Страница 154 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Что такое сплавы и как их классифицируют?

Решение

Что такое сплавы

Сплавы — это макроскопически однородные металлические материалы, состоящие из двух или более химических элементов, из которых как минимум один является металлом. Сплавы обладают характерными металлическими свойствами, такими как высокая электро- и теплопроводность, пластичность, ковкость, металлический блеск. Они создаются путем смешивания компонентов, как правило, в расплавленном состоянии, с последующим их затвердеванием. Основная цель создания сплавов — получение материалов с заданными свойствами (например, повышенной прочностью, твердостью, коррозионной стойкостью, жаропрочностью), которые отличаются от свойств чистых металлов, входящих в их состав.

Как их классифицируют

Существует множество способов классификации сплавов, основанных на различных признаках. Основные из них:

• По основному металлу (металлу-основе)

  Это наиболее распространенный принцип, разделяющий все сплавы на две большие группы:

  • Чёрные сплавы (на основе железа): Самая массовая группа сплавов. К ним относятся стали (сплавы железа с углеродом, где содержание углерода до 2,14 %) и чугуны (сплавы железа с углеродом, где содержание углерода свыше 2,14 %).
  • Цветные сплавы (на основе других металлов):
    • Медные сплавы: латуни (медь с цинком), бронзы (медь с оловом, алюминием, кремнием и др.).
    • Алюминиевые сплавы: дюралюминий (алюминий с медью и магнием), силумины (алюминий с кремнием). Отличаются лёгкостью.
    • Титановые сплавы: Обладают высокой прочностью, коррозионной стойкостью и жаропрочностью при малой плотности.
    • Никелевые сплавы: Например, нихром (никель с хромом), монель (никель с медью).
• По количеству компонентов
  • Двойные (бинарные): состоят из двух компонентов (например, железо-углерод).
  • Тройные: состоят из трёх компонентов (например, железо-хром-никель).
  • Многокомпонентные: состоят из четырёх и более компонентов.
• По назначению и свойствам
  • Конструкционные: применяются для изготовления деталей машин, строительных конструкций (большинство сталей, алюминиевые и титановые сплавы).
  • Инструментальные: для изготовления режущего, измерительного, штампового инструмента (инструментальные стали, твердые сплавы).
  • Сплавы с особыми физическими и химическими свойствами: жаропрочные (сохраняют прочность при высоких температурах), коррозионно-стойкие (нержавеющие), антифрикционные (подшипниковые), легкоплавкие (припои), с высоким электрическим сопротивлением и др.
• По технологии производства
  • Литейные: предназначенные для получения фасонных отливок (например, литейные чугуны, силумины).
  • Деформируемые: предназначенные для обработки давлением (ковка, штамповка, прокатка) (например, многие стали, дюралюминий).
  • Порошковые (спеченные): получаемые методами порошковой металлургии.
• По структуре (фазовому составу) в твердом состоянии

  Эта классификация основана на взаимодействии компонентов в твердом состоянии и описывается диаграммами состояния.

  • Твердые растворы: атомы одного компонента размещаются в кристаллической решетке другого, образуя единую фазу.
  • Механические смеси: компоненты сплава нерастворимы или ограниченно растворимы друг в друге в твердом состоянии и существуют в виде отдельных кристаллитов (зёрен) различных фаз.
  • Химические соединения (интерметаллиды): компоненты образуют химическое соединение с собственной, отличной от исходных компонентов, кристаллической решеткой и свойствами (например, цементит $Fe_3C$ в сталях и чугунах).

Ответ: Сплавы – это металлические материалы, состоящие из смеси двух или более элементов (где основной – металл), которые создаются с целью получения материалов с улучшенными или новыми свойствами. Классификация сплавов проводится по различным признакам: по основному металлу (черные на основе железа и цветные на основе других металлов), по количеству компонентов (двойные, многокомпонентные), по назначению (конструкционные, инструментальные, со специальными свойствами), по технологии производства (литейные, деформируемые, порошковые) и по внутренней структуре (твердые растворы, механические смеси, химические соединения).

