Бронзами называют сплавы со всеми элементами, кроме цинка, хотя в легированных бронзах цинк может использоваться в качестве легирующего элемента. Называются бронзы по основному легирующему элементу (алюминиевые, кремнистые, оловянистые, фосфористые и др.). Бронзы, как и латуни, делятся на деформируемые и литейные.

Для каждой из этих групп существует своя система маркировки. В деформируемых бронзах после букв Бр (бронза) следуют все буквы, обозначающие название легирующих элементов, а затем через черточки цифры, указывающие концентрации этих элементов. Напр., БрОФ-4-0,25 означает, что это – деформируемая бронза, с содержанием 4 %Sn и 0,25 %P. При маркировке литейных бронз, содержание каждого легирующего элемента ставится непосредственно после буквы, указывающей его название. Например, БрА10Ж4Н4 означает, что это литейная бронза, содержащая 10 % Al, 4 % Fe, 4 % Ni.

Наиболее широко в промышленности используются оловянистые и алюминиевые бронзы. Содержание легирующих элементов в них не превышает 10 – 12 %, так как при более высоких концентрациях бронзы становятся хрупкими. Прочность деформируемых бронз (sв) в зависимости от их состава может меняться от 340 до 400 МПа, при d = 40 – 65 %. Для литейных бронз sв меняется от 150 до 250 МПа, а d от 10 до 3 %.

Латунями называют сплавы меди, главным легирующим элементом в которых является цинк. В бинарных латунях содержание цинка меняется от 4-х до 45 %. При содержаниях ≤ 39 % латуни – однофазны, при больших – двухфазны (соответственно менее пластичны). При увеличении содержания Zn в однофазных латунях прочность растет (sв от 200 до 400 Мпа). При этом, с увеличением концентрации Zn до 30 %, пластичность d не только не попадает, а наоборот, - растёт (d увеличивается от 30 до 60 %). При ещё больших концентрациях цинка, d начинает снижается.

Тепло- и электропроводность латуней снижается с ростом концентрации в них цинка (при 39 % Zn эти характеристики составляют только 20 % от их значений в чистой меди).

Помимо бинарных латуней, выпускаются промышленностью и легированные латуни. Легирующими элементами являются Al, Si, Sn, Ni и др. Все эти элементы повышают стойкость латуней. Легированные алюминием, кроме того, повышает прочность латуней (sв до 700 МПа). Легирование латуней никелем улучшает их штампуемость, легирование кремнием повышает пластичность не только при комнатной температуре, но и при низких (до –183C). Все латуни делятся на деформируемые и литейные.

Высокая удельная прочность и удельная жесткость в сплавах алюминия сочетается с высокой пластичностью (легко прокатываются на лист, ленту, фольгу, протягиваются в трубы и проволоку). Сплавы обладают хорошей коррозионной стойкостью во многих кислых средах (но в щелочных средах коррозионная стойкость низкая). Высокая устойчивость против коррозии в кислых средах связана с тем, что на поверхности этих сплавов легко образуется защитная плёнка окисла алюминия – Al2O3. В этих сплавах очень высокая тепло- и электропроводность.

Чистый алюминий отличается высокой отражательной способностью в вакууме, поэтому его широко используют при изготовлении прожекторов, рефлекторов, отражателей, экранов телевизионных трубок.

В зависимости от степени чистоты алюминий делят на несколько групп: 1) особой чистоты – А999 (99,999 %), 2) А955 (99,995 %) и А99 (99,99 %) – это марки алюминия высокой чистоты, 3) технически чистый алюминий (А8, А7…А0 – примесей в этих марках содержится до 1 %). Примесями в техническом алюминии является Cu, Mg, Mn, Si.

Широкое применение получил алюминий для изготовления различных профилированных изделий, проводов, кабелей.

В пищевой промышленности его используют для изготовления различных ёмкостей, крышек, пробок, а также фольги для упаковки продуктов. В тех отраслях пищевой промышленности, где предъявляются повышенные санитарно-гигиенические требования (при изготовлении детского и лечебного питания) используется особо чистый, либо высокочистый алюминий.

