+7(499) 136 06 90

+7(495) 704-31-86

[email protected]

Смесь металлов


Смесь Из Металлов 5 Букв

Решение этого кроссворда состоит из 5 букв длиной и начинается с буквы С


Ниже вы найдете правильный ответ на Смесь из металлов 5 букв, если вам нужна дополнительная помощь в завершении кроссворда, продолжайте навигацию и воспользуйтесь нашей функцией поиска.

ответ на кроссворд и сканворд

Пятница, 21 Февраля 2020 Г.



СПЛАВ

предыдущий следующий



другие решения

СПЛАВ

ты знаешь ответ ?

ответ:

связанные кроссворды

  1. Сплав
    1. Вещество, состоящее из двух и более металлов 5 букв
    2. И бронза, и сталь, и чугун 5 букв
    3. Металлический статус алюмеля 5 букв
    4. Однородная система, состоящая из двух и более металлов 5 букв
    5. Однородная смесь металлов 5 букв
    6. Однородная смесь 5 букв

похожие кроссворды

  1. Получение металлов и сплавов восстановлением окислов металлов алюминием
  2. Получение металлов и сплавов восстановлением оксидов металлов кремнием
  3. Однородная смесь металлов 5 букв
  4. Смесь порошкообразного алюминия с окислами некоторых металлов 6 букв
  5. Смесь металлов к золоту 8 букв
  6. Смесь сырых металлов 5 букв
  7. Шахтная печь для плавки чугуна, а также для обжига руд цветных металлов 8 букв
  8. Сернокислая соль некоторых тяжелых металлов 7 букв
  9. Один из самых распространённых видов обработки металлов давлением 8 букв
  10. Способ обработки металлов давлением 9 букв
  11. Оловянирование окисляющихся металлов 7 букв
  12. Примесь других металлов к золоту, серебру для придания им твердости 8 букв
  13. Наука о строении и физических свойствах металлов и сплавов 14 букв
  14. Относящийся к обработке металлов и сплавов 21 букв
  15. Относящийся к прокатке металлов и сплавов 16 букв
  16. Служащий для обработки металлов и сплавов резанием 14 букв
  17. Промышленное производство металлов и сплавов 11 букв

Сплавы цветных металлов — меди, алюминия, цинка, магния

Цветная металлургия занимается добычей руд цветных металлов, а также обогащением и выплавкой чистых металлов и их сплавов. Цветные металлы имеют множество ценных свойств: малую плотность (магний, алюминий), высокую теплопроводность (медь), устойчивость к коррозии (титан) и др. Условно они делятся на тяжелые, легкие, благородные и редкие.

Группы металлов

К тяжелым металлам относятся вещества, которые отличаются высокой плотностью. Это кобальт, хром, медь, свинец и др. Некоторые из них (свинец, цинк, медь) применяют в чистом меде, но обычно используют в качестве легирующих элементов.

Плотность легких металлов — менее 5 г/см3. В этой группе относятся алюминий, натрий, калий, литий и др. Их используют как раскислители при изготовлении чистых металлов и сплавов, а также применяют в пиротехнике, медицине, фототехнике и других областях.

Благородные металлы отличаются высокой устойчивостью к коррозии. В данную группу входят платина, золото, серебро, осмий, палладий, родий, иридий и рутений. Они применяются в медицине, электротехнике, приборостроении, ювелирном деле.

Редкие металлы объединены в отдельную группу, так как имеют особые свойства, не характерные для других металлов. Это уран, вольфрам, селен, молибден и др.

Также выделяется группа широко применяемых металлов. В нее входят титан, алюминий, медь, олово, магний и свинец.

Сплавы на основе цветных металлов бывают литейные и деформируемые. Они различаются технологией создания заготовок: из литейных производят детали с помощью литья в металлические или песчаные формы, а из деформируемых делают листы, фасонные профили, проволоку и другие элементы. В этом случае используются методы прессования, ковки и штамповки. Литейные сплавы относятся к металлургии тяжелых металлов, деформируемые — к металлургии легких металлов.

Алюминий и его сплавы


Алюминий — цветной металл, который имеет серебристо-белый оттенок и плавится при температуре 650°С. В периодической системе ему соответствует символ Al. Этот элемент занимает третье место по распространенности среди всех пород в земной коре (на первом месте — кислород, на втором — кремний). В атмосферных условиях на поверхности алюминия образуется оксидная пленка, препятствующая появлению коррозии.

Важные свойства алюминия:

  • Низкая плотность — всего 2,7г/см3 (например, у меди — 8,94г/см3).
  • Высокая электрическая проводимость (37*106 См/м) и теплопроводность (203,5 Вт/(м·К)).
  • Низкая прочность в чистом виде — 50 МПа.
  • Структура кристаллической решетки — кубическая гранецентрированая.

