Классификация металла и сплавов

В современной промышленности используется огромное количество материалов. Пластик и композиты, графит и прочие вещества... Но металл всегда остается актуальным. Из него делают гигантские строительные конструкции, он используется для создания разнообразных машин и прочей техники.

А потому классификация металла играет в промышленности и науке немаловажную роль, поскольку, зная ее, можно подобрать наиболее подходящий тип материала для той или мной цели. Именно этой теме и посвящена данная статья.

Общее определение

Металлами называются простые вещества, которые в обычных условиях характеризуются наличием нескольких отличительных признаков: высокой теплопроводностью и проводимостью электрического тока, а также ковкостью. Пластичны. В твердом состоянии характеризуются кристаллическим строением на атомарном уровне, а потому имеют высокие прочностные показатели. Но есть еще и сплавы, являющиеся их производными. Что это такое?

Так называются материалы, полученные из двух и более веществ путем их нагревания свыше температуры плавления. Учтите, что бывают сплавы металлические и неметаллические. В первом случае в составе должно присутствовать не менее 50 % металла.

Впрочем, не будем отвлекаться от тематики статьи. Итак, какая же бывает классификация металла? В общем-то, делить его довольно просто:

1. Черные металлы.
2. Цветные металлы.

К первой категории относится железо и все сплавы на его основе. Все прочие металлы являются цветными, впрочем, как и их соединения. Необходимо рассмотреть каждую категорию более подробно: несмотря на крайне скучную общую классификацию, на самом деле все куда сложнее. А если вспомнить, что существуют еще драгметаллы... И они тоже бывают разными. Впрочем, классификация драгоценных металлов еще проще. Всего их насчитывается восемь штук: золото и серебро, платина, палладий, рутений, осмий, а также родий и иридий. Наиболее ценными являются платиноиды.

Собственно, классификация благородных металлов и того скучнее. Так называются (в ювелирном деле) все те же серебро, золото и платина. Впрочем, довольно о «высоких материях». Пора поговорить о более распространенных и ходовых материалах.

Начнем мы с обзора разных сортов стали, которая как раз таки является производным самого ходового черного металла - железа.

Что такое сталь?

Это сплав железа и некоторых присадок, в котором содержится не более 2,14 % атомарного углерода. Классификация этих материалов крайне обширна, причем она учитывает: химический состав и способы производства, наличие или же отсутствие вредных примесей, а также структуру. Впрочем, наиболее важным признаком является химический состав, так как он влияет на марку и название стали.

Углеродистые разновидности

В этих материалах вообще нет легирующих добавок, но при этом технология их изготовления допускает некоторое количество прочих примесей (как правило, марганца). Так как содержание этих веществ колеблется в пределах 0,8-1 %, какого-то влияния на прочностные, механические и химические свойства стали они не оказывают. Используется эта категория в строительстве и производстве различного инструмента. Разумеется, классификация металла на этом далеко не закончена.

Конструкционные углеродистые стали

Чаще всего используются для возведения различных конструкций промышленного, военного или бытового назначения, но нередко их применяют для выпуска инструментов и механизмов. В этом случае содержание углерода ни в коем случае не должно превышать 0,5-0,6 %. Они должны иметь предельно высокую прочность, которая определяется целой когортой сертифицированных международными агентствами испытаний (σВ, σ0,2, δ, ψ, KCU, HB, HRC). Бывают двух видов:

• Обыкновенные.
• Качественные.

Как несложно догадаться, первые идут на строительство различных инженерных конструкций. Качественная же конструкционная сталь используется исключительно для выпуска надежных инструментов, применяемых в машиностроении и прочих отраслях промышленности и производства.

Что касается этих материалов, то на их поверхности допускается коррозия металла. Классификация же сталей прочих типов предусматривает наличие куда более жестких к ним требований.

Инструментальные углеродистые стали

Их сфера — точное машиностроение, изготовление инструментов для научной сферы и медицины, а также прочих промышленных отраслей, в которых требуется повышенная прочность и точность. В них содержание углерода может колебаться от 0,7 до 1,5 %. Такой материал обязан обладать очень высокой прочностью, быть устойчивым к факторам износа и предельно высоким температурам.

