 0,08 до 10 мм. Медная проволока: от 0,03 до 10 мм. Медная проволока классифицируется на 3 основных вида: ММ (мягкая), МТ (твёрдая), МС (для прокладки линий связи по воздуху. Проволока «из нержавейки»: от 0.2, до 7.5 мм. Проволока из углеродистой стали: 1, 2, 3, 4, 5, 6 мм. ­ Прокат  (он же сортовой прокат).   Прокат   производится   из   различных   металлов   –   сталь,   железо, алюминий и др. Часто форму будущей детали приближают к форме сортового проката, что позволяет уменьшить отходы металла и время изготовления детали. Различают следующие виды проката: ­ Простой прокат – квадрат, полоса, шестигранник, круг, треугольник, прутки.  ­ Фасонный прокат – уголок, швеллер, рельс, профили различной формы и др. 5. Металлообрабатывающая промышленность. Листовой металл получается прокаткой нагретых слитков на прокатных станах, где заготовка, попадая между   роликами,   сжимается   и   приобретает   форму   листа.   Регулируя   зазор   между   валками,   можно получить лист нужной толщины.    Проволоку толщиной более 5 мм получают прокаткой нагретых заготовок между валками, имеющими канавки.   Такую   проволоку   называют катанкой.   Более   тонкую   проволоку   получают   точением   — протягиванием   катанки   через   фильеры   —   детали   с   отверстием,   выполненные   из   очень   твердых материалов и даже из алмазов. Сортовой   прокат   получается   прокаткой   (обжатием)   нагретых   слитков   металла   между   валками прокатного стана. Профиль проката (форма его поперечного сечения) зависит от формы валков. Если они гладкие — получается лист или полоса, если имеют полукруглые канавки — получается прокат круглого сечения и т. д. Профессии, связанные с металлообработкой: слесарь  (специалист по обработке металлов),  токарь (специалист   по   обработке   металла   на   токарном   станке),  фрезеровщик  (специалист   по   обработке металла на фрезерном станке),  сварщик  (специалист по сварке (соединению) металлов),  вальцовщик (специалист по обслуживанию прокатных станов), жестянщик (специалист по изготовлению изделий из тонколистового   металла),  резчик  (специалист   по   резке   металлов),  штамповщик  (специалист   по изготовлению   изделий   методом   штамповки),  кузнец  (специалист   по   ковке   металла),  литейщик (специалист по литейному делу), сталевар (специалист по выплавке стали), металлург (специалист по переработке металлов) и др. 6. Сталь. Сталь   —   сплав железа с   углеродом   и   другими   химическими   элементами.  Сталь   подлежит обязательной маркировке. Для уточнения сведений по конкретной марке стали могут использоваться так называемые «марочники». Виды стали:  ­   Углеродистые.   Подразделяются   на   мало­   (углерода   до   0,25   %),   средне­   (0,25­0,6   %)   и высокоуглеродистые (более 0,6 % углерода). Углерод повышает твердость стали, но увеличивает  ее хрупкость   и   снижает   пластичность.   В   свою   очередь,   углеродистая   сталь   подразделяется   на конструкционную   и  инструментальную.   Конструкционная   углеродистая  сталь  бывает  обыкновенного качества и качественная. Сталь   обыкновенного   качества   обозначается   буквами   Ст   и   цифрой   от   0   до   7.   Цифры   показывают порядковый номер марки стали. Чем больше цифра, тем выше содержание углерода и прочность стали. Из стали обыкновенного качества изготавливают строительные конструкции, гайки, болты, заклепки, трубы, листовой прокат и др. Углеродистая качественная сталь обладает повышенной прочностью. Она обозначается двумя цифрами: 05, 08, 10, 20, 30 и т.д. Цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. Из этой стали изготавливают зубчатые колеса, валы, оси, шкивы и др. Инструментальная   углеродистая   сталь   обладает   большей   прочностью   и   твердостью,   чем конструкционная, и применяется для изготовления молотков, зубил, ножниц по металлу, ножовочных полотен, напильников и др. Обозначается она: У10, У11, У12 и т.д. Цифры показывают содержание углерода в десятых долях процента. При добавлении в сталь во время плавки других элементов (хрома, никеля, вольфрама и др.) изменяются ее свойства. Одни элементы повышают прочность и твердость, другие — упругость, третьи делают сталь антикоррозионной и т.