Металл легко обрабатывается давлением. Находит широкое применение в электропромышленности: из алюминия изготавливают проводники электрического тока. При производстве стали его используют для раскисления. Из алюминия также делают посуду, однако она не подходит для приготовления солений и хранения кисломолочных продуктов — элемент неустойчив в щелочной и кислой среде. Некоторые стальные детали покрывают алюминием (процесс алитирования), чтобы повысить их жаростойкость. Из-за невысокой прочности алюминий практически не применяется в чистом виде.

При маркировке алюминия используется буква А в сочетании с числом, которое указывает на содержание металла. Например, марка A99 содержит 99,95% алюминия, а марка А99 — 99,99%. Существует также марка особой чистоты — А999, в которой 99,999% алюминия.

Деформируемые сплавы алюминия

Деформируемые алюминиевые сплавы делятся на упрочняемые и неупрочняемые.

Упрочняемые деформируемые сплавы алюминия — это дуралюмины (система А-Сu-Mg) и высокопрочные сплавы (Аl-Сu-Mg-Zn). Высокие механические свойства и небольшой удельный вес позволяют широко применять эти сплавы в области машиностроения, особенно — в изготовлении деталей для самолетов.

Основными легирующими элементами для дуралюминов служат магний и медь. Эти сплавы маркируются буквой Д с числом. Из Д1 делают лопасти винтов, Д16 используется для лонжеронов, шпангоутов, обшивки самолетов, а Д 17 — для крепежных заклепок.

Высокопрочные сплавы, помимо алюминия, меди и магния, содержат цинк. Обозначаются буквой В и числом, применяются для изготовления деталей сложной конфигурации, лопастей вертолетов, высоконагруженных конструкций.

Неупрочняемые деформируемые алюминиевые сплавы — это сплавы алюминия с марганцем (маркировка — АМц1) и с магнием (AМг2 и АМг3). Они хорошо обрабатываются сваркой, вытяжкой, прокаткой, горячей и холодной штамповкой. Отличаются высокой пластичностью, но при этом не очень прочные. Они выпускаются преимущественно в виде листов, которые применяются для изготовления изделий сложной формы (заклепки, рамы и др.).

Литейные сплавы на основе алюминия

Наиболее широкое применение получили литейные сплавы алюминия и кремния, которые называются силуминами. Они содержат более 4,5% кремния и обозначаются буквами АК с номером марки. Силумины сочетают малый удельный вес с высокими механическими и литейными свойствами. Они применяются для сложного литья авто-, мото- и авиадеталей, а также для производства некоторых видов бытовой техники — мясорубок, теплообменников, санитарно-технических арматур и др.

Сплавы на основе меди


Медь — цветной металл, который на поверхности имеет красный оттенок, а в изломе — розовый. В периодической системе Д.И. Менделеева обозначается символом Cu. В чистом виде металл имеет высокую степень пластичности, электро- и теплопроводности, а также характеризуется устойчивостью к коррозии. Это позволяет использовать медь и ее сплавы для кровель ответственных зданий.

Важные свойства металла:

  • Температура плавления — 1083°С.
  • Структура кристаллической решетки — кубическая гранецентрированая.
  • Плотность — 8,94 г/см3.

Благодаря пластичности медь легко поддается обработке давлением, но плохо режется. Из-за большой усадки металл обладает низкими литейными свойствами. Любые примеси, за исключением серебра, оказывают большое влияние на вещество и снижают его электрическую проводимость.

При маркировке меди используется буква М с числом, которое обозначает марку. Чем меньше номер марки, тем больше в ней чистого вещества. Например, М00 содержит 99,99 % меди, а М4 — 99 %.

Наиболее широкое применение в технике находят две группы медных сплавов — бронзы и латуни.

Бронзы

Бронзы — сплавы на основе меди, в которых легирующим элементом является любой металл, кроме цинка. Наиболее часто применяются сплавы меди со свинцом, оловом, алюминием, кремнием и сурьмой.

Все бронзы по химическому составу делятся на оловянные и специальные, или безоловянные, то есть не содержащие в своем составе олова.

Оловянные бронзы отличаются наиболее высокими литейными, механическими и антифрикционными свойствами, а также имеют повышенную устойчивость к коррозии. Из-за высокой стоимости олова эти сплавы применяют ограниченно.

Специальные бронзы часто используют в качестве заменителей оловянных, и некоторые имеют лучшие технологические свойства. Выделяются следующие виды специальных бронз:

  • Алюминиевые. Они содержат от 5% до 11% алюминия, а также марганец, никель, железо и другие металлы. Эти сплавы обладают более высокими механическими свойствами, чем оловянные бронзы, однако их литейные свойства ниже. Алюминиевые бронзы служат для изготовления мелких ответственных деталей.
  • Свинцовистые. В их состав входит около 30% свинца. Эти сплавы имеют высокие антифрикционные свойства, поэтому широко применяются в производстве подшипников.
  • Кремнистые. Эти бронзы содержат примерно 4% кремния, легируются никелем и марганцем. По своим механическим свойствам почти соответствуют сталям. Применяются, в основном, для изготовления пружинистых элементов в судостроении и авиации.
  • Бериллиевые. Содержат до 2,3% бериллия, характеризуются высокой упругостью, твердостью и износостойкостью. Эти бронзы используются для пружин, которые работают в условиях агрессивной среды.

