Сплав - Alloy

Для использования в других целях см. Сплав (значения).
Металл Вуда, а эвтектика, сплав с низкой температурой плавления висмут, вести, банка, и кадмий. Отдельные зерна выглядят как плоские поверхности кристаллов.

An сплав это комбинация металлы или металлы в сочетании с одним или несколькими другими элементы. Например, сочетание металлических элементов золото и медь производит красное золото, золото и серебро становится белое золото, а серебро в сочетании с медью дает серебро 925 пробы. Элементаль утюг, в сочетании с неметаллическими углерод или же кремний, производит сплавы под названием стали или же кремнистая сталь. Полученная смесь образует вещество, свойства которого часто отличаются от свойств чистых металлов, например повышенная прочность или твердость. В отличие от других веществ, которые могут содержать металлические основания, но не ведут себя как металлы, например оксид алюминия (сапфир), силикат бериллия алюминия (изумруд) или хлорид натрия (соль) сплав сохранит все свойства металла в полученном материале, например электрическая проводимость, пластичность, непрозрачность, и блеск. Сплавы используются в самых разных сферах применения: от стальных сплавов, используемых во всем, от зданий до автомобилей и хирургических инструментов, до экзотических титановых сплавов, используемых в аэрокосмической промышленности, до бериллиево-медных сплавов для искробезопасных инструментов. В некоторых случаях сочетание металлов может снизить общую стоимость материала при сохранении важных свойств. В других случаях комбинация металлов придает синергетические свойства составляющим металлическим элементам, такие как коррозионная стойкость или механическая прочность. Примеры сплавов: сталь, припаять, латунь, оловянный, дюралюминий, бронза и амальгамы.

Сплав может быть Твердый раствор металлических элементов (одна фаза, где все металлические зерна (кристаллы) одного состава) или смесь металлических фаз (два или более растворов, образующих микроструктура различных кристаллов в металле). Интерметаллический соединения - это сплавы с определенным стехиометрия и кристаллическая структура. Фазы Zintl также иногда считаются сплавами в зависимости от типа связки (см. Треугольник Ван Аркеля – Кетелаара информацию о классификации связи в бинарных соединениях).

Сплавы определяются металлическое соединение персонаж.[1] Составляющие сплава обычно измеряются в процентах по массе для практического применения, а в атомная доля для изучения фундаментальных наук. Сплавы обычно классифицируются как замещающие или межузельные сплавы, в зависимости от расположения атомов, образующих сплав. Они могут быть далее классифицированы как гомогенные (состоящие из одной фазы), гетерогенные (состоящие из двух или более фаз) или интерметаллид.

Вступление

Жидкость бронза, разливаемые в формы во время литья.
А латунь напольная лампа.

Сплав - это смесь химические элементы, которая образует нечистое вещество (примесь), сохраняющее характеристики металл. Сплав отличается от примесного металла тем, что в сплаве добавленные элементы хорошо контролируются для получения желаемых свойств, в то время как нечистые металлы, такие как кованое железо менее контролируемы, но часто считаются полезными. Сплавы получают путем смешивания двух или более элементов, по крайней мере, один из которых является металлом. Его обычно называют первичным металлом или основным металлом, и название этого металла также может быть названием сплава. Другие компоненты могут быть или не быть металлами, но при смешивании с расплавленной основой они будут растворимый и растворяться в смеси. Механические свойства сплавов часто будут сильно отличаться от свойств его отдельных компонентов. Металл, который обычно очень мягкий (податливый ), Такие как алюминий, может быть изменен путем легирования его другим мягким металлом, например медь. Хотя оба металла очень мягкие и пластичный, результирующий алюминиевый сплав будет намного больше сила. Добавление небольшого количества неметаллического углерод к утюг обменивает свою большую пластичность на большую прочность сплава, называемого стали. Из-за очень высокой прочности, но все же существенного стойкость, и его способность сильно изменяться термическая обработка, сталь - один из самых полезных и распространенных сплавов в современном мире. Добавляя хром к стали, его стойкость к коррозия можно улучшить, создавая нержавеющая сталь, при добавлении кремний изменит свои электрические характеристики, производя кремнистая сталь.

Как масло и вода, расплавленный металл не всегда может смешиваться с другим элементом. Например, чистое железо почти полностью нерастворимый с медью. Даже когда компоненты растворимы, каждый из них обычно имеет точка насыщения, сверх которого больше нельзя добавлять составляющие. Железо, например, может содержать максимум 6,67% углерода. Хотя элементы сплава обычно должны растворяться в жидкость состояние, они не всегда могут быть растворимы в твердый государственный. Если металлы остаются растворимыми в твердом состоянии, сплав образует Твердый раствор, превращаясь в однородную структуру, состоящую из одинаковых кристаллов, называемую фаза. Если по мере охлаждения смеси компоненты становятся нерастворимыми, они могут разделиться с образованием двух или более разных типов кристаллов, создавая гетерогенный микроструктура различных фаз, некоторые из которых содержат больше одного компонента, чем другого. Однако в других сплавах нерастворимые элементы могут не разделяться до тех пор, пока не произойдет кристаллизация. При очень быстром охлаждении они сначала кристаллизуются как гомогенная фаза, но они перенасыщенный с вторичными составляющими. Со временем атомы этих пересыщенных сплавов могут отделяться от кристаллической решетки, становясь более стабильными и образуя вторую фазу, которая служит для внутреннего упрочнения кристаллов.

