Сплав
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( июль 2024 г. ) |
Сплав — это смесь химических элементов , из которых в большинстве случаев хотя бы один является металлическим элементом, хотя иногда его применяют и для смесей элементов; здесь только металлические сплавы описаны . Большинство сплавов являются металлическими и обладают хорошей электропроводностью , пластичностью , непрозрачностью и блеском , а также могут иметь свойства, которые отличаются от свойств чистых элементов, таких как повышенная прочность или твердость. В некоторых случаях сплав может снизить общую стоимость материала, сохранив при этом важные свойства. В других случаях смесь придает синергетические свойства, такие как коррозионная стойкость или механическая прочность.
В сплаве атомы соединены металлическими связями, а не ковалентными связями, обычно встречающимися в химических соединениях. [ 1 ] Компоненты сплава обычно измеряются в массовом проценте для практического применения и в атомных долях для фундаментальных научных исследований. Сплавы обычно классифицируются как сплавы замещения или внедрения , в зависимости от расположения атомов, образующих сплав. Их можно далее классифицировать как гомогенные (состоящие из одной фазы), гетерогенные (состоящие из двух или более фаз) или интерметаллические . Сплав может представлять собой твердый раствор металлических элементов (одна фаза, где все металлические зерна (кристаллы) имеют одинаковый состав) или смесь металлических фаз (два или более растворов, образующих микроструктуру различных кристаллов внутри металла). .
Примеры сплавов включают красное золото ( золото и медь ), белое золото (золото и серебро ), стерлинговое серебро (серебро и медь), сталь или кремниевую сталь ( железо с неметаллическим углеродом или кремнием соответственно), припой , латунь , олово , дюралюминий , бронза и амальгамы .
Сплавы используются в самых разных областях: 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.
Характеристики
Сплав – это смесь химических элементов , образующая примесное вещество (примесь), сохраняющее характеристики металла. Сплав отличается от нечистого металла тем, что в него добавленные элементы хорошо контролируются для достижения желаемых свойств, в то время как нечистые металлы, такие как кованое железо, контролируются в меньшей степени, но часто считаются полезными. Сплавы изготавливаются путем смешивания двух или более элементов, по крайней мере один из которых является металлом. Обычно его называют первичным металлом или основным металлом, а название этого металла может также совпадать с названием сплава. Другие компоненты могут быть или не быть металлами, но при смешивании с расплавленным основанием они будут растворимы и растворятся в смеси. Механические свойства сплавов часто сильно отличаются от свойств отдельных их компонентов. Металл, который обычно очень мягкий ( ковкий ), например алюминий , можно изменить, легировав его другим мягким металлом, например медью . Хотя оба металла очень мягкие и пластичные. Полученный алюминиевый сплав будет иметь гораздо большую прочность . Добавление небольшого количества неметаллического углерода в железо меняет его большую пластичность на большую прочность сплава, называемого сталью. Благодаря своей очень высокой прочности, но при этом значительной ударной вязкости , а также способности сильно изменяться при термической обработке , сталь является одним из наиболее полезных и распространенных сплавов в современном использовании. Добавляя хром в сталь, ее устойчивость к коррозии можно повысить , создавая нержавеющую сталь , а добавление кремния изменит ее электрические характеристики, производя кремниевую сталь .
Подобно маслу и воде, расплавленный металл не всегда может смешиваться с другим элементом. Например, чистое железо почти полностью нерастворимо с медью. Даже если компоненты растворимы, каждый из них обычно имеет точку насыщения , после которой добавление компонента невозможно. Например, железо может содержать максимум 6,67% углерода. Хотя элементы сплава обычно должны быть растворимы в жидком состоянии, они не всегда растворимы в твердом состоянии. Если металлы остаются растворимыми в твердом состоянии, сплав образует твердый раствор , превращаясь в однородную структуру, состоящую из одинаковых кристаллов, называемую фазой . Если по мере охлаждения смеси компоненты становятся нерастворимыми, они могут разделиться с образованием двух или более кристаллов разных типов, создавая гетерогенную микроструктуру разных фаз, в некоторых из которых одного компонента больше, чем другого. Однако в других сплавах нерастворимые элементы могут не отделяться до тех пор, пока не произойдет кристаллизация. При очень быстром охлаждении они сначала кристаллизуются в виде гомогенной фазы, но перенасыщен второстепенными компонентами. Со временем атомы этих пересыщенных сплавов могут отделиться от кристаллической решетки, становясь более стабильными и образуя вторую фазу, которая служит для внутреннего укрепления кристаллов.