Все бронзы имеют хорошие антифрикционные показатели, коррозионную стойкость, высокие литейные свойства, которые позволяют использовать сплавы для изготовления памятников, отливки колоколов и др.

При маркировке бронз используются начальные буквы Бр, после которых идут первые буквы названий основных металлов с указанием их содержания в процентах. Например, сплав БрОФ8-0,3 включает 8% олова и 0,3% фосфора.

Латуни


Латунями называют сплавы меди и цинка с добавлением других металлов — алюминия, свинца, никеля, марганца, кремния и др. В простых латунях содержится только медь и цинк, а многокомпонентные сплавы включают от 1% до 8% различных легирующих элементов, которые добавляют для улучшения различных свойств.

  • Марганец, никель и алюминий повышают устойчивость сплава к коррозии и его механические свойства.
  • Благодаря добавкам кремния сплав становится более текучим в жидком состоянии и легче поддается сварке.
  • Свинец упрощает обработку резанием.

Процентное содержание цинка в любой латуни не превышает 50 %. Эти сплавы стоят дешевле, чем чистая медь, а благодаря добавлению цинка и легирующих элементов, они обладает большей устойчивостью к коррозии, прочностью и вязкостью, а также характеризуются высокими литейными свойствами. Латуни используют для изготовления деталей методами прокатки, вытяжки, штамповки и др.

При маркировке простой латуни используется буква Л и число, обозначающее содержание меди. Например, марка Л96 содержит 96% меди. Для многокомпонентных латуней используется сложная формула: буква Л, затем первые буквы основных металлов, цифра, обозначающая содержание меди, а затем состав других элементов по порядку. Например, латунь ЛАМш77-2–0,05 содержит 77% меди, 2% алюминия, 0,05% мышьяка, остальное — цинк.

Магний и его сплавы


Магний — цветной металл, который имеет серебристый оттенок и обозначается символом Mg в периодической системе.

Важные свойства магния:

  • Температура плавления — 650°С.
  • Плотность — 1,74 г/см3.
  • Твердость — 30-40 НВ.
  • Относительное удлинение — 6-17%.
  • Временное сопротивление — 100-190 МПа.

Металл обладает высокой химической активностью, в атмосферных условиях неустойчив к образованию коррозии. Он хорошо режется, воспринимает ударные нагрузки и гасит вибрации. Так как магний имеет низкие механические свойства, он практически не применяется в конструкционных целях, зато используется в пиротехнике, химической промышленности и металлургии. Он часто выступает в качестве восстановителя, легирующего элемента и раскислителя при изготовлении сплавов.

При маркировке используются буквы Мг с цифрами, которые обозначают процентное содержание магния. Например, в марке Мг96 содержится 99,96% магния, а в Мг90 — 99,9 %.

Сплавы на основе магния характеризуются высокой удельной прочность (предел прочности — до 400 МПа). Они хорошо режутся, шлифуются, полируются, куются, прессуются, прокатываются. Из недостатков магниевых сплавов — низкая устойчивость к коррозии, плохие литейные свойства, склонность воспламеняться при изготовлении.

Деформируемые сплавы магния

Наиболее распространены три группы сплавов на основе магния.

Сплавы магния, легированные марганцем

Содержат до 2,5% марганца, не упрочняются термической обработкой. У них хорошая коррозионная стойкость. Так как эти сплавы легко свариваются, они применяются для сварных деталей несложной конфигурации, а также для деталей арматуры, масляных и бензиновых систем, которые не испытывают больших нагрузок. Среди данной группы — сплавы МА1 и МА8.

Сплавы системы Mg-Al-Zn-Mn

В состав этих сплавов, помимо магния и марганца, входят алюминий и цинк. Они заметно повышают прочность и пластичность, благодаря чему сплавы подходят для изготовления штампованных и кованых деталей сложных форм. К этой группе относятся марки МА2-1 и МА5.

Сплавы системы Mg-Zn

Сплавы на основе магния и цинка дополнительно легируются кадмием, цирконием и редкоземельными металлами. Это высокопрочные магниевые сплавы, которые применяются для деталей, испытывающих высокие нагрузки (в самолетах, автомобилях, станках и др.). К данной группе относятся сплавы марок МА14, МА15, МА19.

Литейные сплавы магния

Самая распространенная группа литейных магниевых сплавов относится к системе Mg-Al-Zn. Эти сплавы практически не поглощают тепловые нейтроны, поэтому широко применяются в атомной технике. Из них также делают детали самолетов, ракет, автомобилей (двери кабин, корпуса приборов, топливные баки и др.). Сплавы магния, цинка и алюминия используют в приборостроении и в изготовлении кожухов для электронной аппаратуры. К данной группе относятся марки МЛ5 и МЛ6.

