Файл: лекции СОВ МАТ И ТЕХ.docx

Глава 2.Легкие сплавы

2.1 Краткие сведения о производстве металлов и сплавов

Исходным материалом для получения металлов их сплавов является руда. В самородном виде в природе встречаются только химически стойкие металлы (золото, платина, серебро, медь). Остальные металлы в результат высокой химической активности встречаются в виде соединений (оксидов, сульфидов, карбидов и др.) которые входят в состав сложных минералов. Эти минералы образуют горные породы. Горные породы, из которых получают тот или иной металл, называют рудами. Название руды соответствует названию основного металла в ней (алюминиевая, железная, никелевая и т.д.).

Руды в зависимости от содержания основного металла бывают богатые и бедные. Богатые руды передают на переработку, а бедные подвергают обогащению, т. е. разделению рудных минералов и пустой породы путем флотации, магнитным, гравитационным, электрическим и иными способами. Обогащенная часть - концентрат идет в производство, а отходы не используются.

Производство черных и цветных металлов из руд состоит двух этапов: 1) отделение минерала, содержащего металл, от породы; 2) извлечение металла из рудных минералов.

Процессы извлечения металлов из рудных минералов раздeляютcя на термометаллургические, гидрометаллургические, электрометаллургические, химико-металлургические.

Термометаллургический процесс основан на использовании тепловой энергии, получаемой при сжигании топлива и необходимой для протекания химической реакции в жидком расплаве. Используются восстановительная (доменный процесс) и окислительная (производство стали) плавки. Дистилляция (перегонка) используется при производстве цветных металлов: цинка, магния, ртути и др.

Гидрометаллургический процесс базируется на выделении шов из водных растворов. Он состоит из осаждения и выщелачивания. Осаждение - это процесс перевода металла из растворов в водорастворимые соединения. Широко используется в производстве алюминия, вольфрама и других металлов. Выщелачивание - это процесс избирательного растворения металлосодержащего компонента обрабатываемого материала. Используется при производстве цинка и меди.

Химико-металлургический процесс основан на использовании химических и металлургических процессов. Этот процесс используют для производства титана и никеля.

Металлургические процессы классифицируют на первичные и вторичные. К первичным процессам относят выплавку металлов из руд, а ко вторичным - процесс позволяющие получать чистый металл путем окисления примесей, которые находятся в передельных первичных плавках металла и удаления этих примесей в виде отходов (шлаков).

2.2 Строение металлических кристаллов

Металлы в твердом состоянии являются кристаллами. Кристаллом называется твердое тело, имеющее особое внутреннее строение, характеризующееся правильным (упорядоченным и симметричным) расположением материальных частиц (атомов, ионов) в пространстве. В природе и технике существуют отдельные целостные кристаллы (монокристаллы), а также поликристаллы, представляют собой агрегаты хаотично ориентированных, но прочно соединенных между собой кристалликов (зерен) разного размера и неправильной формы.

Каждый металл имеет свою кристаллическую структуру. Под структурой понимают конкретное расположение материальных частиц в пространстве. Такие структуры изучают специальными методами, в частности, рентгеновским анализом. Структуру кристаллов можно представить графически как бесконечную пространственную решетку из периодически повторяющихся частиц или построенную из элементарных параллелепипедов, которые называются элементарные ячейками. Кристаллическая решетка является математической абстракцией в виде геометрических построений, помогающей изучить строение вещества, а кристаллическая структура вещества - это физическая реальность. Элементарные ячейки касаются друг друга целыми гранями и заполняют пространства без промежутков.

Элементарная ячейка сохраняет в себе все свойства кристаллической решетки в целом. Большинство металлов кристаллизуется (затвердевает), образуя объёмоцентрированную кубическую решетку (ОЦК), гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК) и гексагональную плотноупакованную решетку (ГП), элементарные ячейки которых приведены на рис. 2.1

Рис. 2.1 Элементарные ячейки кристаллических решеток: а, г -ГП; б, д - ГЦК; в, е - ОЦК

Кристаллы характеризуются тремя критериальными свойствами: однородностью, анизотропностью и способностью самоограняться.

Однородность - свойство физического тела быть одинаковым во всем объеме.

Анизотропность (неравносвойственность) – особенность однородного тела, заключающаяся том, что свойства тела одинаковы в по параллельным направлениям и неодинаковы по непараллельным направлениям.