2. Назовите важнейшие сплавы цветных металлов, их примерный состав, свойства и применение.

Что такое сплавы и как их классифицируют.

Сплавы — это макроскопически однородные металлические материалы, состоящие из двух или более химических элементов, из которых как минимум один является металлом. Сплавы получают в основном путем сплавления компонентов в жидком состоянии с последующим охлаждением, но также могут быть созданы методами порошковой металлургии, диффузионного насыщения и другими способами. Свойства сплавов (такие как прочность, твердость, коррозионная стойкость, пластичность) обычно значительно отличаются от свойств их составляющих чистых металлов, что позволяет создавать материалы с заранее заданными характеристиками.

Классификация сплавов проводится по различным признакам:

• По основному металлу:
  • Черные сплавы (на основе железа): стали (содержание углерода до $2,14\%$) и чугуны (содержание углерода более $2,14\%$).
  • Цветные сплавы (на основе цветных металлов): медные (латуни, бронзы), алюминиевые (дюралюминий, силумин), титановые, магниевые, никелевые и другие.
• По количеству компонентов:
  • Двойные (бинарные) — состоят из двух компонентов.
  • Тройные — из трех компонентов.
  • Многокомпонентные — из четырех и более компонентов.
• По структуре в твердом состоянии (согласно диаграммам состояния):
  • Твердые растворы — сплавы, в которых атомы одного компонента размещаются в кристаллической решетке другого.
  • Механические смеси — состоят из кристаллов отдельных компонентов (например, эвтектические сплавы).
  • Химические соединения (интерметаллиды) — компоненты образуют соединения с постоянным соотношением атомов и собственной кристаллической решеткой.
• По технологии производства и обработки:
  • Литейные — предназначенные для получения фасонных отливок. Обладают хорошей жидкотекучестью.
  • Деформируемые — предназначенные для обработки давлением (ковка, штамповка, прокатка). Обладают высокой пластичностью.
• По назначению и свойствам:
  • Конструкционные — для изготовления деталей машин и строительных конструкций.
  • Инструментальные — для режущих, измерительных и штамповых инструментов.
  • Жаропрочные и жаростойкие — работающие при высоких температурах.
  • Коррозионно-стойкие (нержавеющие).
  • Сплавы с особыми физическими свойствами (например, магнитные, антифрикционные, с низким коэффициентом теплового расширения).

Ответ: Сплавы — это материалы на металлической основе, состоящие из двух или более элементов. Их классифицируют по основному металлу (черные и цветные), количеству компонентов, структуре, технологии производства и назначению.

2. Назовите важнейшие сплавы цветных металлов, их примерный состав, свойства и применение.

К важнейшим сплавам цветных металлов относятся сплавы на основе меди, алюминия, титана и магния.

Медные сплавы

• Латуни — сплавы меди с цинком в качестве основного легирующего элемента.
  • Примерный состав: Медь ($Cu$) — основа; цинк ($Zn$) — от 5% до 45%. Могут содержать также свинец ($Pb$), олово ($Sn$), алюминий ($Al$) для улучшения свойств.
  • Свойства: Хорошая коррозионная стойкость, высокая пластичность, хорошая обрабатываемость резанием и давлением, красивый золотистый цвет. Прочнее меди.
  • Применение: Детали машин (втулки, шестерни), сантехническая арматура, музыкальные инструменты (духовые), патронные гильзы, радиаторы, конденсаторные трубки.
• Бронзы — сплавы меди с различными элементами (оловом, алюминием, кремнием, бериллием и др.), кроме цинка и никеля.
  • Примерный состав (оловянная бронза): Медь ($Cu$) — основа; олово ($Sn$) — 4-10%.
  • Примерный состав (алюминиевая бронза): Медь ($Cu$) — основа; алюминий ($Al$) — 5-11%.
  • Свойства: Высокие прочностные и антифрикционные свойства (хорошо работают в парах трения), высокая коррозионная стойкость, хорошие литейные качества.
  • Применение: Подшипники скольжения, втулки, червячные колеса, арматура, художественное литье (памятники, статуи), пружины, мембраны.

