Металлы и сплавы в современной технике
В технике используют обычно не чистые металлы, а сплавы, потому чистые металлы в большинстве своем не имеют всех свойств, необходимых для практического применения. Алюминий – легкий, но непрочный металл, не имеющий достаточной твердости. Чтобы повысить твердость и прочность алюминия, добывают его сплав с такими металлами, как медь, магний, марганец. Золото хорошее, но очень пластичное. Изделия из чистого золота легко деформируются, стираются, поэтому для изготовления ювелирных изделий применяют сплав золота с медью.
Металлы в расплавленном состоянии растворяются друг в друге и при охлаждении образуется твердый раствор – или сплав.
Сплавы – это системы из двух или более металлов, а также металлов и неметаллов.
Основой сплавов служат такие металлы как железо, медь, алюминий, магний, титан. Из неметаллов важными компонентами являются углерод, бор, кремний и др.
Примеси металлов затрудняют перемещение свободных электронов в результате чего снижается электропроводность металлов.
Сплавы бывают твердые и мягкие, тугоплавкие, легкоплавкие, жаростойкие, кислотостойкие, стойкие к действию щелочей.
Современная техника использует более 5000 сплавов. Особенно выделяются алюминиевые сплавы:
1) дюралюминий (от французского слова dur – твердый и aluminium – твердый алюминий). Дюралюминий в своем составе может содержать:
а) 1,4-13% Cu;
б) 0,4-2,8% Mg;
в) 0,2-1% Mn;
г) 5-7% Zn;
д) 0,8-1,8% Fe;
е) 0,02-0,35% Ti, иногда 0,5-6% Si.
Дюралюминий прочный и легкий, теплопроводный, коррозионно устойчивый используют в авиастроении для изготовления деталей турбореактивных двигателей;
2) магналии – сплавы алюминия с большим содержанием магния (5-13%), Mn (0,2-1,6%), Ni (1,75-2,25%), Be (до 0,15%), Ti (до 0,2%), Zr (0,2%) иногда Zn (3,5-4,5%). Магналий отличается высокой прочностью и устойчивостью к коррозии в пресной и даже в морской воде, устойчивы к кислотам. Применяют для изготовления арматуры строительных сооружений, деталей холодильных установок, декоративных бытовых предметов, в авиа-, судо- и машиностроении;
3) силумины – сплавы на основе алюминия с высоким содержанием Si. В состав силуминов входят: Si (3-26%), Cu (1-4%), Mg (0,2-1,5%), Mn (0,2-0,9%), Ni (0,8 -2%) иногда Zn (2-4%), Cr (0,1-0,4%), Ti (0,05-1,5%) и др. Силумины используют в авиастроении, вагоностроении, автомобилестроении, строительстве сельскохозяйственных машин, деталей колес, корпусов и деталей приборов;
4) САП – сплав Al и Al2O3 (20-22%) обладает повышенной устойчивостью к окислению, неизменный там, где температура эксплуатации превышает 400 ° C.
Источник
Созданы новые металлы и сплавы с уникальными свойствами – интеллектуальные материалы
Изделиями из металлов пронизана вся жизнь современной цивилизации. Конкурировать с ними пытаются новые материалы: пластмассы, полимеры, керамика, и совершенно новые составы, аналогов которых не было в природе. Но в лабораториях непрерывно создаются все новые металлы и сплавы, включая и из семейства интеллектуальных материалов, которые порою обладают уникальными свойствами.
Прежде, чем перейти к новым и часто уникальным материалам, вспомним характеристики, что такое сплав. Сплав представляет собой комбинацию металла по меньшей мере с одним другим металлом или не металлом. Комбинация двух или более компонентов должна быть частью твердого раствора, соединения или смеси с другим металлом или неметаллом, чтобы ее можно было считать сплавом. Наиболее распространенный способ объединения металлов в сплав — это плавить их, смешивать их, а затем дать им затвердеть и остыть до комнатной температуры.
Почему используются сплавы?
Металлические сплавы используются потому, что они обычно имеют улучшенные механические или химические свойства. Легирующие элементы могут быть добавлены к металлу для увеличения ряда свойств, включая твердость, прочность, коррозионную стойкость, обрабатываемость и многое другое.