Некоторые сплавы, такие как электрум - сплав серебро и золото - возникают естественно. Метеориты иногда состоят из природных сплавов железа и никель, но не родом с Земли. Одним из первых сплавов, сделанных людьми, был бронза, который представляет собой смесь металлов банка и медь. Бронза была чрезвычайно полезным сплавом для древних, потому что она намного прочнее и тверже любого из ее компонентов. Сталь была еще одним распространенным сплавом. Однако в древности он мог образоваться только как случайный побочный продукт при нагревании железной руды при пожарах (плавка ) при изготовлении железа. Другие древние сплавы включают оловянный, латунь и чугун. В современную эпоху сталь можно создавать во многих формах. Углеродистая сталь можно получить, варьируя только содержание углерода, получая мягкие сплавы, такие как мягкая сталь или твердые сплавы, такие как стальная пружина. Легированные стали можно сделать, добавив другие элементы, например хром, молибден, ванадий или же никель, в результате чего получаются такие сплавы, как быстрорежущей стали или же инструментальная сталь. Небольшие количества марганец обычно легированы большинством современных сталей из-за их способности удалять нежелательные примеси, такие как фосфор, сера и кислород, которые могут отрицательно повлиять на сплав. Однако большинство сплавов не было создано до 1900-х годов, например различные алюминиевые, титан, никель, и магниевые сплавы. Некоторые современные суперсплавы, Такие как инколой, инконель, и Hastelloy, может состоять из множества различных элементов.

Терминология

Задвижка, изготовленная из Инконель.

Как существительное, термин сплав используется для описания смеси атомов, основной составляющей которой является металл. При использовании в качестве глагола этот термин относится к смешиванию металла с другими элементами. Первичный металл называется основание, то матрица, или растворитель. Вторичные составляющие часто называют растворенные вещества. Если имеется смесь только двух типов атомов (не считая примесей), например, медно-никелевый сплава, то его называют бинарный сплав. Если смесь состоит из трех типов атомов, таких как железо, никель и хром, то это называется тройной сплав. Сплав с четырьмя составляющими является четвертичный сплав, в то время как пятикомпонентный сплав называется пятый сплав. Поскольку процентное содержание каждого компонента может варьироваться, для любой смеси весь диапазон возможных изменений называется система. В этом отношении все различные формы сплава, содержащего только два компонента, такие как железо и углерод, называются сплавом. бинарная система, в то время как все комбинации сплавов, возможные с тройным сплавом, такие как сплавы железа, углерода и хрома, называются троичная система.[2]

Технически сплав является нечистым металлом, но когда речь идет о сплавах, термин примеси обычно обозначает нежелательные элементы. Такие примеси вносятся из основных металлов и легирующих элементов, но удаляются в процессе обработки. Например, сера - обычная примесь в стали. Сера легко соединяется с железом с образованием сульфид железа, который очень хрупкий, что создает слабые места в стали.[3] Литий, натрий и кальций являются обычными примесями в алюминиевых сплавах, которые могут отрицательно влиять на целостность конструкции отливок. И наоборот, чистые металлы, которые просто содержат нежелательные примеси, часто называют «нечистыми металлами» и обычно не называют сплавами. Кислород, присутствующий в воздухе, легко соединяется с большинством металлов с образованием оксиды металлов; особенно при более высоких температурах, возникающих при легировании. Во время процесса легирования часто проявляют большую осторожность, чтобы удалить лишние примеси, используя потоки, химические добавки или другие методы добывающая металлургия.[4]

На практике некоторые сплавы используются настолько преимущественно по отношению к их основным металлам, что название основного компонента также используется в качестве названия сплава. Например, 14 карат золото представляет собой сплав золота с другими элементами. Точно так же серебро используется в ювелирные украшения и алюминий в качестве конструкционного строительного материала также используются сплавы.

Термин «сплав» иногда используется в повседневной речи как синоним определенного сплава. Например, автомобильные колеса из алюминиевый сплав обычно называют просто "литые диски ", хотя на самом деле стали и большинство других металлов, которые используются на практике, также являются сплавами. Сталь является настолько распространенным сплавом, что многие изделия из нее, например колеса, бочки, или же фермы, упоминаются просто по названию предмета, если он сделан из стали. Когда они изготовлены из других материалов, они обычно указываются как таковые (например: «бронзовое колесо», «пластиковая бочка» или «деревянная балка»).

