3.1. Общая характеристика и классификация металлов и сплавов

Основу современных машиностроительных материалов составляют различные сплавы. Среди компонентов сплава выделяется основа сплава – базовый компонент, определяющий основной комплекс всех свойств сплава и дающий название группе сплавов. Наиболее распространенными в машиностроении являются сплавы на основе Fe, Al, Mg, Ti, Ni, Cu, Zn; в значительно меньшей степени распространены сплавы на основе Pb, Sn, Sb, а также Co, Cr, Mo, Nb, W, Zr. Для получения необходимого комплекса свойств в основу сплава вводят легирующие элементы в строго определенных количествах. К ним относятся все перечисленные выше элементы, а также другие металлы и неметаллы (C, Si, N и др.). Содержание легирующих элементов колеблется в широких пределах: от 0,5 % до 35 % (каждого). Элементы, вводимые в небольших количествах, менее 0,1 %, называют микродобавками (B, Ce, La, Y и др.). В современных сплавах общее число контролируемых легирующих элементов достигает 10–15. Комплекс элементов из основы сплава и одного–двух главных легирующих элементов часто также называют основой сплава: Al-Cu-Mg, Ni-Cr-Co, Ti-Al, и т. д.

Во всех сплавах всегда содержится небольшое количество примесей 0,01–0,20 %, попадающих в сплав из руды или переплавляемых отходов, а также в результате взаимодействия с материалом тиглей или атмосферой. Примеси делятся на вредные, снижающие уровень механических и технологических свойств, чаще всего это S, P, O, H, и остаточные – нейтральные. Содержание примесей строго ограничивается требованиями технических условий и стандартов.

С начала XX века и до 70-х годов происходил постоянный рост числа разрабатываемых и применяемых сплавов. В результате их количество достигло, примерно, 10 тысяч. Затем начался период унификации сплавов, что связано с исчерпанием запаса новых сочетаний элементов, и возросшими требованиями к взаимозаменяемости материалов и кооперации на производстве. В 90-х годах количество реально применяемых сплавов снизилось почти вдвое – до 5–6 тысяч.

Для описания существующих сплавов или разработки новых, созданы различные системы классификации. Наиболее удобной основой для классификации элементов является Периодическая система элементов. К легким металлам относят элементы с плотностью менее 5 г/см³, к тяжелым – более 10 г/см³, к легкоплавким – с температурой плавления до 600C, а к тугоплавким – выше 1700C.

Рассмотрим основные группы промышленно применяемых элементов:

– легкие легкоплавкие металлы Na, K, Rb, Cs, Li используются в сплавах главным образом в качестве микродобавок, улучшающих структуру и свойства;

– тяжелые легкоплавкие металлы Sn, Pb, Bi, Sb и Zn являются основой промышленных сплавов, но используются ограниченно (кроме Zn);

– тугоплавкие металлы Cr, V, Zr, Nb, Mo, Ti, Ta, W, Hf, Re играют важную роль в промышленности, являясь либо основой сплавов (Ti, Nb, Cr, Mo), либо важнейшими легирующими элементами в сплавах с Fe, Ni, Cu ;

– металлы группы железа Fe, Mn, Co, Ni широко применяются в промышленности в качестве основы сплавов и легирующих элементов.

Дополнительно к этой классификации обычно выделяют черные и цветные металлы и сплавы на их основе:

– черные – это сплавы на основе железа: стали и чугуны;

– цветные легкие – на основе Al, Mg, Ti;

– цветные тяжелые – на основе Cu, Ni, Zn, Co;

– благородные металлы – Au, Ag, Pt.

Основными механическими свойствами являются прочность _В, _0,2 и пластичность , , при этом следует иметь в виду, что твердость и прочность сплавов значительно выше, чем у чистых базовых элементов. По прочности металлы и сплавы условно делят на группы:

– малопрочные, с _В до 60 МПа – это Na, K, Sn, Pb и сплавы на их основе;

– средней прочности, с _В в пределах от 60 до 600 МПа – это сплавы на основе Al, Mg, Fe, Ni, Ti, Cu;

– высокопрочные, с _В в пределах от 600 до 2000 МПа – это сплавы на основе Fe, Ti и тугоплавких металлов.

По пластичности металлы и сплавы условно делят на три группы: хрупкие – с  меньше 3 %, пластичные с  от 3 до 30 % и высокопластичные с  больше 30–40 %.

Машиностроительные сплавы принято делить на две большие группы по технологическому признаку – методу получения заготовок. Это деформируемые сплавы, имеющие достаточную пластичность для различных способов обработки давлением и литейные сплавы для фасонных отливок. В пределах каждой из групп выделяют сплавы с хорошей свариваемостью, с хорошей или плохой обрабатываемостью резанием и сплавы, способные к упрочняющей термической обработке.

На объем применения сплавов в промышленности кроме комплекса свойств значительное влияние оказывает стоимость, которая складывается из стоимости базового и основных легирующих элементов сплава. Наиболее

дешевыми являются сплавы на основе Fe, Al, Mg, Zn; более высокую стоимость имеют сплавы на основе Cu, Ni, Co, Ti; наиболее дорогими из промышленных металлов являются Sn, Bi, Mo, W, Nb. При выборе легирующих добавок следует учитывать не только действующие цены, но и возможные изменения их в будущем. В отношении динамики цен элементы разделяются на три группы: стабильные, дорожающие, дешевеющие.

1) Стабильные, цены которых за последние 20 лет существенно не изменялись. Большинство таких элементов имеют большие и устойчивые запасы в земной коре, производятся в больших масштабах и являются «старыми», освоенными до начала ХХ века. Это железо, алюминий, магний.

2) Дорожающие, к ним относятся менее распространенные «старые» элементы с большим масштабом производства по отношению к имеющимся запасам. Их удорожание определяется истощением богатых руд. Типичны для этой группы медь, олово.

3) Дешевеющие, к ним относятся «молодые» элементы, производство которых освоено в ХХ веке. Их удешевление обеспечивается быстрым увеличением масштабов производства и техническим прогрессом. Типичные элементы группы – титан, ниобий, рений.

Таким образом, по соотношению «комплекс свойств–цена» первое место занимают сплавы железа – углеродистые и малолегированные стали и чугуны, а так же алюминиевые сплавы. Для авиационной и космической техники наряду с легированными сталями и высокопрочными алюминиевыми сплавами важное значение имеют титановые и жаропрочные никелевые сплавы. Медь и медные сплавы почти целиком расходуются на нужды электротехнической промышленности.