Алюминиевые сплавы

• Дюралюминий (Дюраль) — деформируемый сплав алюминия.
  • Примерный состав: Алюминий ($Al$) — основа (около 93-94%); медь ($Cu$) — 3.8–4.9%; магний ($Mg$) — 1.2–1.8%; марганец ($Mn$) — 0.3–0.9%.
  • Свойства: Низкая плотность, высокая удельная прочность (особенно после термообработки — закалки и старения), удовлетворительная коррозионная стойкость (часто плакируется чистым алюминием для защиты).
  • Применение: Авиастроение (обшивка, силовые элементы каркаса самолетов), ракетостроение, скоростной транспорт, строительство.
• Силумины — литейные сплавы алюминия с кремнием.
  • Примерный состав: Алюминий ($Al$) — основа; кремний ($Si$) — от 4% до 13% (иногда до 22%).
  • Свойства: Отличные литейные свойства (хорошая жидкотекучесть, малая усадка), высокая герметичность, хорошая коррозионная стойкость.
  • Применение: Изготовление сложных по форме отливок — блоки цилиндров двигателей внутреннего сгорания, картеры, корпуса насосов, детали бытовой техники.

Титановые сплавы

• Примерный состав (сплав ВТ6): Титан ($Ti$) — основа; алюминий ($Al$) — 5.3–6.8%; ванадий ($V$) — 3.5–5.3%.
• Свойства: Уникальное сочетание высокой прочности, низкой плотности (в 1.7 раза легче стали), превосходной коррозионной стойкости (в том числе в морской воде) и жаропрочности (сохраняют прочность до $400–500 °C$).
• Применение: Авиационная и ракетно-космическая техника (детали двигателей, обшивка, шасси), судостроение (гребные винты, корпуса подводных лодок), химическая промышленность, медицина (имплантаты, хирургический инструмент).

Ответ: Важнейшими сплавами цветных металлов являются латуни и бронзы (на основе меди), дюралюминий и силумины (на основе алюминия), а также титановые сплавы. Они отличаются по составу, обладают уникальными свойствами (легкость, прочность, коррозионная стойкость) и широко применяются в авиации, машиностроении, судостроении и других отраслях.

3. Охарактеризуйте состав и свойства чугунов.

Чугун — это сплав железа (Fe) с углеродом (C), в котором содержание углерода превышает 2,14%. На практике содержание углерода в чугунах обычно составляет от 2,14% до 4,5%. Чугуны являются одними из самых распространенных конструкционных материалов благодаря своим хорошим литейным свойствам и относительно низкой стоимости.

Состав чугунов

Кроме железа и углерода, в состав чугуна всегда входят постоянные примеси, а также могут вводиться легирующие элементы для придания особых свойств.

• Углерод (C): основной элемент, определяющий структуру и свойства чугуна. Его содержание составляет от 2,14% до 6,67% (эвтектика цементита), но в промышленных чугунах обычно не превышает 4,5%. Углерод может находиться в чугуне в виде химического соединения — цементита ($Fe_3C$) или в свободном состоянии в виде графита.
• Кремний (Si): содержание обычно 0,5–4,0%. Является графитизирующим элементом, то есть способствует распаду цементита и выделению углерода в виде графита. Повышает жидкотекучесть чугуна.
• Марганец (Mn): содержание обычно 0,2–1,5%. Препятствует графитизации, отбеливает чугун (способствует образованию цементита), повышает его твердость и прочность. Также нейтрализует вредное влияние серы.
• Сера (S): вредная примесь (содержание до 0,12%). Ухудшает литейные свойства, придает чугуну хрупкость при высоких температурах (красноломкость). Является сильным отбеливающим элементом.
• Фосфор (P): вредная примесь (содержание до 1,2%). Повышает жидкотекучесть, но придает чугуну хрупкость при низких температурах (хладноломкость).
• Легирующие элементы: никель (Ni), хром (Cr), молибден (Mo), медь (Cu), ванадий (V) и др. вводятся для получения специальных свойств: повышенной прочности, износостойкости, жаростойкости, коррозионной стойкости.