Теория

Легирование металла осуществляется путем объединения его с одним или несколькими другими элементами. Самый распространенный и самый старый процесс легирования выполняется путем нагрева основного металла сверх его температура плавления и затем растворение растворенных веществ в расплавленной жидкости, что может быть возможным, даже если точка плавления растворенного вещества намного выше, чем у основания. Например, в жидком состоянии титан это очень сильный растворитель, способный растворять большинство металлов и элементов. Кроме того, он легко поглощает газы, например кислород, и горит в присутствии азота. Это увеличивает вероятность загрязнения с любой соприкасающейся поверхности, поэтому его необходимо расплавить в вакууме с индукционным нагревом и специальной медью с водяным охлаждением. тигли.[5] Однако некоторые металлы и растворенные вещества, такие как железо и углерод, имеют очень высокие температуры плавления, и древние люди не могли их расплавить. Таким образом, легирование (в частности, легирование внедрения) также может выполняться с одним или несколькими компонентами в газообразном состоянии, например, в доменная печь производить чугун (жидкость-газ), азотирование, нитроцементация или другие формы упрочнение (твердый газ), или процесс цементирования раньше делал блистерная сталь (твердый газ). Это также может быть сделано с одним, несколькими или всеми компонентами в твердом состоянии, например, с помощью древних методов узорная сварка (твердый-твердый), режущая сталь (твердый-твердый), или тигельная сталь производство (твердое-жидкое), смешивание элементов посредством твердотельного распространение.

При добавлении другого элемента к металлу различия в размерах атомов создают внутренние напряжения в решетке металлических кристаллов; стрессы, которые часто усиливают его свойства. Например, сочетание углерода с железом дает стали, что сильнее, чем утюг, его первичный элемент. В электрические и теплопроводность сплавов обычно ниже, чем у чистых металлов. Физические свойства, такие как плотность, реактивность, Модуль для младших сплава может не сильно отличаться от свойств его основного элемента, но технические свойства, такие как предел прочности,[6] пластичность и прочность на сдвиг могут существенно отличаться от составляющих материалов. Иногда это происходит из-за размеров атомы в сплаве, потому что более крупные атомы оказывают сжимающее усилие на соседние атомы, а более мелкие атомы оказывают растягивающее усилие на своих соседей, помогая сплаву сопротивляться деформации. Иногда сплавы могут проявлять заметные различия в поведении, даже когда присутствуют небольшие количества одного элемента. Например, примеси в полупроводниках ферромагнитный Сплавы приводят к различным свойствам, как впервые предсказали Уайт, Хоган, Зуль, Тиан Абри и Накамура.[7][8]Некоторые сплавы получают путем плавления и смешивания двух или более металлов. Бронза, сплав медь и банка, был первым сплавом, обнаруженным во время доисторический период, ныне известный как Бронзовый век. Он был тверже чистой меди и первоначально использовался для изготовления инструментов и оружия, но позже был заменен металлами и сплавами с лучшими свойствами. Позже бронзу использовали для украшения, колокола, статуи, и подшипники. Латунь это сплав, сделанный из медь и цинк.

В отличие от чистых металлов большинство сплавов не имеют единой температура плавления, но диапазон плавления, в течение которого материал представляет собой смесь твердый и жидкость фазы (слякоть). Температура, при которой начинается плавление, называется солидус, а температура, когда плавление только что закончилось, называется ликвидус. Для многих сплавов существует определенная пропорция сплава (в некоторых случаях более одного), называемая либо эвтектика смесью или перитектическим составом, что придает сплаву уникальную низкую температуру плавления и отсутствие перехода жидкость / твердое вещество.

Термообрабатываемые сплавы

Аллотропы железа, (альфа-железо и гамма-железо ) показывая различия в расположении атомов.
Микрофотографии стали. Верхнее фото: Отожженный (медленно охлаждаемая) сталь образует неоднородную пластинчатую микроструктуру, называемую перлит, состоящий из фаз цементит (свет) и феррит (тьма). Нижнее фото: Закаленный (быстроохлаждаемая) сталь образует одну фазу, называемую мартенсит, в котором углерод остается внутри кристаллов, создавая внутренние напряжения.

В основной металл добавляются легирующие элементы, чтобы твердость, стойкость, пластичность, или другие желаемые свойства. Большинство металлов и сплавов можно закаленный в работе создавая дефекты в их кристаллической структуре. Эти дефекты возникают во время Пластическая деформация молотком, сгибанием, выдавливанием и т. д. и являются прочными, если металл не перекристаллизованный. В противном случае некоторые сплавы могут также изменить свои свойства из-за термическая обработка. Почти все металлы можно смягчить отжиг, который рекристаллизует сплав и устраняет дефекты, но не так много может быть упрочнено контролируемым нагревом и охлаждением. Многие сплавы алюминий, медь, магний, титан, и никель можно до некоторой степени усилить каким-либо методом термической обработки, но немногие реагируют на это в той же степени, что и стали.[9]