д. Стали, в которых есть эти элементы, называются легированными. Легирующие добавки в сталях обозначают буквами: X — хром, В — вольфрам, Н — никель, Г — марганец, Ф — ванадий, М — молибден и т.д.  ­ Легированные. Легированные стали, в отличие от нелегированных, имеют несколько иное обозначение, поскольку в них присутствуют элементы, специально вводимые в определённых количествах для обеспечения требуемых физических или механических свойств.  К примеру: хром (Cr) повышает твёрдость и прочность; никель (Ni) обеспечивает коррозионную стойкость и увеличивает прокаливаемость; кобальт (Co) повышает жаропрочность и увеличивает сопротивление  удару;  ниобий  (Nb) помогает   улучшить  кислостойкость  и уменьшает  коррозию  в сварных конструкциях. Классификация сталей с легирующими элементами включает несколько категорий. В начальной части названий таких марок находятся цифры (две или одна), показывающие содержание углерода. Две цифры указывают на его среднее содержание в сплаве в сотых долях процента, а одна – в десятых. Есть и стали, не имеющие в начале названия марки цифр. Это означает, что углерод в этих сплавах содержится в пределах 1%. Буквы, которые можно увидеть за первыми цифрами названия марки, указывают на то, из чего состоит данный сплав. За буквами, дающими информацию о том или ином элементе в его составе, могут стоять или не стоять цифры. Если цифра есть, то по ней определяется (в целых процентах) среднее содержание указанного буквой элемента в составе сплава, а если цифры нет, значит, данный элемент содержится в пределах от 1 до 1,5%. В конце маркировки отдельных видов сталей может стоять буква «А». Это говорит о том, что перед нами высококачественная сталь.  Легированные конструкционные стали применяются для изготовления рессор, пружин, шестерен и др., а легированные   инструментальные   для   изготовления   режущего   инструмента:   фрез,   зенкеров,   плашек, метчиков и др. Свойства:  черный металл, цвет серый, плотность 7860 кг/м³, температура плавления 1450—1520 °C, высокая твердость, высокая прочность, высокая упругость, высокая пластичность, высокая ковкость, высокая обрабатываемость резанием, высокая коррозийная стойкость у отдельных видов стали. Свойства сталей можно изменять с помощью теплового воздействия — термической обработки (термообработки). Она заключается в нагреве заготовки до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. Температура нагрева зависит от вида термообработки и содержания углерода в стали. Различают следующие виды термообработки: закалку, отпуск, отжиг. При закалке металл нагревают до определенной температуры (например, до 800°С), выдерживают при этой температуре, а затем быстро охлаждают в воде, масле, водных растворах солей. Закалка повышает твердость и прочность стали, но вместе с тем повышается и ее хрупкость. Хрупкость   стали   после   закалки   можно   уменьшить   с   помощью   отпуска.   Отпуск   представляет   собой нагрев   остывшей   закаленной   детали   до   определенной   температуры   (например,   до   400­500°С)   с последующим охлаждением в воде или на воздухе. Отпуск повышает пластичность стали, что улучшает ее обрабатываемость. При отжиге заготовку нагревают до определенной температуры, выдерживают при этой температуре и медленно, часто вместе с печью, охлаждают (в этом главное отличие от закалки). Отжиг резко снижает твердость стали, она становится мягче и лучше обрабатывается. Углеродистые   стали,   содержащие   менее   0,25­0,3 %   углерода,   не   закаливают   из­за   незначительного увеличения   твердости   и   прочности.   У   сталей,   содержащих   более   0,3 %   углерода,   после   закалки   в несколько раз повышается твердость и прочность. Для термообработки применяются муфельные печи.  Температуру закалки можно контролировать по цветам каления. При нагреве стальной заготовки она изменяет   определенным   образом   свой   цвет,   поэтому   по   ее   цвету   приближенно   устанавливают температуру, до которой она нагрета.  Температуру отпуска можно контролировать по цветам побежалости.