Высокопрочные литейные магниевые сплавы отличаются лучшими механическими и технологическими свойствами. Они применяются в авиации для изготовления нагруженных деталей. К данной группе относятся сплавы МЛ12 (магний, цинк и цирконий), МЛ8 (магний, цинк, цирконий и кадмий), МЛ9 (магний, цирконий, неодим), МЛ10 (магний, цинк, цирконий, неодим).

Цинк и его сплавы


Цинк — цветной металл серо-голубоватого оттенка. В системе Д. И. Менделеева обозначается символом Zn. Он обладает высокой вязкостью, пластичностью и коррозионной стойкостью. Важные свойства металла:

  • Небольшая температура плавления — 419 °С.
  • Высокая плотность — 7,1 г/см3.
  • Низкая прочность — 150 МПа.

В чистом виде цинк используется для оцинкования стали с целью защиты от коррозии. Применяется в полиграфии, типографии и гальванике. Его часто добавляют в сплавы, преимущественно в медные.

Существуют следующие марки цинка: ЦВ00, ЦВ0, ЦВ, Ц0А, Ц0, Ц1, Ц2 и Ц3. ЦВ00 — самая чистая марка с содержанием цинка в 99,997%. Самый низкий процент чистого вещества в марке Ц3 — 97,5%.

Деформируемые цинковые сплавы

Деформируемые сплавы цинка используются для производства деталей методами вытяжки, прессования и прокатки. Они обрабатываются в горячем состоянии при температуре от 200 до 300 ?С. В качестве легирующих элементов выступают медь (до 5%), алюминий (до 15%) и магний (до 0,05%).

Деформируемые цинковые сплавы характеризуются высокими механическими свойствами, благодаря которым часто используются в качестве заменителей латуней. Они обладают высокой прочностью при хорошей пластичности. Сплавы цинка, алюминия и меди наиболее распространены, так как они имеют самые высокие механические свойства.

Литейные цинковые сплавы

В литейных цинковых сплавах легирующими элементами также выступают медь, алюминий и магний. Сплавы делятся на 4 группы:

  • Для литья под давлением.
  • Антифрикционные.
  • Для центробежного литья.
  • Для литья в кокиль.

Слитки легко полируются и принимают гальванические покрытия. Литейные цинковые сплавы имеют высокую текучесть в жидком состоянии и образуют плотные отливки в застывшем виде.

Литейные сплавы получили широкое применение в автомобильной промышленности: из них делают корпуса насосов, карбюраторов, спидометров, радиаторных решеток. Сплавы также используются для производства некоторых видов бытовой техники, арматуры, деталей приборов.

В России цветная металлургия — одна из самых конкурентоспособных отраслей промышленности. Многие отечественные компании являются мировыми лидерами в никелевой, титановой, алюминиевой подотраслях. Эти достижения стали возможными благодаря крупным инвестициям в цветную металлургию и применению инновационных технологий.

Волшебные смеси металлов | Особенность

Сплавы, от бронзовых топоров до реактивных двигателей, позволили человечеству создать передовые технологии, как выяснила Фиона Кейс.

Сплавы были первыми искусственными материалами. Смешивание меди с оловом для создания бронзы и острых краев навсегда изменило человечество. Бронзовый век ознаменовал начало цивилизаций во всех уголках земного шара: торговля металлической рудой из далеких шахт, технологии (и первые химики) для плавки и кузнечного дела, революции в сельском хозяйстве и военном деле. А сплавы продолжали катализировать историю. В 1920-го века Бессемеровский процесс удалил примеси из стали и положил начало массовой индустриализации. В 1950-х годах, вызванная гонкой времен холодной войны за более быстрые и легкие самолеты-разведчики, вакуумная металлургия и методы ковки в инертной атмосфере привели к коммерциализации титановых сплавов — легких, высокопрочных компонентов современных самолетов, космических кораблей, автомобилей. и бытовой электроники.

Многие считают, что мы переживаем следующую революцию в области сплавов.

«Только в последние годы у нас появились инструменты для понимания структуры атомарного масштаба и проектирования того, что мы хотим, вместо того, чтобы жить с тем, что у нас есть», — говорит Дэвид Рагг, специалист по материалам Rolls-Royce в Дерби, Великобритания. «Это радикально меняет то, что мы добавляем в сплавы и как мы их обрабатываем. Он будет производить новые материалы для приложений, о которых мы еще не мечтали».