Как уже было отмечено, сплавы эти обладают сочетанием высокой удельной прочности с исключительно высокой удельной жесткостью. Помимо высоких механических свойств эти сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошей теплопроводностью, низким коэффициентом линейного расширения.

Недостатком этих сплавов является высокая хрупкость. Механические свойства бериллия и его сплавов повышают за счет повышения чистоты и измельчения зерна.

Легирующими элементами в бериллиевых сплавах являются Mg (до 5 %), Ni (до 0,5 %), но особенно Al (до 20-40 %).

Прочность бериллиевых сплавов меняется в широких пределах (sв от 280 до 700Мпа, пластичность d = 2-3 %), но при повышении чистоты и особенно измельчении зерна она может составлять 20-25 %.

Бериллиевые сплавы очень дорогие, потому что содержание бериллия в земной коре составляет всего 0,0005 % (содержание Al 8 %). Очень большим недостатком бериллия является его высокая токсичность. При изготовлении и обработке бериллиевых сплавов требуется строжайшее соблюдение правил техники безопасности.

Используются эти сплавы в космонавтике (для облицовки кабин), в сверхзвуковой авиации, в ядерной и рентгеновской технике, т.к. они хорошо поглощают тепловые нейтроны и рентгеновские лучи, в высокоточном приборостроении.

В пищевой промышленности использование бериллиевых сплавов запрещено документами Минздрава России из-за высокой токсичности. Попадание Ве в лёгкие человека вызывают тяжёлое заболевание – бериллиоз, а также канцерогенные заболевания и поражение костных тканей.

Магниевые сплавы являются самыми лёгкими из металлических конструкционных материалов.

Легирующими элементами в этих сплавах являются Al, Zn, Mn, Zr.

Сплавы делятся на две группы: деформируемые и литейные. В деформируемых сплавах количество алюминия и цинка не превышает 5-6 %, в литейных – Al до 10 %, Zn до 9 %. Выпускаются также тройные деформируемые сплавы Mg – 5 % Al – 5 % Zn и литейные Mg – 9 % Al – 1.5 % Zn.

Средние значения прочности для магниевых сплавов колеблются в пределах 250 – 300 МПа, максимальные значения достигают 450 – 500 МПа.

Недостатком магниевых сплавов является низкая коррозионная стойкость. Их отличительной особенностью является эффективное гашение вибрационных колебаний.

Широко применяются эти сплавы в авиационной промышленности, где лёгкость конструкции играет очень важную роль.

В пищевой промышленности они применяются в качестве шумопоглощающих экранов, а также для корпусов приборов контрольно- измерительной аппаратуры, демпферов.

Для изготовления упругочувствительных элементов в различной измерительной аппаратуре используют сплавы с высокими упругими свойствами. К числу таких сплавов относятся элинвар (36НХ – 36 % Ni, 12 % Cr, ост. железо). Особенностью этого сплава является то, что при повышении температуры, упругие модули в нём практически не меняются, а не снижаются, как у других материалов.

В точном приборостроении и измерительной технике требуются также сплавы с низкими (порядка 10-6 1/C) температурными коэффициентами линейного расширения - a, пригодные для спайки со стеклом и керамикой. Для этих целей широко используются инвары – сплавы железа с никелем, напр., 36Н – (Fe – 36 % Ni). У этого сплава a примерно на порядок ниже, чем у компонентов его образующих (чистого железа и никеля). К сплавам с низкими температурными коэффициентами a относятся также суперинвар (32НКД – 32 % Ni, 3-4 % Co, 0.7 % Cu, ост. Fe), ковар (29НК – 29 % Ni, 17 – 18 % Co, ост. Fe).

Сплавы с эффектом памяти формы

Сплавами с эффектом «памяти формы» называют сплавы, обладающие способностью восстанавливать форму в результате протекания в них фазового превращения, а именно – мартенситного превращения.

В зависимости от величины удельного электросопротивления r, (измеряемого в Омометрах) все материалы делят на группы: 1) сверхпроводники (r ≤ 10-20Ом×м), 2) криопроводники (r от 10-10 до 10-8 Ом×м), 3) металлы и сплавы (r от 10-8 до 10-5 Ом×м), 4) полупроводники (r от 10-5 до 10+8 Ом×м), 5) диэлектрики (или изоляторы) от 108 до 1022 Ом×м.

