Металлы в чистом виде – это редкость, используемая преимущественно в лабораторных условиях. В промышленности же практически всегда применяются сплавы – вещества, состоящие из двух и более химических элементов, причём хотя бы один из них является металлом. Процесс добавления легирующих элементов в основной металл, называемый легированием, радикально меняет свойства конечного продукта, формируя материалы с заданными характеристиками, необходимыми для конкретных прикладных задач. Влияние легирования на образцы металла в процессе обработки чрезвычайно обширно и многогранно, охватывая все стадии, от литья до окончательной обработки.
Изменение механических свойств
Добавление даже малых количеств легирующих элементов может существенно изменить механические свойства металла. Например, добавление углерода к железу образует сталь, значительно более прочную и твёрдую, чем чистое железо. Увеличение содержания углерода приводит к росту прочности, но одновременно снижает пластичность. Другие легирующие добавки, такие как хром, молибден и ванадий, повышают прочность и жаростойкость стали, делая её пригодной для использования в высокотемпературных условиях. Точное соотношение легирующих элементов позволяет настроить характеристики материала, создав сталь с необходимым сочетанием прочности, пластичности, твердости и износостойкости. Это достигается за счёт изменения кристаллической структуры металла и влияния на процессы дислокационного скольжения.
Влияние на прочность и пластичность
Прочность материала определяется его сопротивлением деформации и разрушению под воздействием внешних сил. Пластичность характеризует способность металла деформироваться под нагрузкой без разрушения. Легирование позволяет управлять балансом между прочностью и пластичностью. Например, добавление элементов, образующих твердые растворы, повышает прочность, в то время как добавление элементов, способствующих образованию более пластичных фаз, увеличивает пластичность. Это позволяет создавать материалы с высокой прочностью, сохраняя необходимую пластичность для обработки.
Влияние на твердость и износостойкость
Твердость – это способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Износостойкость определяет способность материала противостоять разрушению при трении. Легирование часто используется для повышения твердости и износостойкости металлов. Например, добавление хрома и никеля в сталь существенно повышает её коррозионную стойкость и износостойкость, что делает её пригодной для использования в агрессивных средах. Добавление вольфрама и молибдена повышает твердость и красностойкость.
Изменение технологических свойств
Легирование оказывает существенное влияние на технологические свойства металлов, то есть на их поведение во время обработки. Это влияет на выбор методов обработки и на возможности получения изделий с заданной геометрией и качеством поверхности.
Воздействие на литейные свойства
Легирующие элементы могут улучшить или ухудшить литейные свойства металла, такие как жидкотекучесть, склонность к образованию усадочных раковин и трещин. Правильный подбор легирующих элементов позволяет получать высококачественные литые изделия без дефектов.
Влияние на обрабатываемость давлением
Обрабатываемость давлением – это способность металла деформироваться под воздействием давления без разрушения. Легирование может как улучшить, так и ухудшить обрабатываемость давлением. Например, некоторые легирующие элементы повышают прочность и твердость, что затрудняет горячую и холодную обработку давлением.
Изменение физических свойств
Легирование изменяет не только механические и технологические, но также и физические свойства металлов.
Изменение электропроводности и теплопроводности
Электропроводность и теплопроводность металлов зависят от их кристаллической структуры и концентрации свободных электронов. Легирование часто приводит к снижению электро- и теплопроводности, так как легирующие атомы рассеивают электроны. Однако, в некоторых случаях легирование может и повышать электропроводность.
Влияние на коррозионную стойкость
Коррозионная стойкость – это способность металла противостоять разрушению под воздействием агрессивных сред. Легирование играет важнейшую роль в повышении коррозионной стойкости. Добавление хрома, никеля и молибдена в сталь образует пассивный слой оксида, защищающий металл от коррозии.
Таблица влияния легирующих элементов на свойства стали
| Легирующий элемент | Влияние на прочность | Влияние на пластичность | Влияние на твердость | Влияние на коррозионную стойкость |
|---|---|---|---|---|
| Углерод (C) | Повышает | Снижает | Повышает | Снижает |
| Хром (Cr) | Повышает | Снижает | Повышает | Повышает |
| Никель (Ni) | Повышает | Повышает | Повышает | Повышает |
| Молибден (Mo) | Повышает | Снижает | Повышает | Повышает |
| Ванадий (V) | Повышает | Снижает | Повышает | Нейтрально |
Заключение
Легирование – это мощный инструмент для управления свойствами металлов. Знание влияния легирующих элементов на механические, технологические и физические свойства позволяет создавать материалы, отвечающие самым жестким требованиям различных областей техники. Правильный подбор легирующих элементов и контроль их концентрации – залог получения высококачественных и надежных металлических изделий. Понимание этого процесса является ключом к созданию современных материалов, обладающих уникальными характеристиками.