Легированные стали

Так называют материалы, в которых, помимо естественных примесей, содержится значительное количество искусственно добавляемых легирующих присадок. К ним относится хром, никель, молибден. Помимо этого, в легированных сталях также может быть марганец и кремний, содержание которых чаще всего не превышает 0,8-1,2 %.

В этом случае классификация металла подразумевает их деление на два типа:

• Стали с низким содержанием присадок. В сумме их бывает не более 2,5 %.
• Легированные. В них добавок может быть от 2,5 до 10 %.
• Материалы с высоким содержанием добавок (более 10 %).

Эти типы также подразделяются на подвиды, как и в предыдущем случае.

Легированная конструкционная сталь

Как и все прочие разновидности, активно используются в машиностроении, возведении зданий и прочих сооружений, а также в промышленности. Если сравнивать их с углеродистыми разновидностями, то такие материалы выигрывают по соотношению прочностных характеристик, пластичности и вязкости. Кроме того, они обладают высокой устойчивостью к воздействию экстремально низких температур. Из них делают мосты, самолеты, ракеты, инструменты для высокоточной промышленности.

Легированные инструментальные стали

В принципе, по характеристикам очень схожи с рассмотренным выше типом. Могут быть использованы в следующих целях:

• Производство режущих, а также высокоточных измерительных приборов и инструментов. В частности, производят из этого материала токарные резцы по металлу, классификация которых напрямую зависит от стали: ее марка обязательно отпечатывается на изделии.
• Из них же делают штампы для холодного и горячего проката.

Легированные стали специального назначения

Как можно понять из названия, эти материалы обладают какими-то специфическими характеристиками. К примеру, встречаются жаропрочные и жаростойкие виды, а также всем известная нержавеющая сталь. Соответственно, сфера их применения включает в себя производство машин и инструментов, которые будут работать в особо сложных условиях: турбины для двигателей, печи для выплавки металла и др.

Строительные стали

Стали со средним содержанием углерода. Применяются для выпуска широчайшей номенклатуры различных строительных материалов. В частности, именно из них делают профили (фасонный и листовой), трубы, уголки и т. д. Очевидно, что при выборе определенной категории металла особое внимание обращают на прочностные характеристики стали.

Кроме того, еще задолго до строительства все характеристики многократно просчитываются на примере математических моделей, так что в большинстве случаев тот или иной вид проката может быть изготовлен по индивидуальным требованиям заказчика.

Арматурные стали

Как вы наверняка догадались, сфера их применения — армирование блоков и готовых конструкций из железобетона. Выпускают их в виде стержней или проволоки с большим диаметром. Материалом служит или углеродистая, или сталь с низким содержанием легирующих присадок. Бывает двух видов:

• Горячекатаная.
• Термически и механически упрочненная.

Котельные стали

Используются для выпуска котлов и цилиндров, а также прочих сосудов и арматуры, которым предстоит работать в условиях повышенного давления при различных температурных режимах. Толщина деталей в этом случае может варьироваться от 4 до 160 мм.

Автоматные стали

Так называются материалы, которые хорошо поддаются обработке путем их разрезания. Обладают также высокой обрабатываемостью. Все это делает такую сталь идеальным материалом для автоматизированных линий производств, которых с каждым годом становится все больше и больше.

Подшипниковые стали

Эти виды по своему типу относятся к конструкционным разновидностям, но их состав роднит их с инструментальным. Отличаются высокими прочностными характеристиками и огромной устойчивостью к износу (истиранию).

Нами были рассмотрены основные свойства и классификация металлов этого класса. На очереди – еще более распространенный и известный чугун.

Чугуны: классификация и свойства

Так называется материал, представляющий собой сплав железа и углерода (а также некоторых прочих присадок), причем содержание С колеблется от 2,14 до 6,67 %. Чугун, как и сталь, различают по химическому составу, способам производства и по количественному объему содержащегося в нем углерода, а также по сферам применения в повседневной жизни и промышленности. Если в чугуне нет присадок, его называют нелегированным. В противном случае — легированным.