Основное металлическое железо из сплава железа с углеродом, известного как сталь, претерпевает изменение в расположении (аллотропия ) атомов его кристаллической матрицы при определенной температуре (обычно от 1500 ° F (820 ° C) до 1600 ° F (870 ° C), в зависимости от содержания углерода). Это позволяет более мелким атомам углерода проникать в пустоты кристалла железа. Когда это распространение происходит, говорят, что атомы углерода находятся в решение в железе, образуя особую единую однородную кристаллическую фазу, называемую аустенит. Если сталь охлаждается медленно, углерод может диффундировать из железа, и он постепенно вернется к своему низкотемпературному аллотропу. Во время медленного охлаждения атомы углерода больше не будут такими растворимый с железом, и будет вынужден осадок вне решения, зарождение в более концентрированную форму карбида железа (Fe3В) в промежутках между кристаллами чистого железа. В этом случае сталь становится неоднородной, поскольку состоит из двух фаз: железоуглеродистой фазы, называемой цементит (или же карбид ) и чистое железо феррит. Такая термообработка дает довольно мягкую сталь. Однако, если сталь охлаждается быстро, атомы углерода не успевают диффундировать и выпадать в осадок в виде карбида, а будут захвачены кристаллами железа. При быстром охлаждении бездиффузионное (мартенситное) превращение происходит, когда атомы углерода оказываются захваченными в растворе. Это заставляет кристаллы железа деформироваться, поскольку кристаллическая структура пытается перейти в низкотемпературное состояние, в результате чего кристаллы становятся очень твердыми, но гораздо менее пластичными (более хрупкими).

В то время как высокая прочность стали достигается за счет предотвращения диффузии и осаждения (образование мартенсита), большинство термически обрабатываемых сплавов являются осадочное твердение сплавы, прочность которых зависит от диффузии легирующих элементов. При нагревании до образования раствора и последующем быстром охлаждении эти сплавы становятся намного мягче, чем обычно, во время бездиффузионного превращения, но затем затвердевают по мере старения. Растворенные вещества в этих сплавах со временем будут выпадать в осадок, образуя интерметаллид фазы, которые трудно отличить от основного металла. В отличие от стали, в которой твердый раствор разделяется на различные кристаллические фазы (карбид и феррит), дисперсионно-твердеющие сплавы образуют разные фазы в одном и том же кристалле. Эти интерметаллические сплавы кажутся однородными по кристаллической структуре, но имеют тенденцию вести себя неоднородно, становясь твердыми и в некоторой степени хрупкими.[9]

Замещающие и внедренные сплавы

Различные атомные механизмы образования сплава, включая чистый металл, замещение, внедрение и их комбинацию.

Когда расплавленный металл смешивается с другим веществом, есть два механизма, которые могут вызвать образование сплава, называемые обмен атомами и межстраничный механизм. Относительный размер каждого элемента в смеси играет первостепенную роль в определении того, какой механизм произойдет. Когда атомы относительно близки по размеру, обычно применяется метод обмена атомами, при котором некоторые из атомов, составляющих металлические кристаллы, замещаются атомами другого компонента. Это называется замещающий сплав. Примеры сплавов замещения включают бронзу и латунь, в котором некоторые из атомов меди замещены атомами олова или цинка соответственно.

В случае механизма внедрения один атом обычно намного меньше другого и не может успешно заменить атом другого типа в кристаллах основного металла. Вместо этого более мелкие атомы оказываются захваченными в промежутках между атомами кристаллической матрицы, которые называются пустоты. Это называется межузельный сплав. Сталь является примером сплава внедрения, потому что очень маленькие атомы углерода входят в пустоты в матрице железа.

Нержавеющая сталь представляет собой пример комбинации сплавов внедрения и замещения, поскольку атомы углерода входят в промежутки, но некоторые атомы железа замещены атомами никеля и хрома.[9]

История и примеры

Метеоритное железо

А метеорит и топор, выкованный из метеоритное железо.

Использование сплавов человеком началось с использования метеоритное железо, встречающийся в природе сплав никель и утюг. Это основная составляющая железные метеориты. Поскольку для отделения железа от никеля не применялись какие-либо металлургические процессы, сплав использовали как есть.[10] Метеоритное железо можно было выковать из красного тепла для изготовления таких предметов, как инструменты, оружие и гвозди. Во многих культурах его придавали холодной штамповкой ножей и наконечников стрел. Их часто использовали как наковальни. Метеоритное железо было очень редким и ценным, и древним людям было трудно его добыть. работай.[11]

Бронза и латунь

Бронза топор 1100 г. до н.э.
Бронза дверной молоток

Железо обычно встречается в виде железная руда на Земле, за исключением одного месторождения самородное железо в Гренландия, который использовался Инуиты люди.[12] Родные медь, однако, был найден по всему миру вместе с серебро, золото, и платина, которые также использовались для изготовления инструментов, украшений и других предметов со времен неолита. Медь была самым твердым из этих металлов и наиболее широко распространенным. Он стал одним из важнейших металлов в древности. Около 10000 лет назад в высокогорье Анатолия (Турция) люди научились нюхать металлы, такие как медь и банка из руда. Около 2500 г. до н.э. люди начали сплавлять два металла с образованием бронза, который был намного сложнее, чем его ингредиенты. Однако олово было редкостью, в основном в Великобритании. На Ближнем Востоке люди начали легировать медь цинк формировать латунь.[13] Древние цивилизации принимали во внимание смесь и различные свойства, которые она производила, такие как твердость, стойкость и температура плавления, при различных условиях температура и упрочнение, развивая большую часть информации, содержащейся в современных фазовые диаграммы сплавов.[14] Например, наконечники стрел из китайского Династия Цинь (около 200 г. до н.э.) часто изготавливались с твердой бронзовой головкой, но с более мягкой бронзовой головкой, сочетающей сплавы для предотвращения тусклости и поломки во время использования.[15]