Свойства чугунов

Свойства чугунов в значительной степени определяются формой и количеством углерода (графита) в его структуре.

• Хорошие литейные свойства: низкая температура плавления (1150–1250°C), высокая жидкотекучесть, малая усадка при затвердевании. Это делает чугун идеальным материалом для производства сложных отливок.
• Высокая прочность на сжатие: чугун хорошо сопротивляется сжимающим нагрузкам, что позволяет использовать его для изготовления станин станков, фундаментных плит.
• Низкая пластичность и ударная вязкость: чугуны (за исключением ковких и высокопрочных) являются хрупкими материалами и плохо переносят ударные и растягивающие нагрузки.
• Хорошая износостойкость: особенно у белых чугунов и серых с фосфором. В серых чугунах графит играет роль смазки.
• Способность гасить вибрации: благодаря наличию графитовых включений, которые поглощают энергию колебаний.
• Хорошая обрабатываемость резанием (для серых чугунов): стружка легко ломается, что упрощает процесс обработки.

Классификация и виды чугунов

В зависимости от того, в какой форме находится углерод в сплаве, чугуны подразделяются на несколько основных видов.

Белый чугун
В этом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида железа — цементита ($Fe_3C$). Излом такого чугуна имеет белый блестящий цвет.
Свойства: очень высокая твердость (HB 450-550), высокая износостойкость, но при этом чрезвычайная хрупкость. Практически не поддается обработке резанием.
Применение: используется как передельный чугун для производства стали и ковкого чугуна, а также для изготовления деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного износа (мелющие шары, детали дробилок).

Серый чугун
Наиболее распространенный вид. В нем углерод находится в свободном состоянии в виде пластинчатого графита. Излом имеет серый матовый цвет.
Свойства: хорошие литейные качества, отличная обрабатываемость резанием, высокая способность гасить вибрации. Обладает невысокой прочностью на растяжение и пластичностью из-за того, что пластинки графита действуют как внутренние надрезы-концентраторы напряжений.
Применение: станины станков, блоки цилиндров двигателей, картеры, тормозные барабаны, трубы, радиаторы отопления.

Высокопрочный чугун (с шаровидным графитом)
Получают путем модифицирования жидкого серого чугуна магнием (Mg) или церием (Ce), в результате чего графит кристаллизуется в форме шариков (сфероидов).
Свойства: обладает значительно более высокими механическими свойствами по сравнению с серым чугуном — прочностью, пластичностью и ударной вязкостью. Шаровидная форма графита минимизирует концентрацию напряжений. По своим свойствам приближается к литой стали.
Применение: ответственные детали, работающие при высоких статических и динамических нагрузках: коленчатые валы, поршни, шестерни, детали прокатных станов.

Ковкий чугун
Получают путем длительного отжига (томления) отливок из белого чугуна. В процессе отжига цементит распадается с образованием железа и графита хлопьевидной формы (углерод отжига).
Свойства: обладает повышенной пластичностью (отсюда название "ковкий", хотя ковать его нельзя) и ударной вязкостью по сравнению с серым чугуном при хорошей прочности.
Применение: детали, работающие в условиях ударных и вибрационных нагрузок в автомобилестроении и сельхозмашиностроении (картеры редукторов, ступицы, тормозные колодки).