Некоторые сплавы, такие как электрум — сплав серебра и золота, — встречаются в природе. Метеориты иногда состоят из встречающихся в природе сплавов железа и никеля , но они не являются естественными для Земли. Одним из первых сплавов, изготовленных человеком, была бронза, представляющая собой смесь металлов олова и меди. Бронза была чрезвычайно полезным сплавом для древних, поскольку она намного прочнее и тверже любого из своих компонентов. Сталь была еще одним распространенным сплавом. Однако в древности он мог быть создан только как случайный побочный продукт от нагрева железной руды на пожарах ( плавке ) при производстве железа. Другие древние сплавы включают олово , латунь и чугун . В современную эпоху сталь можно создавать во многих формах. Углеродистую сталь можно производить, изменяя только содержание углерода, получая мягкие сплавы, такие как мягкая сталь , или твердые сплавы, такие как пружинная сталь . Легированные стали могут быть изготовлены путем добавления других элементов, таких как хром , молибден , ванадий или никель , в результате чего получаются такие сплавы, как быстрорежущая сталь или инструментальная сталь. . Небольшие количества марганца обычно легируются большинством современных сталей из-за его способности удалять нежелательные примеси, такие как фосфор , сера и кислород , которые могут оказывать вредное воздействие на сплав. Однако большинство сплавов, например, различные алюминия, титана , никеля и сплавы магния, не были созданы до 1900-х годов . Некоторые современные суперсплавы , такие как инколой , инконель и хастеллой , могут состоять из множества различных элементов.
Сплав технически является нечистым металлом, но когда речь идет о сплавах, термин « примеси» обычно обозначает нежелательные элементы. Такие примеси вводятся из недрагоценных металлов и легирующих элементов, но удаляются в процессе обработки. Например, сера является распространенной примесью в стали. Сера легко соединяется с железом, образуя сульфид железа , который очень хрупкий и создает слабые места в стали. [ 2 ] Литий , натрий и кальций являются распространенными примесями в алюминиевых сплавах, которые могут оказывать неблагоприятное воздействие на структурную целостность отливок. И наоборот, чистые металлы, содержащие нежелательные примеси, часто называют «нечистыми металлами» и обычно не называют сплавами. Кислород, присутствующий в воздухе, легко соединяется с большинством металлов, образуя оксиды металлов ; особенно при более высоких температурах, возникающих во время легирования. В процессе легирования часто уделяется большое внимание удалению лишних примесей с использованием флюсов , химических добавок или других методов добывающей металлургии . [ 3 ]
Теория
Легирование металла осуществляется путем объединения его с одним или несколькими другими элементами. Самый распространенный и самый старый процесс легирования выполняется путем нагревания основного металла выше его точки плавления и последующего растворения растворенных веществ в расплавленной жидкости, что может быть возможным, даже если температура плавления растворенного вещества намного выше, чем у основания. Например, в жидком состоянии титан является очень сильным растворителем, способным растворять большинство металлов и элементов. Кроме того, он легко поглощает газы, такие как кислород, и горит в присутствии азота. Это увеличивает вероятность загрязнения с любой контактирующей поверхности, поэтому его необходимо плавить в вакууме с индукционным нагревом и в специальных медных тиглях с водяным охлаждением . [ 4 ] 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, межузельное легирование) также может выполняться одним или несколькими компонентами в газообразном состоянии, например, в доменной печи для производства чугуна (жидко-газовый метод), азотированием , карбонитридированием или другими формами поверхностной закалки. (твердый газ) или процесс цементации , используемый для изготовления черновой стали (твердый газ). Это также может быть сделано с одним, несколькими или всеми компонентами в твердом состоянии, например, в древних методах сварки образцов (твердое тело), резки стали (твердое тело) или тигельной стали производства (твердое тело). жидкость), смешивая элементы посредством диффузии в твердом состоянии .