Амальгамы

Меркурий был выплавлен из киноварь на тысячи лет. Ртуть растворяет многие металлы, такие как золото, серебро и олово, с образованием амальгамы (сплав в виде мягкой пасты или жидкости при температуре окружающей среды). Амальгамы использовались с 200 г. до н.э. в Китае для позолота такие объекты, как броня и зеркала с драгоценными металлами. Древние римляне часто использовали ртуть-оловянные амальгамы для позолоты своих доспехов. Амальгаму наносили в виде пасты, а затем нагревали до испарения ртути, оставляя после себя золото, серебро или олово.[16] Ртуть часто использовалась в горнодобывающей промышленности для извлечения драгоценных металлов, таких как золото и серебро, из их руд.[17]

Сплавы драгоценных металлов

Электрум Природный сплав серебра и золота часто использовался для изготовления монет.

Многие древние цивилизации сплавили металлы в чисто эстетических целях. В древности Египет и Микены золото часто сплавили с медью для получения красного золота или с железом для получения яркого бордового золота. Золото часто находили в сплаве с серебром или другими металлами для производства различных типов цветное золото. Эти металлы также использовались для усиления друг друга в более практических целях. Медь часто добавляли в серебро, чтобы серебро 925 пробы, увеличивая его прочность для использования в посуде, столовом серебро и других практических предметах. Довольно часто драгоценные металлы смешивались с менее ценными веществами, чтобы обмануть покупателей.[18] Около 250 г. до н.э., Архимед был заказан королем Сиракузы найти способ проверить чистоту золота в короне, что привело к знаменитому банному крику «Эврика!» после открытия Принцип архимеда.[19]

Оловянный

Период, термин оловянный охватывает различные сплавы, состоящие в основном из олова. Как чистый металл, олово слишком мягкое, чтобы его можно было использовать в большинстве практических целей. Однако во время Бронзовый век олово было редким металлом во многих частях Европы и Средиземноморья, поэтому часто ценилось выше золота. Чтобы сделать из олова украшения, столовые приборы или другие предметы, рабочие обычно легировали его другими металлами, чтобы увеличить прочность и твердость. Эти металлы обычно вести, сурьма, висмут или медь. Эти растворенные вещества иногда добавляли индивидуально в различных количествах или складывали вместе, создавая широкий спектр предметов, начиная от практических предметов, таких как посуда, хирургические инструменты, подсвечники или воронки, до декоративных предметов, таких как серьги и заколки для волос.

Самые ранние образцы олова происходят из Древнего Египта, около 1450 г. до н.э. Использование олова было широко распространено в Европе, от Франции до Норвегии и Великобритании (где добывалась большая часть древнего олова) до Ближнего Востока.[20] Сплав также использовался в Китае и на Дальнем Востоке, прибыв в Японию около 800 г. н.э., где он использовался для изготовления таких предметов, как церемониальные сосуды, чайные банки или чаши, используемые в синтоизм святыни.[21]

Сталь и чугун

Пудлинг в Китае, около 1637 года. В отличие от большинства процессов легирования жидкий чугун выливается из доменной печи в контейнер и перемешивается для удаления углерода, который диффундирует в воздух, образуя диоксид углерода, оставляя после себя мягкая сталь кованое железо.

Первая известная выплавка железа началась в Анатолия, около 1800 г. до н.э. Называется процесс цветения, получается очень мягкий, но пластичный кованое железо. К 800 г. до н.э. технология производства железа распространилась в Европу, прибыв в Японию около 700 г. н.э. Чугун, очень твердый, но хрупкий сплав железа и углерод, производился в Китай еще в 1200 году до нашей эры, но не прибыл в Европу до средневековья. Чугун имеет более низкую температуру плавления, чем железо, и его использовали для изготовления чугун. Однако эти металлы не нашли практического применения до появления тигельная сталь около 300 г. до н.э. Эти стали были низкого качества, и введение узорная сварка, примерно в 1 веке нашей эры, стремились сбалансировать экстремальные свойства сплавов, ламинировав их, чтобы создать более прочный металл. Приблизительно в 700 году нашей эры японцы начали складывать цветную сталь и чугун чередующимися слоями, чтобы увеличить прочность своих мечей, используя глиняные флюсы для удаления шлак и примеси. Этот метод Японское кузнечное дело произвел один из самых чистых стальных сплавов древнего мира.[14]