Ответ:Чугуны — это сплавы железа с углеродом (содержание С > 2,14%), а также с постоянными примесями (Si, Mn, S, P) и иногда легирующими элементами. Ключевые свойства чугунов определяются формой, в которой находится углерод: в виде цементита ($Fe_3C$) или свободного графита (пластинчатого, шаровидного, хлопьевидного). Основные общие свойства чугунов — превосходные литейные качества, высокая прочность на сжатие, хорошая износостойкость и способность гасить вибрации, но при этом хрупкость и низкая прочность на растяжение (за исключением высокопрочных и ковких марок). В зависимости от структуры выделяют белый (твердый и хрупкий), серый (хорошо обрабатываемый, виброгасящий), высокопрочный (прочный и пластичный) и ковкий (пластичный и вязкий) чугуны, каждый из которых имеет свою область применения.

4. С какой целью в сталь добавляют легирующие добавки? Где применяют легированные стали?

С какой целью в сталь добавляют легирующие добавки?

Легирующие добавки — это химические элементы (например, хром, никель, молибден, ванадий), которые специально вводят в состав стали в процессе её производства для придания ей определённых свойств, недостижимых для обычных углеродистых сталей. Основная цель легирования — целенаправленно изменять и улучшать физические, химические и механические характеристики материала.

В зависимости от вводимого элемента и его количества, можно добиться следующих улучшений:

• Повышение механических свойств: увеличение прочности, твёрдости, вязкости, упругости, износостойкости. Например, добавление марганца повышает твёрдость и сопротивление износу, а кремний увеличивает упругость (важно для пружин).
• Повышение коррозионной стойкости: создание сталей, устойчивых к ржавчине и воздействию агрессивных сред. Классический пример — нержавеющая сталь, которую получают добавлением значительного количества хрома.
• Повышение жаропрочности и жаростойкости: способность стали сохранять прочность при высоких температурах и сопротивляться окислению (образованию окалины). Такие стали, легированные хромом, молибденом, вольфрамом, необходимы для деталей турбин и двигателей.
• Придание особых физических свойств: например, создание сталей с определёнными магнитными характеристиками (электротехнические стали) или с низким коэффициентом теплового расширения.

Таким образом, легирование позволяет создавать широкий спектр материалов с заранее заданными эксплуатационными характеристиками для конкретных задач.

Ответ: Легирующие добавки вводят в сталь для целенаправленного улучшения её свойств: повышения прочности, твёрдости, износостойкости, коррозионной стойкости, жаропрочности, а также для придания специальных физических качеств, которые невозможно получить в углеродистой стали.

Где применяют легированные стали?

Благодаря своим улучшенным и специальным свойствам, легированные стали находят применение в самых ответственных и технологически сложных отраслях, где условия эксплуатации не позволяют использовать обычные углеродистые стали.

Области применения легированных сталей очень широки и зависят от их конкретного типа:

• Машиностроение и транспорт: изготовление наиболее нагруженных деталей машин и механизмов — валов, осей, шестерён, шатунов, подшипников, пружин. В автомобилестроении, авиастроении и судостроении из них делают детали двигателей, элементы корпуса и шасси.
• Инструментальная промышленность: производство режущих (свёрла, резцы, фрезы), измерительных и штамповых инструментов. Инструментальные стали (например, с вольфрамом) обладают высокой твёрдостью, износостойкостью и способностью сохранять эти свойства при нагреве (красностойкость).
• Энергетика: изготовление деталей паровых котлов, газовых турбин, корпусов реакторов атомных электростанций, работающих при высоких температурах и давлениях. Здесь используются жаропрочные и жаростойкие стали.
• Химическая и пищевая промышленность: производство оборудования, реакторов, трубопроводов, ёмкостей, столовых приборов и медицинских инструментов. В этих сферах незаменимы нержавеющие (коррозионностойкие) стали, так как они не вступают в реакцию с агрессивными средами и продуктами.
• Строительство: создание ответственных металлоконструкций, таких как мосты, каркасы высотных зданий, арматура для железобетона в суровых климатических условиях, где требуется повышенная прочность и хладостойкость.
• Электротехника: производство сердечников трансформаторов, генераторов и электродвигателей из специальных электротехнических сталей с низкими магнитными потерями.