«Многие группы в промышленности и научных кругах уже используют эти инструменты для поиска следующего суперматериала», — говорит Дэвид Дай из Имперского колледжа Лондона в Великобритании. «Каждый год патентуются тысячи сплавов. В большей части продаваемой в настоящее время стали в стоимостном выражении используются составы, на которые все еще распространяются патенты — им менее 20 лет»9.0003

Во многих инженерных приложениях задача состоит в том, чтобы создать материал, который сохраняет свою структуру и характеристики на протяжении всего срока службы продукта. «Усталость, возникающая при длительном воздействии на материал умеренной нагрузки, становится особенно важной для лопаток турбин и компонентов двигателей», — говорит Дай. «Пилоты должны быстро поднимать самолеты на большую высоту, чтобы экономить топливо, поэтому они остаются на высокой мощности в течение первых 20 или более минут после взлета. Важно предотвратить структурные изменения, так как компоненты остаются под нагрузкой во время набора высоты». Источник усталости при выдержке, по-видимому, заключается в специфических изменениях в структуре атомного масштаба. «Поведение выдержки может сильно зависеть от термической обработки сплава. Мы думаем, что это связано с ближним упорядочением — кластеризацией атомов алюминия, что приводит к изменению поведения дислокаций, медиаторов деформации», — говорит Дай. Именно это понимание микроскопического поведения сплавов является движущей силой сегодняшней революции сплавов.

Быстрее значит меньше

Одним из ключей к открытию деформации атомного масштаба в сплавах и к разработке новых материалов с улучшенными характеристиками является более быстрое определение характеристик. «Источник когерентного света SLAC Linac в Стэнфордском университете — самый мощный в мире рентгеновский лазер — обеспечивает временное разрешение с импульсом 10 фс. За это время свет проходит всего 3 мкм», — говорит Рагг.

Дай соглашается: «Поток рентгеновских лучей удваивается каждые 18 месяцев. Это в 1000 раз быстрее за 15 лет, и мы можем создавать видео, а не неподвижные изображения. Мы можем провести эксперимент по наноиндентированию и получить информацию по дифракционным пикам, когда происходит индентирование. Это нечто».

Нам нужно понять, как спроектировать весь набор характеристик, а не только прочность

Дэвид Дай

Рагг считает особую ценность измерения сплавов на месте, когда они подвергаются нагрузке, как в эксперименте по дифракции отпечатков в реальном времени. «Если вы просто изучаете материал до и после его деформации, вы не можете сказать, как произошла деформация», — говорит он. «Это все равно, что пытаться понять механизм реакции катализа, если вы знаете только реагенты и продукты» 9. 0003

Новые аналитические возможности, а также результаты компьютерного моделирования открыли путь к материалам с улучшенными усталостными характеристиками. «Когда материал начинает деформироваться, структура перемещается на половину плоскости атомов, создавая линейный дефект. Характеристика этих частичных дислокаций является ключом к контролю деформации и ступеней, которые превращаются в трещины», — объясняет Дай.

Dye использует эти знания для тестирования новых материалов. «Вам нужен баланс механических свойств, — объясняет он. «Высокая прочность, но также низкое сопротивление ползучести и усталостной усталости. Нам нужно понять, как спроектировать весь набор свойств, а не только прочность, — что мы можем сделать, если у нас есть понимание механизмов на атомарном уровне».

Разработано, чтобы меняться

Прочные сплавы, способные противостоять изменениям, — не единственная область интереса. Ричард Джеймс из Миннесотского университета в США работает над активными материалами: ферромагнитными сплавами Гейслера, чей магнетизм меняется в зависимости от температуры. «Магнетизм очень чувствителен к параметрам решетки, к расстояниям между ионами, особенно ионами марганца», — говорит он. «Исследуемые нами сплавы имеют низкотемпературную немагнитную фазу, но высокотемпературная фаза является сильным магнитом, почти таким же сильным, как железо при той же температуре».

Arctic-Images/Alamy

Ферромагнитные сплавы могут помочь в сборе геотермальной энергии

Джеймс предвидит применение этих материалов на электростанциях, производстве геотермальной энергии и сборе отработанного тепла в бытовой электронике. «Если вы окружите сплав небольшой катушкой и нагреете ее посредством фазового превращения, внезапно меняющаяся намагниченность вызовет ток в катушке», — сказал Джеймс. «В процессе сплав поглощает скрытое тепло и превращает его в электричество. Даже в самых современных солнечных батареях для этого используется кипящая вода и паровые турбины — технология 17 века. Наши активные сплавы более эффективны и могут быть настроены на получение энергии даже при небольших изменениях температуры».

Задача состоит в том, чтобы сделать переход между магнитной структурой и немагнитной структурой как можно более эффективным. «Это геометрическая задача, — говорит Джеймс. «Если кристаллические структуры двух фаз идеально подходят друг к другу, в переходном слое не возникает напряжения, поскольку происходит фазовый переход.» Если структуры точно совпадают, разница между температурами, при которых происходит фазовый переход при нагревании и охлаждении, меньше. – известный как гистерезис. «Мы можем получить гистерезис всего в 2 или 3 ° C, что замечательно, и переход становится очень обратимым. Мы стремимся к 10 миллионам циклов с большим изменением магнетизма».