В то время как использование железа стало более распространенным около 1200 г. до н.э., в основном из-за перебоев на торговых путях для олова, металл был намного мягче бронзы. Однако очень небольшое количество стали (сплав железа и около 1% углерода) всегда был побочным продуктом процесса вспенивания. Возможность изменять твердость стали путем термическая обработка был известен с 1100 г. до н.э., и этот редкий материал ценился для изготовления инструментов и оружия. Поскольку древние не могли производить достаточно высоких температур, чтобы полностью расплавить железо, производство стали в приличных количествах не происходило до появления блистерная сталь в средние века. В этом методе углерод вводился путем нагревания кованого железа в древесном угле в течение длительных периодов времени, но поглощение углерода таким способом происходит очень медленно, поэтому проникновение было не очень глубоким, поэтому сплав не был однородным. В 1740 г. Бенджамин Хантсман начал плавить черновую сталь в тигле, чтобы выровнять содержание углерода, создав первый процесс массового производства инструментальная сталь. Процесс Хантсмана использовался для производства инструментальной стали до начала 1900-х годов.[22]

Введение доменной печи в Европу в средние века означало, что люди могли производить чугун в гораздо больших объемах, чем кованое железо. Поскольку чугун можно плавить, люди начали разрабатывать процессы для снижения содержания углерода в жидкость чугун для создания стали. Лужа использовался в Китае с первого века и был представлен в Европе в 1700-х годах, где расплавленный чугун перемешивали на воздухе, чтобы удалить углерод путем окисление. В 1858 г. Генри Бессемер разработал процесс выплавки стали путем продувки горячим воздухом жидкого чугуна для снижения содержания углерода. В Бессемеровский процесс привело к первому крупномасштабному производству стали.[22]

Легированные стали

Сталь - это сплав железа и углерода, но термин легированная сталь обычно относится только к сталям, которые содержат другие элементы, например ванадий, молибден, или же кобальт - в количествах, достаточных для изменения свойств основной стали. С древних времен, когда сталь использовалась в основном для изготовления инструментов и оружия, методы производства и обработки металла часто были тщательно охраняемыми секретами. Даже спустя долгое время после Возраст разума Сталелитейная промышленность была очень конкурентоспособной, и производители приложили немало усилий, чтобы сохранить конфиденциальность своих процессов, сопротивляясь любым попыткам научного анализа материала, опасаясь, что это раскроет их методы. Например, люди Шеффилд, центр производства стали в Англии, обычно запрещали посетителям и туристам въезд в город, чтобы отпугнуть промышленный шпионаж. Таким образом, до 1860 года почти не существовало металлургической информации о стали. Из-за этого отсутствия понимания сталь обычно не считалась сплавом до десятилетий между 1930 и 1970 годами (в первую очередь из-за работ таких ученых, как Уильям Чендлер Робертс-Остин, Адольф Мартенс, и Эдгар Бейн ), поэтому «легированная сталь» стала популярным термином для тройных и четвертичных сталей-сплавов.[23][24]

После того, как Бенджамин Хантсман разработал свой тигельная сталь в 1740 году он начал экспериментировать с добавлением таких элементов, как марганец (в виде высокомарганцевого чугуна, называемого Spiegeleisen ), который помог удалить такие примеси, как фосфор и кислород; процесс, принятый Бессемером и до сих пор использующийся в современных сталях (хотя и в достаточно низких концентрациях, чтобы по-прежнему считаться углеродистой сталью).[25] После этого многие люди без особого успеха начали экспериментировать с различными сплавами стали. Однако в 1882 г. Роберт Хэдфилд, будучи пионером в металлургии стали, заинтересовалась и произвела стальной сплав, содержащий около 12% марганца. Называется мангаллой, она продемонстрировала исключительную твердость и вязкость, став первой коммерчески жизнеспособной легированной сталью.[26] Впоследствии он создал кремнистая сталь, начав поиск других возможных сплавов стали.[27]

Роберт Форестер Мушет обнаружил, что добавив вольфрам по отношению к стали он может давать очень твердую кромку, которая не теряет своей твердости при высоких температурах. «Особая сталь Р. Мушета» (РМС) стала первой быстрорежущей стали.[28] Сталь Мушета была быстро заменена на карбид вольфрама Сталь, разработанная Тейлором и Уайтом в 1900 году, в которой они удвоили содержание вольфрама и добавили небольшое количество хрома и ванадия, что позволило получить сталь превосходного качества для использования в токарных станках и механических инструментах. В 1903 г. Братья Райт использовали хромоникелевую сталь для изготовления коленчатого вала двигателя своего самолета, а в 1908 г. Генри Форд начал использовать ванадиевую сталь для таких деталей, как коленчатые валы и клапаны в его Модель T Ford, из-за их более высокой прочности и устойчивости к высоким температурам.[29] В 1912 году на заводе Krupp Ironworks в Германии была разработана нержавеющая сталь с добавлением 21% хром и 7% никель, производя первые нержавеющая сталь.[30]