Что такое обычные сплавы?
Сплавов так много в металлообрабатывающей промышленности, что их очень сложно даже перечислять. На практике значительно реже работать с нелегированным или «чистым металлом». Даже низкоуглеродистая мягкая сталь — возможно, наиболее часто используемый материал при изготовлении металлов — это сплав железа и углерода. Чугун — это еще один сплав железа и углерода, содержание углерода в котором даже выше, чем у мягкой стали.
А сейчас перейдем к непосредственной теме о новом в металлах и сплавах.
В августе 2018 сообщили (Sandia National Laboratories), что команда материаловедов разработала новый платиново-золотой сплав, который считается самым износостойким металлом в мире. Он в 100 раз прочнее, чем высокопрочная сталь, что делает его первым сплавом или комбинацией металлов того же класса, что и алмаз и сапфир, самые износостойкие природные материалы.
А журнал Science Advances сообщил о сплаве золота и титана, который в четыре раза тверже исходного материала- титана и главное- самый твердый материал, совместимый с живыми тканями. Поэтому это уникальная работа в Университета Райс, Хьюстон для создания медицинских имплантатов будущего поколения, прежде всего для зубных кабинетов и клиник, и для ортопедии суставов.
Журнал Nature, как это часто бывает, сообщает о новом меняющемся кристалле металла, созданном учеными в университете Миннесоты, США.
Если бы это был просто материал…, нет это уже прототип семейства интеллектуальных материалов которые могут использоваться в подотраслях, начиная от электроники для космических аппаратов до реактивных двигателей.
Названный как «мартенсит» («martensite»), кристалл имеет два различных механизма плавного переключения атомов между ними.
Это позволяет изменить его форму десятки тысяч раз, когда он нагревается и охлаждается без всякого ухудшения его характеристик, в отличие от существующих технологий.
В настоящее время образцы металла мартенсит выполнены из легированной смеси никеля и титана. Они имеют замечательную способность «помнить» свою форму и даже после деформации вернутся к своей первоначальной форме.
Они были использованы в оболочках проводов, но также и в хирургии для формирования основы исцеления поврежденных костей, а также «стентов» для открытых артерий.
Мартенситные металлы меняют форму при нагревании или охлаждении при определенной температуре, когда атомы, которые составляют их структуру, внезапно перестраиваются в другом порядке.
Изменчивая форма умного металла для шевронов на задней части двигателя, может заставить его работать более спокойно.
Такое преобразование означает, что мартенсит может быть использован в интеллектуальных механизмах, которые реагируют на изменение температуры.
Примеры включают автоматические окна — открывалки в теплицах, средства для автоматической ориентировки направления солнечных панелей, вплоть до использования их в космических телескопах. Совсем недавно, предложено использование разработки в задней кромке капота самолета «Boeing 787» чтобы сделать более тихим рев двигателя при взлете.
Пока еще в мартенситах до конца не устранена проблема, когда после повторного изменения формы, могут возникнуть напряжения внутри, что ухудшает их свойства, и в некоторых случаях разорвать их на части. Но разработанный новый сплав из смеси цинка, золота и меди, изменяет форму почти до бесконечности с небольшим внутренним напряжением, открывая новые области применения для этих типов «активных материалов».
Следующей целью становится применить уроки, извлеченные из создания и эксплуатации нового металла, чтобы сделать семью керамических твердых веществ, которые также могут менять свою форму туда и обратно.
Стало вполне возможным сделать устройства, которые преобразуют тепло в электричество напрямую. Они могли бы использовать отработанное тепло от компьютеров и сотовых телефонов, чтобы зарядить аккумулятор и сделать их более эффективными.
Ученые пишут, что кристаллы можно увидеть на его поверхности металла в виде постоянно меняющихся узоров, и как микроскопических рек.
Структуры совмещаются без конфликтов между ними, и это, кажется, ключ к их долговечности и большому потенциалу. Новые материалы также могут быть использованы в усовершенствованных и эффективных микроэлектромеханических системах — устройствах сбора энергии, в котором малые колебания могут быть преобразованы непосредственно в энергию. Такого рода вещи уже используются в системах мониторинга давления шин в автомобилях для питания электронных датчиков.
