Сплавы, легкие и черные. Определения

Хотя сплавы были частью промышленной практики с древности (бронза, сплав меди и олова, использовалась в течение тысяч лет), систематическая разработка сплавов относится к середине XIX века. Благодаря совершенствованию методов химического анализа и систематическому тестированию свойств материалов, основные теоретические принципы сплавов были разработаны в конце 1800-х годов.

В целом разработка и использование сплавов в двадцатом веке стали продолжением открытий, сделанных в девятнадцатом веке. Уточнение чистоты исходных материалов, систематическое тестирование различных комбинаций сплавов и методов термообработки, а также совершенствование технологий производства привели к значительному улучшению свойств материалов. Однако никаких новых фундаментальных принципов, которые привели бы к радикальному прорыву, в двадцатом веке открыто не было.

В двадцатом веке сталь была доминирующим инженерным материалом в промышленно развитом мире благодаря своей низкой стоимости и универсальности. В значительной степени эта универсальность обусловлена классом сталей, известных как легированные стали. Благодаря добавлению других металлов к основной смеси железа и углерода, содержащейся в стали, свойства легированных сталей можно изменять в широких пределах.

Легированные стали обладают повышенной прочностью, твердостью и коррозионной стойкостью по сравнению с обычной углеродистой сталью. Основным ограничением для использования легированных сталей было то, что они обычно стоили дороже обычной углеродистой стали, хотя в течение двадцатого века эта разница в цене сократилась.

Хотя сталь была доминирующим инженерным материалом в двадцатом веке, ряд других сплавов, разработанных в двадцатом веке, нашли широкое применение в определенных областях. Более высокая стоимость ограничивала использование специальных сплавов конкретными областями применения, где их свойства материала были важны по инженерным причинам. В этой статье рассматривается использование сплавов в механической промышленности. Сплавы, используемые в электротехнике, рассматриваются в разделе Сплавы, магнитные сплавы.

Определения. Сплав - это смесь двух или более металлических элементов или металлических и неметаллических элементов, сплавленных вместе или растворяющихся друг в друге в расплавленном состоянии. Смесь является физической и не предполагает образования молекулярных связей. Строго говоря, сталь - это сплав, поскольку она представляет собой смесь железа и углерода, но обычно ее так не называют. Скорее, когда говорят о легированной стали, имеют в виду сталь (железо плюс углерод) с добавлением других элементов.

Официальное определение легированной стали - это сталь, в которой максимальное содержание легирующих элементов превышает один или несколько из следующих пределов: 1,6 % марганца, 0,6 % кремния или 0,6 % меди. Кроме того, легированные стали признаются как содержащие определенные (минимальные или иные) количества алюминия, бора, хрома (до 3,99 процента), кобальта, никеля, титана, вольфрама, ванадия, циркония или любого другого легирующего элемента, который добавляется для получения желаемого эффекта легирования.

Как ни странно, некоторые сплавы, которые принято называть легированными сталями, на самом деле не содержат углерода. Например, мартенситно-стареющая сталь - это безуглеродистый сплав железа и никеля, дополнительно легированный кобальтом, молибденом, титаном и некоторыми другими элементами.

Другой часто используемый промышленный термин - «специальная» (или в США «специализированная») сталь. Большинство, хотя и не все, специальные стали являются легированными сталями, и эти два термина часто используются как взаимозаменяемые. Другие промышленные термины относятся к свойствам стали, а не к конкретному составу материала. Например, «высокопрочная» сталь - это любая сталь, способная выдерживать нагрузки свыше 1241 МПа, а «инструментальная и штамповая» - любая сталь, достаточно твердая для использования в режущих инструментах, штампах для штамповки и других подобных областях.

Названия нестальных сплавов обычно определяются названиями металлов, входящих в их состав. Например, никель-хромовый сплав состоит из смеси примерно 80 процентов никеля и 20 процентов хрома. Титановые сплавы - это в основном титан, смешанный с алюминием, ванадием, молибденом, марганцем, железом или хромом. Однако некоторые сплавы обозначаются торговыми названиями, которые вошли в стандартный инженерный словарь. Хорошим примером является сплав Invar, состоящий на 64 процента из железа и на 36 процентов из никеля. Название является сокращением слова «неизменный», что отражает очень низкую скорость теплового расширения инвара.

Сплавы полезны для промышленных целей, поскольку они часто обладают свойствами, которых нет у чистых металлов. Например, титановые сплавы имеют предел текучести в пять раз выше, чем чистый титан, но при этом имеют очень низкую плотность. Даже если сплавы обладают теми же свойствами, что и чистые материалы, сплавы, в частности легированные стали, часто дешевле чистых материалов для тех или иных целей.

Различия в свойствах чистого материала и его сплавов обусловлены изменениями в атомной микроструктуре, вызванными смешением двух или более типов атомов. Добавление даже небольшого количества легирующего элемента может существенно повлиять на расположение атомов в материале и степень их упорядоченности. В частности, легирующие элементы влияют на способ формирования дислокаций в микроструктурах. Эти изменения в микроструктуре приводят к масштабным изменениям свойств материала и часто меняют его реакцию на термообработку.

Важно отметить, что добавление легирующих элементов может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на свойства материала с инженерной точки зрения. При производстве сплавов зачастую так же важно исключить или удалить определенные химические элементы, как и добавить их. Тщательный контроль химического состава сырья и различные технологии обработки используются для минимизации присутствия нежелательных элементов.