При добавлении к металлу другого элемента различия в размерах атомов создают внутренние напряжения в решетке металлических кристаллов; напряжения, которые часто усиливают его свойства. Например, сочетание углерода с железом дает сталь, которая прочнее железа, его основного элемента. Электро- . и теплопроводность сплавов обычно ниже, чем у чистых металлов Физические свойства , такие как плотность , реакционная способность , модуль Юнга, сплава могут не сильно отличаться от свойств его основного элемента, но технические свойства, такие как прочность на разрыв , [ 5 ] пластичность и прочность на сдвиг могут существенно отличаться от показателей составляющих материалов. Иногда это является результатом размеров атомов в сплаве, поскольку более крупные атомы оказывают сжимающую силу на соседние атомы, а более мелкие атомы оказывают растягивающую силу на своих соседей, помогая сплаву противостоять деформации. Иногда сплавы могут демонстрировать заметные различия в поведении даже при наличии небольших количеств одного элемента. Например, примеси в полупроводниковых ферромагнитных сплавах приводят к различным свойствам, как впервые предсказали Уайт, Хоган, Зул, Тиан Абри и Накамура. [ 6 ] [ 7 ]
В отличие от чистых металлов, большинство сплавов имеют не единую температуру плавления , а интервал плавления, при котором материал представляет собой смесь твердой и жидкой фаз (густую кашу). Температура, при которой начинается плавление, называется солидусом , а температура, при которой плавление только завершается, называется ликвидусом . Для многих сплавов существует определенная пропорция сплава (в некоторых случаях более одной), называемая либо эвтектической смесью, либо перитектическим составом, которая придает сплаву уникальную низкую температуру плавления и отсутствие перехода жидкость/твердое тело в шлак.
Термическая обработка
Легирующие элементы добавляются к основному металлу для придания твердости , ударной вязкости , пластичности или других желаемых свойств. Большинство металлов и сплавов можно упрочнить путем создания дефектов в их кристаллической структуре. Эти дефекты создаются во время пластической деформации путем штамповки, изгиба, выдавливания и т. д. и являются постоянными, если металл не рекристаллизуется . В противном случае свойства некоторых сплавов могут измениться в результате термической обработки . Почти все металлы можно размягчить путем отжига , который рекристаллизует сплав и устраняет дефекты, но не так много металлов можно закалить путем контролируемого нагрева и охлаждения. Многие сплавы алюминия, меди, магния , титана и никеля можно в некоторой степени укрепить с помощью какого-либо метода термообработки, но лишь немногие реагируют на это в такой же степени, как сталь. [ 8 ]
Основной металл железо железо-углеродистого сплава, известный как сталь, претерпевает изменение расположения ( аллотропию ) атомов своей кристаллической матрицы при определенной температуре (обычно между 820 ° C (1500 ° F) и 870 ° C ( 1600 °F), в зависимости от содержания углерода). Это позволяет более мелким атомам углерода проникать в пустоты кристалла железа. Когда происходит эта диффузия , атомы углерода, как говорят, находятся в растворе железа, образуя особую единую гомогенную кристаллическую фазу, называемую аустенитом . Если сталь охлаждать медленно, углерод может диффундировать из железа, и оно постепенно вернется к своему низкотемпературному аллотропу. Во время медленного охлаждения атомы углерода больше не будут так хорошо растворяться в железе и будут вынуждены выпадать в осадок из раствора, зарождаясь в более концентрированную форму карбида железа (Fe 3 C) в пространствах между кристаллами чистого железа. Тогда сталь становится неоднородной, так как она состоит из двух фаз: железоуглеродистой фазы, называемой цементитом (или карбидом). ) и чистый феррит железа . Такая термообработка позволяет получить довольно мягкую сталь. Однако если сталь охладить быстро, атомы углерода не успеют диффундировать и выпасть в осадок в виде карбида, а будут захвачены кристаллами железа. При быстром охлаждении происходит бездиффузионное (мартенситное) превращение , при котором атомы углерода захватываются раствором. Это приводит к деформации кристаллов железа, поскольку кристаллическая структура пытается перейти в низкотемпературное состояние, в результате чего эти кристаллы становятся очень твердыми, но гораздо менее пластичными (более хрупкими).