Представленный материал дает обильную пищу для новаций всем сферам бизнеса в области производства, совершенствования технологий, и оказания новых инновационных услуг. Но, чтобы не пришлось изготовливать, за чтобы не пришлось браться, как в быту, на даче, так и на стройке, в производстве, в автосервисе, не обойтись без проверенных временем металлов: металлопроката, уголка и других, в частности, вот здесь kt-stal.com.ua/.
Не только в университете Минесоты создают инновационные металлы. В Йельском университете разработали металлические сплавы, которые легко поддаются формованию и еще … прочнее стали. Новые материалы по цене такие же, как высокого класса стали, но они могут быть обработаны так же дешево, как и пластик.
Если речь зашла о ценах, то назовем одну из них на сплав с содержанием алюминия. Так цена за сплав LME Aluminium Alloy 3M стоит в среднем 1190-1200 долларов за одну метрическую тонну.
Кстати, если в в нанозернистом алюминии вместо проблемных дефектов «упаковки» получить двойные границы путем формирования фазы 9R бомбардировкой ультратонкой алюминиевой пленки крошечными микрочастицами из диоксида кремния, используя технику испытания удара снаряда лазером, путем введения атомов железа в кристаллическую структуру алюминия с помощью процедуры, называемой магнетронным распылением, то покрытия из алюминиево-железных сплавов оказались одними из самых прочных алюминиевых сплавов, когда-либо созданных, сравнимых с высокопрочными сталями.
Продолжая тему новых сплавов и что это такое, подоспела и еще одна революционная статья. Металлы дадут, скорее всего, новые инновационные двигатели из опилок.
Все течет, все изменяется, и наука дает все новые и удивительные материалы, технологии и решения. 
Что может быть нового в цементе, кроме повышения его прочности морозостойкости? А как вам цемент, который светится в темноте? Представили такое здание? Такой цемент уже есть, и его создали мексиканские ученые из университета UMSNH г. Морелия, который генерирует собственный свет.
Белок и сера станут основой для бетона для производства конструкций для поселений на Марсе, где вода является дефицитом, утверждают исследователи из Северо-Западного университета США.
Бетонные изделия могут накапливать дефекты и нуждаться в ремонте, особенно армированные материалы внутри. Ну что же, давайте их ремонтировать на ходу, рещила компания TU Delft, и разработала формулу бетона, которая позволяет отливать бетонные изделия без пропуска воды к арматуре при появлении в нем трещин.
А вот группа исследователей из Королевского технологического института в Стокгольме недавно разработала Optically Transparent Wood (TW) — новый материал, на основе процесса по химическому удалению лигнина из дерева, что делает его очень белым.
Следующее решение в области строительных материалов делает ненужными кондиционеры. Ученые в Институте передовой архитектуры Каталонии — IAACсоздали новый материал под названием Hydroceramics. Он состоит из пузырьков гидрогеля, которые способны удерживать в воде до 400 раз больше их объема. Благодаря этому свойству сферы поглощают жидкость, а в жаркие дни их содержимое испаряется, снижая температуру помещения.
Исследователи из Технологического института Мельбурна (широко известного как Университет RMIT) вообще посходили с ума. Они кирпичи из глины заполняют около 1 процента его объема окурками. Кирпич при этом легче и решена проблема утилизации окурков от сигарет. Вот бы эти кирпичи хотя бы в самые курящие страны, включая Россию.
Используя плавучие доки из полиэтилена высокой плотности, уже строят причалы на берегах моря, как это сделано над водой озера Исео в Италии (фото).
Компания Komatsu Seiren Fabric Laboratory из Японии создала новое термопластическое углеродное волокно под названием CABKOMA Strand Rod, которое легкое, заменяет сталь в арматуре в антисейсмичных конструкциях.
Мебель часто надоедает. Мы покупаем новую, но что делать со старой. А что если новую мебель сделать биоразлагаемой, например, из компоста? Задумано…, сделано- компаниями Terreform ONE и Genspace, да так, что некоторые образцы дачной мебели можно свернуть при желании трубкой.