Способность самоограняться – свойство кристалла принимать правильную многогранную форму при определённых условиях роста.

2.3 Дефекты строения реальных кристаллов

Строение реальных кристаллов отличается от идеальных наличием дефектов в правильном расположении атомов, что играет важное, а иногда и решающее влияние на поведение и свойства металлов. Классификация дефектов по размерному признаку состоит из четырех позиций: нульмерные, одномерные, двумерные и объемные.

Нульмерные (точечные) дефекты представляют собой вакансии, межузельные атомы, примесные атомы и др. Размеры точечных дефектов соответствуют приблизительно межатомному расстоянию.

Вакансией называется пустой узел кристаллической решётки; межузельным атомом называется атом, перемещенный из узла в позицию между узлами. Примесные атомы располагаются либо в узлах решетки, либо между узлами, образуя там так называемые твердые растворы замещения или внедрения.

2.4 Алюминий и его сплавы

Алюминий—металл серебристого цвета с плотностью 2,7 г/см³ и температурой плавления 660° С; имеет куби­ческую гранецентрированную кристаллическую решетку, не имеет аллотропических превращений. Алюминий характеризуется высокими тепло- и элек­тропроводностью, хорошей коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах. Последнее объясняется спо­собностью алюминия на воздухе покрываться прочной оксидной пленкой А1₂Оз, защищающей металл от даль­нейшего окисления. Алюминий характеризуется высокой пластичностью, хорошо обрабатывается давлением. Ме­ханические свойства прокатанного и отожженного алю­миния высокой чистоты: _в = 58 МПа; _0,2 = 20 МПа;  = =40%;  = 85 %; твердость НВ 25.

Благодаря удачному сочетанию физических, химиче­ских, механических и технологических свойств алюминий и его сплавы широко применяют в различных областях народного хозяйства: авиа- и ракетостроении, судостроении, электротехнике, в строительстве, транспортном машиностроении, пищевой промышленности, в металлургии и т.д.

По способу производства изделий алюминиевые спла­вы можно разделить на две группы: деформируе­мые (в том числе спеченные), идущие на изготовление полуфабрикатов — листов, прутков, профилей, поковок путем прокатки, прессования, ковки и т. д., и литейные, предназначенные для фасонного литья.

Деформируемые алюминиевые сплавы по объему про­изводства составляют около 80 %. Деформируемые спла­вы делятся на упрочняемые и неупрочняемые термиче­ской обработкой.

К термически неупрочняемым сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем (АМц) и с магнием — магналии (АМг2, АМгЗ, ЛМгб и др.). Сплавы эти обла­дают средней прочностью, хорошей пластичностью и сва­риваемостью, а также высокой коррозионной стойкостью. Они применяются в судо- и авиастроении, в производст­ве сварных емкостей, холодильников и т. д. Механические свойства сплавов АМц следующие: _в = 130 МПа (в отожженном состоянии) и 220 МПа (в нагартованном);  = 23 и 5% соответственно. Сплав Амг6 в отожженном состоянии имеет _в = 340 МПа,  = 18%, а в нагартованном — _в = 400 МПа,  = 10%.

К термически упрочняемым относят следующие алю­миниевые сплавы: на основе системы Al—Cu—Mg (дуралюмины Д1, Д16 и др.; _в = 410...540 МПа,  = 11...15%); на основе А1—Cu—Mg—Si (авиали типа АВ; _в = 220МПа,  = 22 %); на основе А1— Cu— Mg—Zn (высокопрочные сплавы В95, В96;  = 550...700 МПа;  = 7....8%); на основе А1—Mg—Ni—Si (жаропрочные сплавы АК4-1, Д20;  = 430 МПа,  = 12 %) н на основе Al—Cu—Mg—Мn (ковочные сплавы AК-6, АК-8;  = 480 МПа,  = 10%) и др.

Наибольшую известность получили дуралюмины. Термическая обработка дуралюминов заключается в за­калке при температуре 500°С с охлаждением в воде и последующим естественным или искусственным старением.

Различают старение искусственное (выдержка при определенной температуре и течение нескольких часов) и естественное (выдержка в течение нескольких суток при комнатной температуре).

Силумины — это литейные сплавы на основе алю­миния, содержащие

кремний и некоторые другие элемен­ты (АЛ2, АЛ4, АЛ9; _в = 180...260 МПа,  = 14%).