Сверхпроводящие свойства металлических материалов проявляются в интервале температур от 5 до 20 К. Такими свойствами обладает чистый ниобий и его сплавы (напр., 65БТ – 65 % Nb–24 % Ti–11 % Zr). Используются эти сплавы для изготовления магнитов большой мощности, а тонкие ленты и проволоки – в некоторых приборах автоматического управления.

Криопроводники работают в интервале т-р 77-120 К. К их числу относятся медь, бронза. Используются в электронных приборах.

Проводниковые материалы из металлов и сплавов делят на три группы:

1)металлы и сплавы высокой проводимости, 2)контактные материалы, 3) стали и сплавы высокого сопротивления.

К числу материалов высокой проводимости относятся Ag, Cu, Al, Fe и многие сплавы на их основе. Используются эти материалы в каче6стве токонесущих проводов, электрических шин, различных кабелей. Алюминий используется также в качестве конденсаторной фольги. Железо и низкоуглеродистые стали используются для изготовления рельсов трамваев, метро, электропоездов.

В материаловедении по магнитным свойствам материалы делят на магнито-мягкие, магнито-твёрдые и немагнитные в зависимости от характера взаимодействия материалов с приложенным магнитным полем.

Намагниченность ферромагнетика связана с напряжённостью приложенного магнитного поля – Н (измеряемой в А/м – Ампер/метр) нелинейной зависимостью. Она сначала растёт с увеличением напряжённости, а затем достигает насыщения, когда суммарные магнитные моменты всех областей в кристалле (называемых доменами) будут ориентированы в направлении приложенного поля. Достигаемая при этом магнитная индукция В (суммарная плотность магнитного потока от внешнего поля и собственного магнитного потока) называется индукцией насыщения и обозначается – Внасыщ.. измеряется она в единицах «Тесла» (пропорциональных А/м). При снятии внешнего поля магнитная индукция в материале не исчезает полностью, а лишь снижается до некоторой величины, называемой остаточной индукцией – Вост. (см. рисунок – петля гистерезиса). При наложении внешнего магнитного поля в противоположном направлении индукция В снижается до нуля. Напряжённость внешнего магнитного поля, при котором это происходит, называется коэрцитивной силой – НС, измеряемой в А/м. При неоднократном изменении знака прилагаемого внешнего магнитного поля формируется замкнутая петля, называемая петлёй гистерезиса. Произведение (В×НС) – называется магнитной энергией. Эта характеристика пропорциональна площади петли гистерезиса, т.е. затратам энергии на перемагничивание материала.

Важной характеристикой магнитных свойств ферромагнетиков является магнитная проницаемость – m, то есть скорость роста магнитной индукции В при увеличении напряжённости магнитного поля – Н. Эта характеристика является неким безразмерным коэффициентом пропорциональности между В и Н, и определяется тангенсом угла наклона начальной кривой намагничивания.

Коррозией металлов называют разрушение, вызванное химическим и электрохимическим воздействием внешней среды.

Химическая коррозия не связана с переносом электрических зарядов. К ней относится окисление металлов при нагреве в парах и газах сгорающего топлива, в жидкостях, не проводящих электрического тока (спиртах, органических жидкостях).

Электрохимическая коррозия осуществляется в присутствии электролитов (влажном воздухе, морской воде, растворах щелочей и кислот).

По характеру разрушения коррозия может быть общей (равномерной по всей поверхности материала), местной в отдельных участках (точечной или питтинговой) и межкристаллической (по границам зёрен).

Скорость общей коррозии оценивается либо потерей массы единицей площади за единицу времени (кг/м2 × с), либо глубиной разрушения изделия в мм/год. Оценивают её также и по десятибалльной шкале:

К высокопрочным относятся стали, предел прочности которых достигает 1800-2000 и более МПа, но обязательно в сочетании с определённым запасом вязкости (аК не должна быть менее 0,2 МДж/м2).