Алюминий и другие цветные сплавы

Цветные сплавы не содержат заметных количеств железа. Первые сплавы, бронза и латунь, использовались в течение тысяч лет, наряду со сплавами свинца, оловом и другими, но все они были сделаны из металлов, которые были довольно инертными и могли плавиться в открытом огне. В 18 веке Антуан Лавуазье помог установить кислородную теорию горение, вытесняя несуществующие теория флогистона который правил с позднего средневековья. Теория кислорода помогла правильно объяснить феномен таких вещей, как окисление металлов (например, ржавчины) и как каменистые руды превращаются в металлы при нагревании. Лавуазье предсказал, что многие земли, соли и щелочи, например, в квасцы соль, используемая с древних времен, содержала металлические основания, которые были слишком реактивны по отношению к кислороду, чтобы их можно было плавить обычными методами. Его работа в конечном итоге привела к периодическая таблица элементов, что помогло подтвердить существование этих «недостающих металлов».

Из-за их высокой реакционной способности большинство металлов не были обнаружены до 19 века. Способ извлечения алюминия из боксит был предложен Хэмфри Дэви в 1807 г., используя электрическая дуга. Хотя его попытки не увенчались успехом, к 1855 году на рынок поступили первые продажи чистого алюминия. Однако, как добывающая металлургия все еще находился в зачаточном состоянии, большинство процессов извлечения алюминия производили непредусмотренные сплавы, загрязненные другими элементами, обнаруженными в руде; Самым распространенным из них была медь. Эти алюминиево-медные сплавы (в то время называемые «алюминиевой бронзой») предшествовали чистому алюминию, предлагая большую прочность и твердость по сравнению с мягким чистым металлом, и было обнаружено, что в некоторой степени они поддаются термической обработке.[31] Однако из-за своей мягкости и ограниченной прокаливаемости эти сплавы не нашли практического применения и были скорее новинкой, пока Братья Райт использовал алюминиевый сплав для создания первого двигателя самолета в 1903 году.[32] В период между 1865 и 1910 годами были открыты способы извлечения многих других металлов, таких как хром, ванадий, вольфрам, иридий, кобальт, и молибден, были разработаны различные сплавы.[33]

До 1910 года исследования в основном проводились частными лицами, работающими в собственных лабораториях. Однако по мере роста авиационной и автомобильной промышленности исследования сплавов стали промышленными усилиями в годы после 1910 г. магниевые сплавы были разработаны для поршней и колеса в машинах и горшок из металла для рычагов и ручек, а также из алюминиевых сплавов, разработанных для планеры и скины самолетов были введены в эксплуатацию.[34]