Ответ: Легированные стали применяются в машиностроении, авиакосмической отрасли, энергетике, химической промышленности, строительстве и для изготовления инструментов — то есть во всех сферах, где от материалов требуются повышенная прочность, надёжность и способность работать в экстремальных условиях (высокие нагрузки, температуры, агрессивные среды).

5. Стальную проволоку массой 5 г сожгли в кислороде. При этом получили 0,1 г оксида углерода(IV). Вычислите массовую долю углерода в этой стали.

Дано:

$m(стали) = 5 \text{ г}$

$m(CO_2) = 0,1 \text{ г}$

Найти:

$\omega(C) - ?$

Решение:

При сжигании стальной проволоки в кислороде весь углерод, содержащийся в стали, вступает в реакцию с кислородом, образуя оксид углерода(IV). Уравнение реакции горения углерода:

$C + O_2 \rightarrow CO_2$

Чтобы найти массовую долю углерода в стали, нам сначала нужно определить массу углерода, которая содержалась в исходном образце проволоки. Мы можем найти эту массу, зная массу образовавшегося оксида углерода(IV).

1. Вычислим молярную массу оксида углерода(IV) ($CO_2$) и углерода (C), используя относительные атомные массы: $Ar(C) = 12$, $Ar(O) = 16$.

$M(C) = 12 \text{ г/моль}$

$M(CO_2) = Ar(C) + 2 \cdot Ar(O) = 12 + 2 \cdot 16 = 44 \text{ г/моль}$

2. Найдем количество вещества (в молях) оксида углерода(IV), которое образовалось в результате реакции.

$n(CO_2) = \frac{m(CO_2)}{M(CO_2)} = \frac{0,1 \text{ г}}{44 \text{ г/моль}} \approx 0,00227 \text{ моль}$

3. Согласно уравнению реакции $C + O_2 \rightarrow CO_2$, из 1 моль углерода образуется 1 моль оксида углерода(IV). Следовательно, количество вещества углерода равно количеству вещества оксида углерода(IV).

$n(C) = n(CO_2) \approx 0,00227 \text{ моль}$

4. Теперь вычислим массу углерода, которая содержалась в стальной проволоке.

$m(C) = n(C) \cdot M(C) \approx 0,00227 \text{ моль} \cdot 12 \text{ г/моль} \approx 0,02727 \text{ г}$

5. Наконец, вычислим массовую долю углерода в стали по формуле:

$\omega(C) = \frac{m(C)}{m(стали)} \cdot 100\%$

Подставим известные значения:

$\omega(C) = \frac{0,02727 \text{ г}}{5 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 0,005454 \cdot 100\% \approx 0,545\%$

Округлив до сотых, получаем 0,55%.

Ответ: массовая доля углерода в стали составляет 0,55%.

6. Рассчитайте объём водорода (н. у.), который выделится при действии избытка воды на сплав, содержащий 18,4 г натрия и 15,6 г калия.

Дано

$m(Na) = 18,4 \, \text{г}$
$m(K) = 15,6 \, \text{г}$
Вода ($H_2O$) в избытке
Условия: нормальные (н. у.)

Найти:

$V(H_2) - ?$

Решение

При взаимодействии щелочных металлов (натрия и калия) с водой выделяется водород и образуются соответствующие гидроксиды. Запишем уравнения химических реакций:

1) Реакция натрия с водой: $2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2\uparrow$

2) Реакция калия с водой: $2K + 2H_2O \rightarrow 2KOH + H_2\uparrow$

Поскольку вода взята в избытке, оба металла прореагируют полностью. Общий объем выделившегося водорода будет равен сумме объемов водорода, выделившихся в каждой из реакций.

Найдем количество вещества (в молях) для каждого металла. Для этого нам понадобятся их молярные массы:

Молярная масса натрия: $M(Na) = 23 \, \text{г/моль}$
Молярная масса калия: $M(K) = 39 \, \text{г/моль}$

Рассчитаем количество вещества натрия: $n(Na) = \frac{m(Na)}{M(Na)} = \frac{18,4 \, \text{г}}{23 \, \text{г/моль}} = 0,8 \, \text{моль}$

Рассчитаем количество вещества калия: $n(K) = \frac{m(K)}{M(K)} = \frac{15,6 \, \text{г}}{39 \, \text{г/моль}} = 0,4 \, \text{моль}$

Теперь, используя уравнения реакций, найдем количество вещества водорода, выделившегося в каждой реакции.