Указанным сочетанием свойств обладают: 1)среднеуглеродистые стали после их термомеханической обработки, либо комплексно-легированные стали после низкого отпуска, 2) мартенситно-стареющие стали, 3) метастабильные аустенитные стали, получившие название ПНП и ПНД сталей.

Из числа среднеуглеродистых комплексно-легированных сталей, свойства которых повышаются только термообработкой (закалка с 900C + отп. 250C) можно отметить стали марок 30ХГСНА, 40ХГСН3ВА. Их свойства характеризуются для первой (sв=1850 МПа, KCU=0,55 МДж/м2, для второй (sв=2000 МПа, KCU=0,45 МДж/м2.

При упрочнении термомеханической обработкой (сочетанием термообработки с деформацией) достигаются еще более высокие показатели

свойств. Так, в стали 40ХНПА можно достичь величин sв= 2200-2400 МПа. Высокие механические свойства достигаются за счёт измельчения кристаллов мартенсита и высокой плотности дислокаций.

Легирующие элементы вводят в стали для повышения конструкционной прочности. Наиболее дешёвыми легирующими элементами являются кремний и марганец, относительно дорогими – хром, никель, титан, ещё более дорогими – молибден и вольфрам. Поэтому последние из указанных легирующих элементов добавляются в небольших количествах к конструкционным сталям, содержащим другие легирующие элементы.

По легированности стали делятся на группы: 1) низколегированные (менее 5 % легирующих элементов в сумме), 2) среднелегированные (от 5 до 10 %) и 3) высоколегированные (более 10 % легирующих элементов).

Легирующие элементы, снижая скорость диффузии всех компонентов, снижают критическую скорость охлаждения при закалке, повышают устойчивость аустенита, улучшают прокаливаемость сталей. Возможность использования масла в качестве закаливающей среды, снижает коробление деталей, поэтому масло целесообразно использовать при закалке изделий малых размеров.

Присутствие легирующих элементов в сталях отмечается в маркировке буквами русского алфавита: А – азот (но буква обязательно ставится в середине марки, потому что буква А в конце означает, что сталь высокого качества), Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, М – молибден, Н – никель, П – фосфор, Р – бор (ставится обязательно в конце марки), С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ч – редкоземельные элементы, Ю – алюминий. Содержание компонентов в процентах записывается цифрами, стоящими в маркировке после обозначения элемента. Если содержание элемента менее 1,5, то за буквенным обозначением цифра не ставится. Содержание углерода в легированных сталях обозначается двузначным числом, соответствующим сотым долям процента. напр., сталь 40ХН означает, что в ней содержится 0,4 % углерода и примерно по 1-1,5 % хрома и никеля. Сталь 18Х2Н4МА – содержит 0,18 % углерода, 2 % хрома, 4 % никеля, менее 1 % молибдена и относится к высококачественным сталям (буква А в конце маркировки).

Конструкционными называют материалы, применяемые для изготовления деталей, конструкций и сооружений.

Углеродистые стали являются одной из групп конструкционных сталей, широко используемых в различных отраслях промышленности.

Они делятся на низкоуглеродистые (до 0,3 % углерода), среднеуглеродистые (от 0,3 до 0,6 %) и высокоуглеродистые (>0,6 %)

Многие эксплуатационные и технологические характеристики таких сталей зависят от способа раскисления и содержания примесей.

Помимо химического состава, конструкционные стали классифицируют по их качеству, способам раскисления и назначению.

По способам раскисления, стали делятся на кипящие (кп), раскисляемые только марганцем (в них много кислорода), полуспокойные (пс), раскисляемые марганцем и кремнием, спокойные (сп), раскисляемые Mn, Si и Al. В спокойных сталях мало кислорода и они затвердевают без газовыделения, в отличие от кипящих, когда выделяются пузыри CO, создающие впечатление кипения. Присутствие кремния в сталях при раскислении сильно упрочняет феррит и снижает допустимую степень деформации сталей.

По качеству, стали делят на стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные. Группа качества определяется суммарным присутствием примесей, в первую очередь серы и фосфора.