Хотя высокая прочность стали достигается при предотвращении диффузии и выделения (образование мартенсита), большинство термообрабатываемых сплавов представляют собой дисперсионно-твердеющие сплавы, прочность которых зависит от диффузии легирующих элементов. При нагревании с образованием раствора и последующем быстром охлаждении эти сплавы во время бездиффузионного превращения становятся намного мягче, чем обычно, но затем по мере старения затвердевают. Растворенные вещества в этих сплавах со временем выпадают в осадок, образуя интерметаллические фазы, которые трудно отличить от основного металла. В отличие от стали, в которой твердый раствор разделяется на разные кристаллические фазы (карбид и феррит), дисперсионно-твердеющие сплавы образуют в одном кристалле разные фазы. Эти интерметаллические сплавы кажутся однородными по кристаллической структуре, но имеют тенденцию вести себя неоднородно, становясь твердыми и несколько хрупкими. [ 8 ]
В 1906 году дисперсионно-твердеющие открыл Альфред Вильм сплавы . Сплавы дисперсионного твердения, такие как некоторые сплавы алюминия, титана и меди, представляют собой термообрабатываемые сплавы, которые размягчаются при закалке (быстром охлаждении), а затем со временем затвердевают. Вильм искал способ упрочнить алюминиевые сплавы для использования в гильзах для пулеметов. Зная, что алюминиево-медные сплавы в некоторой степени поддаются термической обработке, Вильм попробовал закалить тройной сплав алюминия, меди с добавлением магния, но поначалу был разочарован результатами. Однако, когда на следующий день Вильм провел повторные испытания, он обнаружил, что твердость сплава увеличилась, когда его оставили стареть при комнатной температуре, и намного превзошла его ожидания. Хотя объяснение этому явлению не было дано до 1919 года, дюралюминий был одним из первых сплавов, упрочняемых старением, став основным строительным материалом для первых цеппелинов , а вскоре за ним последовали многие другие. [ 9 ] Поскольку они часто сочетают в себе высокую прочность и малый вес, эти сплавы стали широко использоваться во многих отраслях промышленности, включая строительство современных самолетов . [ 10 ]
Механизмы
Когда расплавленный металл смешивается с другим веществом, существует два механизма, которые могут вызвать образование сплава: обмен атомами и механизм внедрения . Относительный размер каждого элемента в смеси играет первостепенную роль в определении того, какой механизм будет реализован. Когда атомы относительно схожи по размеру, обычно применяется метод обмена атомами, при котором некоторые атомы, составляющие металлические кристаллы, заменяются атомами другого компонента. Это называется сплавом замещения . Примеры сплавов замещения включают бронзу и латунь, в которых некоторые атомы меди замещены атомами олова или цинка соответственно.
При межузельном механизме один атом обычно значительно меньше другого и не может успешно замещать атом другого типа в кристаллах основного металла. Вместо этого более мелкие атомы оказываются захваченными в промежутках между атомами кристаллической матрицы. Это называется межузельным сплавом . Сталь является примером межузельного сплава, поскольку очень маленькие атомы углерода помещаются в пустоты железной матрицы.
Нержавеющая сталь является примером комбинации сплавов внедрения и замещения, поскольку атомы углерода помещаются в междоузлия, но некоторые атомы железа замещены атомами никеля и хрома. [ 8 ]
История и примеры
Метеоритное железо
Использование сплавов людьми началось с использования метеоритного железа , природного сплава никеля и железа. Это основной компонент железных метеоритов . Поскольку для отделения железа от никеля не использовались металлургические процессы, сплав использовался в том виде, в котором он был. [ 11 ] Метеоритное железо можно было выковать при помощи красного каления для изготовления таких предметов, как инструменты, оружие и гвозди. Во многих культурах ему придавали форму ножей и наконечников стрел методом холодной ковки. Их часто использовали в качестве наковальни. Метеоритное железо было очень редким и ценным, и древним людям было трудно его обрабатывать . [ 12 ]
Бронза и латунь