Дышащий кирпич (Breathe Brick) поглощает загрязнения становится отличным элементом в системе вентиляции зданий.
А компания Glassolutions предлагает усиленные тепло-и звукоизолирующее, огнестойкое стекло, включая и из стеклокерамики. Нельзя здесь не упомянуть и новичка среди стеклянных изделий- монохромного стекла, которое темнеет в ответ на электрический заряд, предлагая полный контроль за передачей солнечной энергией и теплопередачей в зданиях.
На этом и закончим пока рассказ о новых металлах и сплавах с уникальными свойствами, часть из которых прототипы семейства интеллектуальных материалов.
Источник
Современные технологии сварки и их применение
Автор: Александр Ситников, специально для Equipnet.ru
Фотографии с сайта aztpa.ru, tehsovet.ru
И стория неразъемного соединения металлов путём их нагревания и динамического воздействия друг на друга, начинается с бронзового века. Такой процесс сейчас мы называем сваркой, которая стала обретать современные черты в конце XVIII века благодаря итальянцу А. Вольту, впервые получившему вольтов столб. Впоследствии он был усовершенствован русским физиком В.В.Петровым в электрическую дугу. Но только 80 лет спустя Н. Н. Бенардосу удалось воплотить их достижения в дуговую сварку угольным электродом. С этого момента начинается неразрывная череда изобретений новых методов.
В наше время сварку классифицируют по категориям: термическая (сварочная дуга, электродуговая, газопламенная, электрошлаковая, плазменная, электронно-лучевая, лазерная), термомеханическая (точечная, стыковая, рельефная, диффузионная, кузнечная, сварка высокочастотными токами, трением) и механическая (сварка взрывом и ультразвуком).
Качество швов при гибридной лазерной сварке конструкционных сталей объемных сотовых панелей в СО2 с параллельным использованием плавящего электрода несоизмеримо выше, чем в традиционных технологиях; существенной является и скорость сварки – 40. 450 м/ч при управляемом лазерном излучении от 1,5 до 4,0 квт. Безусловным преимуществом данного метода можно считать режим высокоскоростной сварки тонких листов стали, что представляет интерес для автомобильной промышленности.
Для высокопроизводительной сварки крупногабаритных конструкций из толстолистовой (d> 30мм) закаливающейся стали 30ХГСА был разработан метод двухдуговой сварки, который основан на совместном использовании двух высоколегированных сварочных проволок различного состава диаметром 5 мм. Сварка производится под керамическим флюсом марки АНК-51А. Как показали результаты испытаний, этот метод резко улучшает качество сварного соединения.
Еще одним стимулом разработки и внедрения новых методов сварки является сварочное соединение композиционных материалов, основанием которых служит металлическая матрица с волокнистым или дисперсным упрочнением. Но особую сложность представляет собой сварочное соединение последних со сталью или титаном. В этом плане интересен метод сварки-пайки, при котором на поверхность деталей наносят промежуточный сплав, а сварка производится сжатием под напряжением на точечных, рельефных или конденсаторных машинах. Для сварки тонколистовых композитов на алюминиевой подошве с волокнистым упрочнением или дисперсно-упрочненных частиц SiC, Аl2O3 и С используют аргоно-дуговую сварку с промежуточными вставками.
Прочность сварочных нахлесточных швов составляет 70% от прочности композита, но учитывая высокую прочность самого композита (до 1500 МПа) в сравнении с высокопрочными алюминиевыми сплавами (>700 МПа), следует отметить, что метод сварки-пайки позволяет создавать надежные и, что важно, легкие конструкции. Это делает его незаменимым в авиационной и аэрокосмической промышленности.
Достаточно сложным материалом для качественной и герметичной сварки является конструкционный чугун. Современные технологии его сварки базируются на применении специальной тонкой проволоки марки ПАHЧ-11из сплава на никелевой основе, главным достижением которых является низкое тепловыделение. Особенно это актуально для тонкостенных деталей, учитывая хрупкость чугуна, как материала. Поскольку сварочный шов, получаемый при этой технологии, представляет собой высокопластичный железоникелевый сплав, то разрушение конструкции, как правило, происходит по чугуну, а не по шву, что характерно для традиционной дуговой сварки. Подобный метод позволяет изготавливать чугунные конструкции ответственного назначения.