Теоретическая основа конструкции сплава была подтверждена, когда с помощью электронной микроскопии были обнаружены идеально совпадающие границы раздела. И потенциал активных сплавов не заканчивается переключающими магнитами. «Мы можем разработать материалы, в которых одна фаза проводит электричество, а другая является изолятором; или материалы с переключаемыми диэлектриками», — говорит Джеймс. «Мы можем представить себе, как можно использовать такие материалы для преобразования энергии в различных приложениях». может согнуть, скрутить или иным образом деформировать его, а затем нагреть и восстановить первоначальную форму. В основе этого эффекта лежит обратимое изменение кристаллической структуры. При более высоких температурах сплав имеет кубическую структуру, известную как аустенит, со свойствами, подобными чистому титану. Ниже определенной температуры он самопроизвольно превращается в структуру с более низкой симметрией (мартенсит), которая поддается деформации так же легко, как свинец. Любая деформация сплава в его мартенситной структуре теряется, когда он снова возвращается к высокотемпературной аустенитной структуре.

Научная фототека

Сплавы с памятью формы могут быть деформированы до возвращения к своей первоначальной форме при нагревании восстановить штаммы более чем на 10%», — говорит Том Дуриг, основатель компании Nitinol Devices and Components, расположенной в Калифорнии, США. «Если рассматривать эту сверхэластичность в перспективе, сталь может восстановиться на целых 1%».

Сам сплав был случайно обнаружен в начале 1960-х годов. Эффекты памяти формы сразу же очаровали исследователей, и множество государственных и отраслевых исследовательских программ в последующие десятилетия привели к получению сотен патентов, но никто не мог решить, что делать с этим материалом. К 1980-м годам это был изгой: решение искало проблему. Только в начале 1990-х эта область получила широкое распространение и, наконец, нашла твердую почву в индустрии медицинского оборудования.

Научная фотобиблиотека

Сплавы с памятью формы часто используются для того, чтобы стенты оставались открытыми

«В те первые дни было действительно две проблемы, — комментирует Дуриг. «Это было очень дорого производить. Казалось, что всегда есть более дешевый способ выполнить работу. Но что еще более важно, характеристики сплавов сильно зависят от температуры — вам нужна четко определенная и контролируемая тепловая среда. Человеческое тело совершенно. Мало того, что температура постоянна, так случилось, что это как раз подходящая температура для нитинола, чтобы выставлять напоказ свои вещи. И хотя затраты важны, медицинские устройства, как правило, невелики, и инженеры готовы платить за производительность».

Первой крупной победой нитинола в области медицины стал стент — небольшое устройство, которое помещается в катетер, вставляется в больную артерию, а затем высвобождается для сверхэластичного расширения и поддержки раскрытой артерии. После установки стент становится биосовместимым и физиологически хорошо подходит для нативной артерии. Нитинол стал основным материалом для инженеров по медицинскому оборудованию, который используется практически во всех областях, от ортопедии до нейрорадиологии.

Сплавы по дизайну

Создание новых сплавов традиционно было медленным итеративным процессом, позволяющим исследовать лишь часть возможных материалов. Сплавы с высокими эксплуатационными характеристиками могут содержать до 12 различных компонентов, поэтому, даже если рассматривать только текущие диапазоны составов, количество возможных сплавов превышает 100 миллионов. После того, как состав-кандидат определен, его изготовление — отливка, ковка и проверка его свойств — занимает много времени; а оптимизация производства занимает еще больше времени. «Я могу смотреть около 20 в год», — говорит Дай. «Вы контролируете все тем, как вы нажимаете», — объясняет он. «Для разработки процесса ковки нового материала требуется несколько докторских диссертаций. Я только патентую свой первый сплав, а мне 38 лет».

Вторым ключом к разработке сплавов следующего поколения, преодолению текущего цикла разработки и выявлению совершенно новых материалов с составами, далекими от тех, которые исследуются в настоящее время, станет компьютерное моделирование. Уже успешная стратегия состоит в том, чтобы начать с огромной базы данных фазовых диаграмм и физических свойств бинарных систем. Термодинамика и предполагаемые механистические модели, описывающие, например, то, как энергии дислокаций влияют на поведение ползучести, затем используются для прогнозирования фазового поведения, микроструктуры и характеристик тройных или более высоких сплавов. Компания QuestTek Innovations в Иллинойсе, США, впервые применила этот подход, и их разработанные на компьютере сплавы на основе железа используются в шасси самолетов с 2010 года9.0003

Моделирование должно перейти к атомистическому моделированию

Дэвид Рагг

В последние годы также были достигнуты значительные успехи в физически обоснованных моделях пластичности. «Обычные инженерные подходы предполагают однородное и часто изотропное поведение материалов, но более новые модели описывают поликристаллические металлы, в которых деформация опосредована кристаллографически определенными системами скольжения», — говорит Рагг. «Эта разница имеет важное значение для прогнозирования долговечности сплавов ядерных и аэрокосмических компонентов, которые в настоящее время оцениваются с помощью длительных и дорогостоящих испытаний компонентов».