Железо обычно встречается на Земле в виде железной руды , за исключением одного месторождения самородного железа в Гренландии , которое использовали инуиты . [ 13 ] Однако самородная медь была обнаружена во всем мире вместе с серебром, золотом и платиной , которые также использовались для изготовления инструментов, ювелирных изделий и других предметов со времен неолита. Медь была самым твердым из этих металлов и наиболее широко распространенной. Для древних он стал одним из важнейших металлов. Около 10 000 лет назад в высокогорной Анатолии (Турция) люди научились выплавлять такие металлы, как медь и олово из руды . Около 2500 г. до н.э. люди начали сплавлять эти два металла в бронзу, которая была намного тверже, чем ее ингредиенты. Однако олово было редкостью, его находили в основном в Великобритании. На Ближнем Востоке люди начали сплавлять медь с цинком, чтобы получить латунь. [ 14 ] Древние цивилизации принимали во внимание смесь и различные свойства, которые она производит, такие как твердость , ударная вязкость и температура плавления, при различных условиях температуры и наклепа , развивая большую часть информации, содержащейся в фазовых диаграммах современных сплавов . [ 15 ] Например, наконечники стрел китайской династии Цинь (около 200 г. до н. э.) часто имели твердую бронзовую головку, но более мягкий бронзовый хвостовик, сочетание сплавов для предотвращения затупления и разрушения во время использования. [ 16 ]
Амальгама
Ртуть выплавляли из киновари на протяжении тысячелетий. Ртуть растворяет многие металлы, такие как золото, серебро и олово, с образованием амальгамы (сплава в мягкой пастообразной или жидкой форме при температуре окружающей среды). Амальгамы использовались с 200 г. до н.э. в Китае для золочения таких предметов, как доспехи и зеркала драгоценными металлами . Древние римляне часто использовали ртутно-оловянную амальгаму для позолоты своих доспехов. Амальгаму наносили в виде пасты, а затем нагревали до тех пор, пока ртуть не испарилась, оставив после себя золото, серебро или олово. [ 17 ] Ртуть часто использовалась в горнодобывающей промышленности для извлечения из руд драгоценных металлов, таких как золото и серебро. [ 18 ]
Драгоценные металлы
Многие древние цивилизации сплавляли металлы исключительно в эстетических целях. В Древнем Египте и Микенах золото часто сплавляли с медью для получения красного золота или с железом для получения яркого бордово-золотого цвета. Золото часто сплавлялось с серебром или другими металлами для получения различных типов цветного золота . Эти металлы также использовались для усиления друг друга в более практических целях. Медь часто добавляли к серебру для изготовления стерлингового серебра , увеличивая его прочность для использования в посуде, столовом серебре и других практичных предметах. Нередко драгоценные металлы сплавляли с менее ценными веществами с целью обмана покупателей. [ 19 ] Около 250 г. до н.э. Архимеду поручил король Сиракуз найти способ проверить чистоту золота в короне, что привело к знаменитым крикам в бане «Эврика!» после открытия принципа Архимеда . [ 20 ]
олово
Термин олово охватывает множество сплавов, состоящих в основном из олова. Будучи чистым металлом, олово слишком мягкое, чтобы его можно было использовать в большинстве практических целей. Однако в эпоху бронзы олово было редким металлом во многих частях Европы и Средиземноморья, поэтому его часто ценили выше, чем золото. Чтобы сделать украшения, столовые приборы или другие предметы из олова, рабочие обычно сплавляли его с другими металлами для повышения прочности и твердости. Этими металлами обычно были свинец , сурьма , висмут или медь. Эти растворенные вещества иногда добавлялись по отдельности в разных количествах или добавлялись вместе, образуя самые разнообразные предметы: 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 по всей Европе, от Франции до Норвегии и Великобритании (где добывалась большая часть древнего олова) до Ближнего Востока. [ 21 ] Сплав также использовался в Китае и на Дальнем Востоке, а около 800 года нашей эры он прибыл в Японию, где его использовали для изготовления таких предметов, как церемониальные сосуды, чайные банки или чаши, используемые в синтоистских святилищах. [ 22 ]
Железо
Первая известная выплавка железа началась в Анатолии около 1800 г. до н.э. Названный процессом цветения , он производит очень мягкое, но пластичное кованое железо . К 800 году до нашей эры технология производства железа распространилась в Европу и прибыла в Японию около 700 года нашей эры. Чугун , очень твердый, но хрупкий сплав железа и углерода, производился в Китае еще в 1200 году до нашей эры, но не появился в Европе до средневековья. Чугун имеет более низкую температуру плавления, чем железо, и использовался для изготовления чугуна . Однако эти металлы не находили практического применения до появления тигельной стали около 300 г. до н.э. Эти стали были низкого качества, и введение шаблонной сварки примерно в I веке нашей эры было направлено на то, чтобы сбалансировать экстремальные свойства сплавов путем их ламинирования, чтобы создать более прочный металл. Около 700 года нашей эры японцы начали складывать цветную сталь и чугун чередующимися слоями, чтобы увеличить прочность своих мечей, используя глиняные флюсы для удаления шлака и примесей. Этот метод японского изготовления мечей производил один из самых чистых стальных сплавов древнего мира. [ 15 ]