Классификация по назначению

1. Бывают предельными, которые практически всегда используются для последующей переработки в сталь.
2. Литейные разновидности, используемые для отливки изделий самой разной конфигурации и сложности.
3. Специальные, по аналогии со сталями.

Классификация по типам химических добавок

Так как содержание углерода в различных типах этого материала сильно варьируется, различают также сразу несколько его разновидностей:

• Белый чугун. Характеризуется тем, что углерод в его структуре связан практически полностью, находясь там в составе различных карбидов. Его очень легко отличить: на изломе он белый и блестящий, характеризуется высочайшей твердостью, но при этом крайне хрупок, с огромным трудом поддается механической обработке.
• Половинчатый отбеленный. В верхних слоях отливки от неотличим от белого чугуна, в то время как сердцевина ее — серая, содержащая в своей структуре большое количество свободного графита. В общем-то, сочетает в себе признаки обоих типов. Довольно прочен, но в то же время куда легче поддается обработке, да и с хрупкостью дела обстоят значительно лучше.
• Серый. Содержит в своем составе много графита. Прочный, достаточно износостойкий, хорошо поддается обработке.

Мы не случайно делаем упор на графит. Дело в том, что от его содержания и пространственной структуры зависит классификация металлов и сплавов в конкретном случае. В зависимости от этих характеристик они делятся на перлитные, феррито-перлитные и ферритные.

Сам графит в каждом из этих видов чугуна может присутствовать в четырех различных формах:

• Если он представлен пластинками и «лепестками», то относится к пластинчатой разновидности.
• Если в материале есть включения, которые по своему внешнему виду напоминают червяков, то речь идет о вермикулярном графите.
• Соответственно, различные плоские, неравномерные включения говорят о том, что перед вами — хлопьевидная разновидность.
• Сферические, полусферические элементы характеризуют шаровидную форму.

Но и в этом случае классификация металлов и сплавов еще неполная! Дело в том, что эти примеси, каким бы странным это ни показалось, напрямую влияют на прочность материала. Итак, в зависимости от формы и пространственного положения включений, чугуны подразделяются на следующие категории:

• Если в материале имеются вкрапления пластинчатого графита, то это обычный серый чугун (СЧ).
• По аналогии с названием «присадки», наличие вермикулярных частиц характеризует вермикулярный материал (ЧВГ).
• Хлопьевидные включения содержит ковкий чугун (КЧ).
• Шаровидный «наполнитель» характеризует высокопрочный чугун (ВЧ).

Вашему вниманию была представлена краткая классификация и свойства металлов, которые относятся к «черной» категории. Как видите, несмотря на повсеместно распространенное заблуждение, они весьма разнообразны, сильно различаются по своей структуре и физическим свойствам. Казалось бы, чугун — обыденный и распространенный материал, но... Даже он имеет несколько совершенно разных видов, и некоторые из них так же не похожи друг на друга, как сам чугун и листовая сталь!

Отходы — в доходы!

А имеется ли какая-то классификация лома черных металлов? Ведь ежегодно в отвал уходят миллионы тонн самых разнообразных материалов. Неужели они скопом отправляются на переплавку, не пройдя никакой отбраковки и сортировки? Разумеется, нет. Всего различают девять категорий:

• 3А. Стандартные отходы черного металла, в том числе и габаритные, особо крупные куски. Вес каждого фрагмента — не менее килограмма. Как правило, толщина кусков не превышает шести миллиметров.
• 5А. В этом случае лом негабаритный. Толщина кусков — более шести миллиметров.
• 12А. Данная категория подразумевает смесь двух вышеописанных разновидностей.
• 17А. Лом чугунный, габаритный. Вес каждого куска – не менее полукилограмма, но не более 20 кг.
• 19А. Аналогичен предыдущему классу, но отходы негабаритные. Кроме того, допускается некоторое содержание фосфора в материале.
• 20А. Чугунный лом, наиболее негабаритная категория. Допускаются куски по пять тонн весом. Как правило, сюда входит демонтированное, списанное промышленное и военное оборудование. Как видите, классификация и свойства металлов в этой категории довольно-таки однотипны.
• 22А. И снова негабаритный чугунный лом. Отличие заключается в том, что в этом случае к категории отходов относится отслужившее и списанное сантехническое оборудование.
• Микс. Смешанный лом. Важно! Не допускается содержимое следующего типа: канаты стальные и проволока металлическая, а также оцинкованные детали.
• Оцинковка. Как понятно из названия, сюда входит весь лом, в составе которого имеются оцинкованные фрагменты.