Из уравнения (1) следует, что из 2 моль натрия образуется 1 моль водорода. Соотношение количеств веществ: $\frac{n_1(H_2)}{n(Na)} = \frac{1}{2}$
$n_1(H_2) = \frac{1}{2} n(Na) = \frac{1}{2} \cdot 0,8 \, \text{моль} = 0,4 \, \text{моль}$

Из уравнения (2) следует, что из 2 моль калия образуется 1 моль водорода. Соотношение количеств веществ: $\frac{n_2(H_2)}{n(K)} = \frac{1}{2}$
$n_2(H_2) = \frac{1}{2} n(K) = \frac{1}{2} \cdot 0,4 \, \text{моль} = 0,2 \, \text{моль}$

Найдем общее количество вещества выделившегося водорода: $n_{общ}(H_2) = n_1(H_2) + n_2(H_2) = 0,4 \, \text{моль} + 0,2 \, \text{моль} = 0,6 \, \text{моль}$

При нормальных условиях (н. у.) молярный объем любого газа ($V_m$) составляет 22,4 л/моль. Рассчитаем общий объем водорода: $V(H_2) = n_{общ}(H_2) \cdot V_m = 0,6 \, \text{моль} \cdot 22,4 \, \text{л/моль} = 13,44 \, \text{л}$

Ответ: объем выделившегося водорода составляет 13,44 л.

Используя Интернет, подготовьте электронные презентации (на выбор) о сплавах по характерным свойствам (тугоплавкие, легкоплавкие, жаропрочные, высокопрочные, твёрдые, коррозионно-устойчивые).

Тугоплавкие сплавы

Тугоплавкими называют сплавы, температура плавления которых значительно выше, чем у железа ($T_{пл} > 1538$ °C), и которые сохраняют свои механические свойства (прочность, твёрдость) при очень высоких температурах. Основой таких сплавов служат тугоплавкие металлы, такие как вольфрам (W), молибден (Mo), ниобий (Nb), тантал (Ta) и рений (Re).

Ключевые свойства тугоплавких сплавов — это чрезвычайно высокая температура плавления, высокая жаропрочность (сопротивление ползучести при высоких температурах) и стойкость к износу. Например, вольфрамовые сплавы являются одними из самых тугоплавких.

Примеры и применение:

• Сплавы на основе вольфрама (например, с рением или торием) используются для изготовления нитей накаливания в лампах, электродов для сварки, деталей ракетных двигателей и тепловых экранов.
• Сплавы на основе молибдена (например, сплав ТЦМ, легированный титаном и цирконием) применяются в аэрокосмической технике и для создания высокотемпературных печей.
• Сплавы на основе ниобия находят применение в конструкциях ядерных реакторов и сверхпроводящей технике.

Эти материалы незаменимы в отраслях, где рабочие температуры достигают тысяч градусов Цельсия. Ответ:

Легкоплавкие сплавы

Легкоплавкими называют сплавы с низкой температурой плавления, как правило, ниже температуры плавления олова (232 °C). Некоторые из них плавятся при температуре ниже точки кипения воды. Основными компонентами таких сплавов являются висмут (Bi), свинец (Pb), олово (Sn), кадмий (Cd), индий (In) и галлий (Ga).

Главная особенность этих сплавов — их способность переходить в жидкое состояние при относительно небольшом нагреве.