Хотя использование железа стало более распространенным примерно в 1200 г. до н.э., в основном из-за перебоев в торговых путях олова, металл был намного мягче бронзы. Однако очень небольшое количество стали (сплав железа и около 1% углерода) всегда было побочным продуктом процесса цветения. Возможность изменять твердость стали путем термообработки была известна еще с 1100 г. до н. э., а редкий материал ценился для изготовления инструментов и оружия. Поскольку древние люди не могли обеспечить достаточно высокие температуры, чтобы полностью плавить железо, производство стали в приличных количествах не происходило до тех пор, пока не появилась черновая сталь в средние века . В этом методе углерод вводился путем нагревания кованого железа в древесном угле в течение длительного периода времени, но поглощение углерода таким способом происходит чрезвычайно медленно, поэтому проникновение не было очень глубоким, поэтому сплав не был однородным. В 1740 году Бенджамин Хантсман начал плавить черновую сталь в тигле, чтобы выровнять содержание углерода, создав первый процесс массового производства стали. инструментальная сталь . Процесс Хантсмана использовался для производства инструментальной стали до начала 1900-х годов. [ 23 ]
Появление доменной печи в Европе в средние века означало, что люди могли производить чугун в гораздо больших объемах, чем кованое железо. Поскольку чугун можно было плавить, люди начали разрабатывать процессы снижения содержания углерода в жидком чугуне для создания стали. Пудлинг использовался в Китае с первого века и был завезен в Европу в 1700-х годах, где расплавленный чугун перемешивали на воздухе, чтобы удалить углерод путем окисления . В 1858 году Генри Бессемер разработал процесс производства стали путем продувки горячего воздуха через жидкий чугун для снижения содержания углерода. Бессемеровский процесс привел к первому крупномасштабному производству стали. [ 23 ]
Сталь представляет собой сплав железа и углерода, но термин « легированная сталь» обычно относится только к сталям, которые содержат другие элементы, такие как ванадий , молибден или кобальт , в количествах, достаточных для изменения свойств базовой стали. С древних времен, когда сталь использовалась в основном для изготовления инструментов и оружия, методы производства и обработки металла часто тщательно охранялись. Даже спустя долгое время после эпохи Просвещения сталелитейная промышленность была очень конкурентоспособной, и производители приложили все усилия, чтобы сохранить конфиденциальность своих процессов, сопротивляясь любым попыткам научного анализа материала из опасения, что это раскроет их методы. Например, известно, что жители Шеффилда , центра производства стали в Англии, регулярно запрещали посетителям и туристам въезд в город, чтобы предотвратить промышленный шпионаж . Таким образом, почти никакой металлургической информации о стали не существовало до 1860 года. Из-за этого непонимания 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 стальных сплавов. [ 24 ] [ 25 ]
После того, как Бенджамин Хантсман разработал свою тигельную сталь в 1740 году, он начал экспериментировать с добавлением таких элементов, как марганец (в форме чугуна с высоким содержанием марганца, называемого spiegeleisen ), который помогал удалять примеси, такие как фосфор и кислород; процесс, принятый Бессемером и до сих пор используемый при производстве современных сталей (хотя и в достаточно низких концентрациях, чтобы считаться углеродистой сталью). [ 26 ] После этого многие люди начали без особого успеха экспериментировать с различными сплавами стали. Однако в 1882 году Роберт Хэдфилд , пионер металлургии стали, заинтересовался и произвел стальной сплав, содержащий около 12% марганца. Названный мангаллой , он продемонстрировал чрезвычайную твердость и вязкость, став первой коммерчески жизнеспособной легированной сталью. [ 27 ] После этого он создал кремниевую сталь, начав поиск других возможных сплавов стали. [ 28 ]