Но ясно, что, как и при экспериментальной характеристике, наибольший выигрыш будет достигнут в атомном масштабе. «Моделирование должно сводиться к некоторому виду атомарной симуляции. Факторы, ограничивающие подвижность дислокаций, находятся на атомном уровне, но они имеют макроскопические последствия, такие как чувствительность материала к скорости деформации и хрупко-пластичным переходам», — говорит Рагг.

«В 2003 году исследователи опубликовали статью, в которой предлагалось разработать сплавы на основе титана на основе предсказаний уровней энергии d-электронов и порядков связи. Они предложили новый механизм деформации, новую науку, сверхсвойства. Это вызвало большое волнение», — вспоминает Дай. «Можем ли мы разрабатывать сплавы исключительно на основе теории функции плотности?»

10 лет спустя мечта становится реальностью. Моделирование в атомном масштабе становится неотъемлемой частью процесса проектирования, особенно для материалов в сложных условиях, где критична устойчивая производительность, например, на атомных электростанциях. Исследователи Калхемского центра термоядерной энергии в Великобритании используют расчеты электронной структуры для прогнозирования механических свойств и фазового превращения материалов в условиях облучения. Компания Materials Design, базирующаяся в Нью-Мексико, США, объединяет расчеты ab initio с классической молекулярной динамикой для изучения топливных стержней. «Мы добились особого успеха в моделировании циркониевых сплавов, используемых для оболочек топливных стержней в ядерных реакторах, — говорит Эрих Виммер, президент отдела проектирования материалов. «Мы прогнозируем влияние легирующих элементов, таких как ниобий, на анизотропную диффузию межфазных поверхностей и скопление дефектов в кристаллической структуре: причина деформации и разрушения сплава».

Rugg, однако, видит проблемы для широкого промышленного применения. «Многие представители отрасли не имеют возможности проникнуть в структуру атомистического масштаба, если только у них нет кого-то, кто только что защитил докторскую диссертацию по этому предмету», — предупреждает он. «Методы только переходят от физики к промышленному применению. Вам нужно знать, как сформулировать вопросы, нужно свести проблему к фундаментальным вопросам». приоритеты. «Исследователи потратили десятилетия и миллионы на то, чтобы понять, как растут трещины, но очень мало — на образование усталостных трещин», — говорит он. «Исследования, направленные на достижение захватывающих заголовков свойств материалов, которые «работают» только в небольших масштабах, но имеют фундаментальные ограничения при масштабировании, потенциально могут нанести ущерб общественному восприятию материаловедческого сообщества и политике финансирования исследований», — предупреждает он. «Нам нужно сосредоточиться на том, что сдерживает нас в массовых сплавах. Сосредоточьтесь на преимуществах, которые можно использовать в широком спектре продуктов, влияющих на нашу жизнь каждый день, таких как автомобили, самолеты, здания и производство энергии».

Но многие люди, вплоть до высших уровней промышленности и правительства, воодушевлены перспективами ускорения и расширения открытий материалов. С этой целью в 2011 году президент США Барак Обама выступил за инициативу Materials Genome Initiative.

«Наши поставщики спрашивают: «Учитывая всю проделанную вами работу по изучению кристаллических текстур и атомных структур, не могли бы вы просто сказать нам, каким должен быть ваш идеальный материал?», — говорит Рагг. — Я еще не знаю, но мы приближаемся. Мы знаем, что маленькое хорошо: маленькие кристаллиты, маленькие осадки. Мы можем изучить режим нагрузки с помощью высокоскоростной и высокочастотной характеристики и предложить способы остановить образование трещин», — говорит он.

Мы действительно на пороге революции.

Фиона Кейс, научный писатель из Сан-Диего, США

Сплавы, которые делают сами

Коммерческое производство сплавов очень энергоемко, как и следовало ожидать при смешивании расплавленных металлов. Но реакции с участием металлов могут быть сильно экзотермическими — например, термитная реакция. Если вы смешаете правильные материалы с правильным размером зерна, подожжете смесь и отстоите на достаточном расстоянии, сможет ли сплав образоваться сам собой? Это является предпосылкой самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.

Научная фотобиблиотека

Смешивание металлов, особенно наноразмерных порошков, может производить достаточно тепла для создания новых материалов энергии», — говорит Эмили Хант из Западно-техасского университета A&M в США. «Если один из материалов наноразмерный, энергия активации низкая. Нам нужно только крошечное пламя зажигания».

Необходимость использования наноразмерного порошка затрудняет коммерческое масштабирование, но Хант уже предвидит некоторые ценные нишевые применения. «Вы создаете материал при высокой температуре, который будет функционировать при высокой температуре и в очень агрессивной среде», — говорит она. «Мы рассматривали материалы для покрытия лопаток турбин или применения в нефтяной промышленности, особенно если сплав содержит наносеребро и может предотвратить рост бактерий, что является серьезной проблемой для отрасли».

Другие исследователи предложили самосварные соединения или изготовление керамических нанокомпозитов для фотогальваники. «Вы также можете создавать наноструктурированные интерметаллические пены с потенциалом для микрофильтрации или биоинженерии», — говорит Хант.