Сплавы с дисперсионным твердением

В 1906 г. осадочное твердение сплавы были открыты Альфред Вильм. Сплавы с дисперсионным твердением, такие как некоторые сплавы алюминий, титан, и медь - это термически обрабатываемые сплавы, которые размягчаются при закаленный (быстро остывает), а затем со временем затвердевает. Вильм искал способ упрочнения алюминиевых сплавов для использования в гильзах для пулеметных патронов. Зная, что алюминиево-медные сплавы до некоторой степени поддаются термообработке, Вильм попытался закалить тройной сплав алюминия, меди и добавить магний, но поначалу был разочарован результатами. Однако, когда Вильм повторно протестировал его на следующий день, он обнаружил, что твердость сплава повышается, когда он выдерживается при комнатной температуре, и намного превзошел его ожидания. Хотя объяснение этому явлению не было предоставлено до 1919 года, дюралюминий был одним из первых сплавов, способствующих старению, и стал основным строительным материалом для первых Цеппелины, и вскоре последовали многие другие.[35] Поскольку они часто демонстрируют сочетание высокой прочности и небольшого веса, эти сплавы стали широко использоваться во многих отраслях промышленности, включая строительство современных самолет.[36]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Каллистер, W.D. «Материаловедение и инженерия: Введение» 2007, 7-е издание, John Wiley and Sons, Inc., Нью-Йорк, Раздел 4.3 и Глава 9.
  2. ^ Бауччо, Майкл (1003) Справочник по металлам ASM. ASM International. ISBN  0-87170-478-1.
  3. ^ Верховен, Джон Д. (2007). Металлургия стали для неметаллургов. ASM International. п. 56. ISBN  978-1-61503-056-9. В архиве из оригинала от 05.05.2016.
  4. ^ Дэвис, Джозеф Р. (1993) Справочник по специальности ASM: Алюминий и алюминиевые сплавы. ASM International. п. 211. ISBN  978-0-87170-496-2.
  5. ^ Справочник по металлам: свойства и выбор Автор: ASM International - ASM International 1978, стр. 407
  6. ^ Миллс, Адельберт Филло (1922) Материалы конструкции: их изготовление и свойства, John Wiley & sons, inc, первоначально опубликовано Висконсинским университетом в Мэдисоне.
  7. ^ Хоган, К. (1969). «Плотность состояний изолирующего ферромагнитного сплава». Физический обзор. 188 (2): 870–874. Bibcode:1969ПхРв..188..870Х. Дои:10.1103 / PhysRev.188.870.
  8. ^ Чжан, X .; Зуль, Х. (1985). «Спиново-волновые удвоения периода и хаос при поперечной накачке». Физический обзор A. 32 (4): 2530–2533. Bibcode:1985ПхРвА..32.2530З. Дои:10.1103 / PhysRevA.32.2530. PMID  9896377.
  9. ^ а б c Доссетт, Джон Л. и Бойер, Ховард Э. (2006) Практическая термообработка. ASM International. С. 1–14. ISBN  1-61503-110-3.
  10. ^ Рикард, Т.А. (1941). «Использование метеоритного железа». Журнал Королевского антропологического института. 71 (1/2): 55–66. Дои:10.2307/2844401. JSTOR  2844401.
  11. ^ Бухвальд, стр. 13–22
  12. ^ Бухвальд, стр. 35–37
  13. ^ Бухвальд, стр. 39–41
  14. ^ а б Смит, Кирилл (1960) История металлографии. MIT Press. С. 2–4. ISBN  0-262-69120-5.
  15. ^ Призрачная армия императора В архиве 2017-11-01 в Wayback Machine. pbs.org. Ноябрь 2014 г.
  16. ^ Рэпп, Джордж (2009) Археоминералогия В архиве 2016-04-28 в Wayback Machine. Springer. п. 180. ISBN  3-540-78593-0
  17. ^ Мискимин, Гарри А. (1977) Экономика Европы позднего Возрождения, 1460–1600 гг. В архиве 2016-05-05 в Wayback Machine. Издательство Кембриджского университета. п. 31. ISBN  0-521-29208-5.
  18. ^ Николсон, Пол Т. и Шоу, Ян (2000) Древнеегипетские материалы и технологии В архиве 2016-05-02 в Wayback Machine. Издательство Кембриджского университета. С. 164–167. ISBN  0-521-45257-0.
  19. ^ Кей, Мелвин (2008) Практическая гидравлика В архиве 2016-06-03 в Wayback Machine. Тейлор и Фрэнсис. п. 45. ISBN  0-415-35115-4.
  20. ^ Халл, Чарльз (1992) Оловянный. Публикации Шира. стр. 3–4; ISBN  0-7478-0152-5
  21. ^ Бринкли, Фрэнк (1904) Япония и Китай: Япония, ее история, искусство и литература. Оксфордский университет. п. 317
  22. ^ а б Робертс, Джордж Адам; Краусс, Джордж; Кеннеди, Ричард и Кеннеди, Ричард Л. (1998) Инструментальные стали В архиве 2016-04-24 в Wayback Machine. ASM International. С. 2–3. ISBN  0-87170-599-0.
  23. ^ Sheffield Steel и Америка: век коммерческой и технологической независимости Джеффри Твидейл - Издательство Кембриджского университета, 1987 г., стр. 57-62
  24. ^ Экспериментальные методы в материалах и механике Ч. Сурьянараяна - CRC Press 2011 стр. 202
  25. ^ Инструментальные стали, 5-е издание Джордж Адам Робертс, Ричард Кеннеди, Дж. Краусс - ASM International 1998 стр. 4
  26. ^ Брамфитт, Б. (2001). Руководство металлографа: практика и процедуры для чугуна и стали. ASM International. С. 13–. ISBN  978-1-61503-146-7. В архиве из оригинала от 02.05.2016.
  27. ^ Sheffield Steel и Америка: век коммерческой и технологической независимости Джеффри Твидейл - Cambridge University Press, 1987, стр. 57-62
  28. ^ Sheffield Steel и Америка: век коммерческой и технологической независимости Джеффри Твидейл - Издательство Кембриджского университета, 1987, стр. 66–68
  29. ^ Металлургия для неметаллургов Гарри Чендлер - ASM International 1998 Стр. 3—5
  30. ^ Sheffield Steel и Америка: век коммерческой и технологической независимости Джеффри Твидейл - Издательство Кембриджского университета, 1987 г., стр. 75
  31. ^ Алюминий: его история, возникновение, свойства, металлургия и применение Джозеф Уильям Ричардс - Генри Кейри Бэрд и компания 1887 г. Стр. 25-42
  32. ^ Металлургия для неметаллургов Гарри Чендлер - ASM International 1998 Стр. 3—5
  33. ^ Металлургия: 1863–1963 гг. пользователя W.H. Деннис - Рутледж 2017
  34. ^ Металлургия для неметаллургов Гарри Чендлер - ASM International 1998 Стр. 3—5
  35. ^ Металлургия для неметаллургов Гарри Чендлер - ASM International 1998 Стр. 1-3
  36. ^ Джейкобс, М. Осадки Hardnening В архиве 2012-12-02 в Wayback Machine. Бирмингемский университет. ТАЛАТ Лекция 1204. slideshare.net

Библиография

  • Бухвальд, Ван Фабрициус (2005). Железо и сталь в древности. Det Kongelige Danske Videnskabernes Selskab. ISBN  978-87-7304-308-0.

внешняя ссылка