Роберт Форестер Мюше обнаружил, что добавление вольфрама в сталь позволяет получить очень твердую кромку, которая не потеряет твердости при высоких температурах. стала «Особая сталь Р. Мушета» (РМС) Первой быстрорежущей сталью . [ 29 ] Сталь Мушета была быстро заменена сталью из карбида вольфрама , разработанной Тейлором и Уайтом в 1900 году, в которой они удвоили содержание вольфрама и добавили небольшое количество хрома и ванадия, получив сталь превосходного качества для использования в токарных станках и обрабатывающих инструментах. В 1903 году братья Райт использовали хромоникелевую сталь для изготовления коленчатого вала для своего авиадвигателя, а в 1908 году Генри Форд начал использовать ванадиевые стали для таких деталей, как коленчатые валы и клапаны в своей модели T Ford , из-за их более высокой прочности и устойчивости к механическим воздействиям. высокие температуры. [ 30 ] В 1912 году металлургический завод Круппа в Германии разработал устойчивую к ржавчине сталь, добавив 21% хрома и 7% никеля, в результате чего была произведена первая нержавеющая сталь. [ 31 ]
Другие
Из-за их высокой реакционной способности большинство металлов были открыты только в 19 веке. Способ извлечения алюминия из бокситов был предложен Хамфри Дэви в 1807 году с использованием электрической дуги . Хотя его попытки не увенчались успехом, к 1855 году на рынок поступили первые продажи чистого алюминия. Однако, поскольку добывающая металлургия все еще находилась в зачаточном состоянии, большинство процессов извлечения алюминия давали непреднамеренные сплавы, загрязненные другими элементами, обнаруженными в руде; наиболее распространенной 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 в небольшой степени оказались пригодными для термообработки. [ 32 ] Однако из-за своей мягкости и ограниченной прокаливаемости эти сплавы не нашли практического применения и были скорее новинкой, пока братья Райт не использовали алюминиевый сплав для создания первого авиационного двигателя в 1903 году. [ 30 ] В период между 1865 и 1910 годами были открыты процессы извлечения многих других металлов, таких как хром, ванадий, вольфрам, иридий , кобальт и молибден, а также были разработаны различные сплавы. [ 33 ]
До 1910 года исследования в основном проводились частными лицами, работавшими в собственных лабораториях. Однако с началом роста авиационной и автомобильной промышленности исследования сплавов в годы после 1910 года стали промышленной инициативой, поскольку были разработаны новые магниевые сплавы для поршней и колес автомобилей, чугунная керамика для рычагов и ручек, а также алюминиевые сплавы для планеры и обшивки самолетов . были приняты в эксплуатацию [ 30 ] Компания Doehler Die Casting Co. в Толедо, штат Огайо, была известна производством Brastil , высокопрочного коррозионно-стойкого бронзового сплава. [ 34 ] [ 35 ]
См. также
Ссылки
- ^ Каллистер, В.Д. «Материаловедение и инженерия: Введение», 2007 г., 7-е издание, John Wiley and Sons, Inc., Нью-Йорк, раздел 4.3 и глава 9.
- ^ Верховен, Джон Д. (2007). Металлургия стали для неметаллургов . АСМ Интернешнл. п. 56. ИСБН 978-1-61503-056-9 . Архивировано из оригинала 5 мая 2016 г.
- ^ Дэвис, Джозеф Р. (1993) Справочник по специальности ASM: Алюминий и алюминиевые сплавы . АСМ Интернешнл. п. 211. ISBN 978-0-87170-496-2 .
- ^ Справочник по металлам: Свойства и выбор. Автор: ASM International – ASM International, 1978. Страница 407.
- ^ Миллс, Адельберт Филло (1922) Строительные материалы: их производство и свойства , John Wiley & Sons, Inc, первоначально опубликовано Университетом Висконсина, Мэдисон.
- ^ Хоган, К. (1969). «Плотность состояний изоляционного ферромагнитного сплава». Физический обзор . 188 (2): 870–874. Бибкод : 1969PhRv..188..870H . дои : 10.1103/PhysRev.188.870 .
- ^ Чжан, X.; Зуль, Х. (1985). «Удвоение периода спиновых волн и хаос при поперечной накачке». Физический обзор А. 32 (4): 2530–2533. Бибкод : 1985PhRvA..32.2530Z . дои : 10.1103/PhysRevA.32.2530 . ПМИД 9896377 .
- ^ Jump up to: а б с Доссетт, Джон Л.; Бойер, Ховард Э. (2006) Практическая термообработка . АСМ Интернешнл. стр. 1–14. ISBN 1-61503-110-3 .
- ↑ «Металлургия для неметаллургов» , Гарри Чендлер – ASM International, 1998, стр. 1–3
- ^ Джейкобс, MH. Упрочнение осаждением. Архивировано 2 декабря 2012 г. в Wayback Machine . Университет Бирмингема. ТАЛАТ Лекция 1204. Slideshare.net
- ^ Рикард, Т.А. (1941). «Использование метеоритного железа». Журнал Королевского антропологического института . 71 (1/2): 55–66. дои : 10.2307/2844401 . JSTOR 2844401 .