Металлы, сплавы и соединения металлов — Центр научного обучения

Добавить в коллекцию

  • + Создать новую коллекцию
  • От титановых имплантатов до новых сверхпроводящих сплавов и полезных соединений металлов — мы все больше зависим от металлов. Без металлов современная цивилизация буквально рухнула бы. Около 80% известных химических элементов составляют металлы.

    Физические свойства металлов

    Свойства металлов подходят для широкого спектра применений. Они характерно блестящие, и большинство из них ковкие, пластичные, плотные, очень хорошие электрические проводники и имеют высокие температуры плавления. Ковкость — это способность материала деформироваться при сжатии — золото очень пластично, и его можно растолочь в чрезвычайно тонкий лист.

    Кристаллическая структура металлов

    Когда мы смотрим на поверхность металла, часто можно увидеть кристаллы. Кристаллы отражают симметричное расположение положительных ионов металла в основной структуре, которую мы не можем видеть.

    Положительные ионы в металле плотно упакованы, так что промежутки между ними сведены к минимуму. Когда атомы металлов собираются вместе, образуя кристалл, они могут быть:

    • гексагональными, плотно упакованными
    • гранецентрированными кубическими
    • объемноцентрированными кубическими.

    При охлаждении расплавленного металла атомы металла образуют кристаллическую решетку. При достаточном количестве времени и идеальных условиях кристаллическая решетка может вырасти до очень больших размеров с идеальной внутренней кристаллической структурой. Идеальные условия встречаются редко, и реальность такова, что почти каждый твердый металл существует в виде нагромождения кристаллов разного размера. Каждый отдельный кристалл в организме называется зерном. Эти зерна представляют собой кристаллические структуры, которые имеют множество дефектов, искажающих кристаллическую решетку.

    Что такое сплавы?

    Смеси металлов, называемые сплавами, используются чаще, чем чистый металл. Путем легирования можно улучшить некоторые важные свойства металлов.

    • Припой, используемый в электронной промышленности, представляет собой смесь олова и свинца. Один тип припоя (63% олова и 37% свинца) имеет более низкую температуру плавления, но тверже любого из металлов. Эти свойства позволяют успешно его использовать.
    • Амальгама представляет собой сплав на основе ртути. Стоматологическая амальгама представляет собой сплав ртути, серебра, олова, меди и цинка. Он износостойкий, устойчивый к коррозии и обладает высокой ударной вязкостью.
    • Титановый сплав, известный как Ti6Al4V, используется в аэрокосмической промышленности. Он легкий, очень прочный и обладает высокими антикоррозионными свойствами.

    Исследовательская работа профессора Делян Чжан в Университете Вайкато сосредоточена на недорогих порошках из титанового сплава.

    Соединения металлов

    Большинство металлов не встречаются в естественном состоянии. Они часто встречаются в виде соединений, таких как оксиды металлов, сульфиды и галогениды.

    • Оксид алюминия является основным металлическим соединением, присутствующим в руде, известной как боксит.
    • Железный колчедан или «золото дураков» в основном состоит из сульфида железа.
    • Соляной завод на озере Грассмир в Мальборо производит соединение металла, известное как хлорид натрия, из «соленой» морской воды.

    Металлы могут быть произведены (выплавлены) из их руд различными способами:

    • Алюминий производится из его руды (боксита) путем пропускания очень сильного электрического тока через расплавленную смесь руды и соединения, называемого криолитом. .
    • Титан в основном производится из руды (рутила) с помощью процесса Кролла, при котором руда обрабатывается газообразным хлором с последующей реакцией с металлическим магнием.

    Консервная банка? Жестяная крыша? Фольга?

    Сегодня жесть редко используется в консервной промышленности, в качестве кровельного материала или фольги для приготовления пищи – ее заменили более дешевые материалы.

    Олово является важным легирующим металлом. Припой, бронза и стоматологическая амальгама содержат олово, а провода, используемые в сверхпроводящих магнитах, используемых в приборах ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и сканерах магнитно-резонансной томографии (МРТ), сделаны из сплава олова и ниобия.

    Олово переходит из обычного повседневного состояния, известного как «белое олово», в мягкое порошкообразное состояние, называемое «серым оловом», при воздействии температуры ниже 0 °C в течение определенного периода времени. Эти различные формы олова известны как аллотропы.

    В большинстве больших соборов есть впечатляющие музыкальные органы, трубы которых сделаны из оловянно-свинцового сплава. В зимние месяцы, если температура воздуха в соборе длительное время опускается ниже нуля, трубы могут заболеть «оловянной болезнью». Трубки покрываются порошкообразным серым веществом, и они теряют качество звука.

    Одной из причин, объясняющих, почему армии Наполеона не удалось победить русскую армию зимой 1812 года, было то, что оловянные пуговицы на гимнастерках французских солдат страдали «оловянной болезнью».


    Learn more