Такова была классификация черных металлов. А сейчас мы обсудим их цветных «коллег», которые играют громадную роль во всей современной промышленности и производстве.

Цветные металлы

Так называют все прочие элементы, которые имеют металлическое атомарное строение, но при том не относятся к железу и его производным. В англоязычной литературе можно встретить термин "нежелезный металл", который является синонимичным понятием. Какая имеется классификация цветных металлов?

Бывают следующие группы, разделение которых идет сразу по нескольким признакам: легкие и тяжелые, благородные, рассеянные и тугоплавкие, радиоактивные и редкоземельные разновидности. Многие из цветных металлов вообще относятся к категории редких, так как их общее количество на нашей планете сравнительно невелико.

Применяются они для производства деталей и приборов, которые должны работать в условиях агрессивной среды, трения, или при необходимости (датчики, к примеру) обладать высокой степенью теплопроводности или проводимости электрического тока. Кроме того, они востребованы в военной, космической и авиационной отраслях, где требуется максимальная прочность при сравнительно небольшой массе.

Заметим, что особняком стоит классификация тяжелых металлов. Впрочем, как таковой ее нет, но в состав этой группы входит медь, никель, кобальт, а также цинк, кадмий, ртуть и свинец. Из них в промышленных масштабах используется только Cu и Zn, о которых мы упомянем в дальнейшем.

Алюминий и сплавы на его основе

Алюминий, «крылатый металл». Различают три его вида (в зависимости от степени химической чистоты):

• Высшая проба (особая чистота) (99,999 %).
• Высокая чистота.
• Техническая проба.

Последний вид присутствует на рынке в виде листов, разнообразного профиля и проволоки с разным сечением. Обозначается в торговле как АД0 и АД1. Учтите, что даже в алюминии высокой пробы нередко присутствуют вкрапления Fe, Si, Gu, Mn, Zn.

Сплавы

Что представляет собой классификация цветных металлов в этом случае? В принципе, ничего сложного. Существуют:

• Дюралюмины.
• Авиали.

Дюралюминами называются сплавы, в которые добавляют медь и магний. Кроме того, бывают материалы, где в качестве присадок используется медь и магний. Авиалями также называются сплавы, но они содержат намного больше добавок. Основными являются магний и кремний, а также железо, медь и даже титан.

В принципе, данный вопрос куда подробнее рассматривает материаловедение. Классификация металлов же на алюминии и его видах не заканчивается.

Медь

На сегодняшний день различают медь бескислородную (содержание чистого вещества 97,97 %) и особо чистую, вакуумную (99,99 %). В отличие от других цветных металлов, на механические и химические качества меди чрезвычайно сильно влияют даже мельчайшие примеси каких-то присадок.

Сплавы

Делятся на две большие группы. Материалы эти, к слову, известны человечеству уже не одну тысячу лет:

• Латунь. Так называется соединение меди и цинка.
• Бронза. Медный сплав, в состав которого входит уже не цинк, а олово. Впрочем, бывают и такие бронзы, в которых насчитывается до десяти присадок.

Титан

Металл этот редкий и весьма дорогой. Отличается низким весом, невероятной прочностью, малой вязкостью. Заметим, что подразделяется на несколько видов: ВТ1-00 (в этом материале количество примесей ≤ 0,10 %), ВТ1-0 (объем присадок ≤ 0,30 %). Если общая сумма посторонних примесей ≤ 0,093 %, то такой материал в производстве называют иодидным титаном.

Титановые сплавы

Сплавы этого материала делятся на два вида: деформируемые и линейные. Кроме того, различают особые их подвиды: жаростойкие, повышенной пластичности. Бывают еще упрочняемые и не упрочняемые разновидности (зависит от термической обработки).

Собственно, нами была полностью рассмотрена классификация цветных металлов и сплавов. Надеемся, что статья была вам полезна.