- ^ Бухвальд , стр. 13–22.
- ^ Бухвальд , стр. 35–37.
- ^ Бухвальд, стр. 39–41.
- ^ Jump up to: а б Смит, Сирил (1960) История металлографии . МТИ Пресс. стр. 2–4. ISBN 0-262-69120-5 .
- ↑ Армия призраков Императора. Архивировано 1 ноября 2017 г. в Wayback Machine . pbs.org. ноябрь 2014 г.
- ^ Рэпп, Джордж (2009). Археоминералогия. Архивировано 28 апреля 2016 г. в Wayback Machine . Спрингер. п. 180. ISBN 3-540-78593-0
- ^ Мискимин, Гарри А. (1977) Экономика Европы позднего Возрождения, 1460–1600 гг. Архивировано 5 мая 2016 г. в Wayback Machine . Издательство Кембриджского университета. п. 31. ISBN 0-521-29208-5 .
- ^ Николсон, Пол Т. и Шоу, Ян (2000) Древнеегипетские материалы и технологии . Архивировано 2 мая 2016 г. в Wayback Machine . Издательство Кембриджского университета. стр. 164–167. ISBN 0-521-45257-0 .
- ^ Кей, Мелвин (2008) Практическая гидравлика. Архивировано 3 июня 2016 г. в Wayback Machine . Тейлор и Фрэнсис. п. 45. ISBN 0-415-35115-4 .
- ^ Халл, Чарльз (1992) Олово . Публикации Шира. стр. 3–4; ISBN 0-7478-0152-5
- ^ Бринкли, Фрэнк (1904) Япония и Китай: Япония, ее история, искусство и литература . Оксфордский университет. п. 317
- ^ Jump up to: а б Робертс, Джордж Адам; Краусс, Джордж; Кеннеди, Ричард и Кеннеди, Ричард Л. (1998) Инструментальные стали. Архивировано 24 апреля 2016 г. в Wayback Machine . АСМ Интернешнл. стр. 2–3. ISBN 0-87170-599-0 .
- ^ Шеффилд Стил и Америка: век коммерческой и технологической независимости Джеффри Твидейл – Cambridge University Press, 1987, стр. 57–62
- ^ Экспериментальные методы в области материалов и механики К. Сурьянараяна – CRC Press 2011 с. 202
- ↑ Tool Steels, 5-е издание Джорджа Адама Робертса, Ричарда Кеннеди, Г. Краусса – ASM International, 1998, с. 4
- ^ Брамфитт, Б.Л. (2001). Руководство металлографа: Практика и процедуры обработки чугуна и стали . АСМ Интернешнл. стр. 13–. ISBN 978-1-61503-146-7 . Архивировано из оригинала 2 мая 2016 г.
- ^ Шеффилд Стил и Америка: век коммерческой и технологической независимости Джеффри Твидейл – Cambridge University Press, 1987, стр. 57–62
- ^ Шеффилд Стил и Америка: век коммерческой и технологической независимости Джеффри Твидейл – Cambridge University Press, 1987, стр. 66–68
- ^ Jump up to: а б с Металлургия для неметаллургов , Гарри Чендлер - ASM International, 1998, стр. 3–5.
- ^ Шеффилд Стил и Америка: век коммерческой и технологической независимости Джеффри Твидейл – Издательство Кембриджского университета, 1987 г., стр. 75
- ^ Алюминий: его история, появление, свойства, металлургия и применение Джозеф Уильям Ричардс - Генри Кэри Бэрд и компания, 1887 г., стр. 25–42
- ^ Металлургия: 1863–1963 , автор: WH Dennis – Routledge, 2017.
- ^ «Коллекция компании Дёлер-Джарвис, MSS-202» . www.utoledo.edu . Проверено 16 августа 2024 г.
- ^ Инженерные сплавы Уолдмана, 9-е издание 1936 г., Американское общество металлов, ISBN 978-0-87170-691-1
Библиография
- Бухвальд, Вагн Фабрициус (2005). Железо и сталь в древности . Королевское датское общество наук. ISBN 978-87-7304-308-0 .
Внешние ссылки
- Робертс-Остин, Уильям Чендлер ; Невилл, Фрэнсис Генри (1911). . Британская энциклопедия (11-е изд.).
- . Американская Циклопедия . 1879.