Другим металлом представляющим сложность при сварочных работах, безусловно, является титан, его альфа и альфа+бета сплавы. Очевидным прорывом в этой области стала разработка метода магнитоуправляемой электрошлаковой сварки (МЭС), позволяющего соединять крупногабаритные детали при изготовлении центропланов самолетов, кареток крыла, траверс шасси, шпангоутов и силовых переборок морских судов. Такая сварка осуществляется в шлаковых и металлических ваннах током до 12000А и напряжением на электродах до 36 В и обеспечивает высокое качество швов при толщине свариваемых кромок 30-600 мм, благодаря очистке метала шва от примесей и газовых пор. Это позволяет использовать технику, изготовленную с помощью метода МЭС, в условиях гигантских динамических и статических нагрузок.
Большое будущее инженеры сулят программированию сварки и, прежде всего, тепловложению. Этот метод базируется на электроннолучевом принципе, успешно применяется для соединения высокопрочных алюминиевых сплавов. Программирование тепловложения производится в контуре разверстки пучка, что позволяет контролировать и управлять проплавление, форму, исключить образование трещин и пор в металле шва. Очевидным преимуществом является гарантированный шов при соединении алюминиевых сплавов в ответственных высоконагруженных машинах и узлах, что особенно важно в самолётостроении.
К новым технологиям, которые являются предметом настоящего обзора EquipNet.ru, следует отнести инновационный метод орбитальной аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом (ОАСВЭ) сложных деталей, к примеру, неповоротных стыков труб диаметром от 20 до 1440 мм. Активирующий флюс наносится 1 г/м шва, что способствует решению ряда важных технологических задач: во-первых, сварка ведётся пониженным током, позволяющим уменьшить объем и вес сварочной ванны; во-вторых, качественный шов в любом пространственном положении обеспечивается регулированием давления дуги на жидкий металл; в-третьих, сварка может быть автоматизирована без разделки кромки. Этот метод (ОАСВЭ) эффективен для стыков труб с толщиной до 6мм, свыше – его использует в комбинации с другими методами и только для формирования корневого шва.
Интересным представляются щадящие технологии сварки в смесях защитных газов Ar+CO2 и Ar+O2+CO2. Шов получается более качественным в сравнении со сваркой в СО2, расход проволоки на 20 % экономичнее стандартных схем, переход к свариваемым деталям становится плавным, при этом резко снижается набрызгивание электродного металла.
Среди новых методов, получивших широкое практическое распространение, является метод двухкомпонентной сварки для бесстыкового железнодорожного пути, основанный на литьевом способе сварки, что позволяет решать достаточно противоречивые задачи, т.е. обеспечить заданную пластичность металла шва при необходимой износостойкости.
Подобная технология сложна, поскольку требует использования расплавленной стали, которая заливается в зазор рельсового стыка. Для обеспечения высокой вязкости используется низколегированная плавка, а вот для придания требуемой износостойкости применяют специальные керамические накладки, отделяющие легирующие добавки от основного металла. После заполнения стыка расплавленной сталью, керамические накладки разрушаются, и легирующие добавки расплавляются в верхней части стыка, придавая головке шва повышенную износостойкость.
Идея обуздать «короткое замыкание» и запрячь его для сварки не нова, однако только специалистам компанией «Линкольн Электрик» удалось ее реализовать на практике. Этот метод сварки корней шва получил название «Перенос силами Поверхностного Натяжения» (STT) и базируется на высокоскоростных инверторных источников тока и микропроцессорах. В процессе сварки переменным, но управляемым является и ток, и напряжение, что существенно расширяет возможности данного метода.
Современная наука является многогранной, позволяет использовать преимущества нанотехнологий, поэтому будущее сварки видится в совершенствовании схем компьютерного управления и внедрении новых сварочных материалов.
Источник