Примеры и применение:

• Припои (например, сплавы олова со свинцом или серебром) используются для пайки — соединения металлических деталей в электронике и радиотехнике.
• Сплав Вуда (висмут, свинец, олово, кадмий) имеет температуру плавления около 70 °C. Он используется в качестве плавких предохранителей в электротехнике и в головках систем автоматического пожаротушения (спринклерах). При повышении температуры вставка из сплава плавится, и система активирует подачу воды.
• Сплав Розе (висмут, свинец, олово) плавится при температуре около 94 °C и также применяется в предохранительных устройствах.

Легкоплавкие сплавы играют ключевую роль в системах безопасности и в технологиях точного соединения деталей. Ответ:

Жаропрочные сплавы

Жаропрочные сплавы (также известные как суперсплавы) — это материалы, способные работать под механической нагрузкой при очень высоких температурах (свыше 550 °C) в течение длительного времени, не разрушаясь и не деформируясь. Они также обладают высокой стойкостью к окислению и газовой коррозии. Основой для таких сплавов чаще всего служат никель (Ni), кобальт (Co) или железо (Fe).

Их уникальные свойства достигаются за счет сложного легирования такими элементами, как хром (Cr), алюминий (Al), титан (Ti), молибден (Mo), вольфрам (W), которые формируют в структуре сплава упрочняющие фазы.

Примеры и применение:

• Никелевые сплавы (например, Инконель, Нимоник) — основной материал для изготовления лопаток турбин, дисков и камер сгорания в авиационных и газотурбинных двигателях.
• Кобальтовые сплавы (например, стеллиты) применяются там, где требуется высокая износостойкость при высоких температурах, например, в клапанах двигателей.
• Железоникелевые сплавы используются для менее нагруженных, но также высокотемпературных деталей.

Без жаропрочных сплавов была бы невозможна работа современных реактивных двигателей, энергетических установок и многих химических реакторов. Ответ:

Высокопрочные сплавы

Высокопрочными называют сплавы, обладающие высокими значениями предела прочности и предела текучести, то есть способные выдерживать огромные механические нагрузки без разрушения и пластической деформации. Часто такие сплавы также характеризуются хорошей вязкостью и высоким отношением прочности к весу.

Примеры и применение:

• Титановые сплавы (например, Ti-6Al-4V) обладают уникальным сочетанием высокой прочности, низкой плотности и отличной коррозионной стойкости. Они широко применяются в авиастроении (элементы конструкции самолетов, шасси), ракетостроении и для изготовления медицинских имплантов.
• Высокопрочные стали (например, мартенситно-стареющие стали) имеют предел прочности, превышающий 2000 МПа. Их используют для изготовления деталей, подверженных экстремальным нагрузкам: валов, корпусов ракет, брони.
• Высокопрочные алюминиевые сплавы (дюралюмины, сплавы 7000-й серии) применяются в авиации для создания лёгких и прочных элементов фюзеляжа и крыльев.

Эти материалы являются основой для создания лёгких, надёжных и долговечных конструкций в самых ответственных областях техники. Ответ:

Твёрдые сплавы

Твёрдые сплавы — это композиционные материалы, состоящие из очень твёрдых частиц карбидов тугоплавких металлов (например, карбида вольфрама WC, карбида титана TiC), сцементированных пластичной металлической связкой, чаще всего кобальтом (Co) или никелем (Ni). Они сочетают в себе чрезвычайную твёрдость и износостойкость керамической фазы с вязкостью и прочностью металлической связки.

Твёрдость этих материалов приближается к твёрдости алмаза, при этом они способны сохранять свои режущие свойства при нагреве до 800–1000 °C (красностойкость).

Примеры и применение:

• Сплавы на основе карбида вольфрама и кобальта (группа ВК) — самый распространённый вид. Из них изготавливают режущие пластины для токарных резцов и фрез, буровые коронки для горнодобывающей промышленности, волоки для протяжки проволоки.
• Керметы (металлокерамика) — сплавы, где в качестве твёрдой фазы выступают карбиды титана и тантала. Они используются для чистовой обработки металлов на высоких скоростях.

Твёрдые сплавы произвели революцию в металлообработке, позволив многократно увеличить скорость и производительность резания. Ответ:

Коррозионно-устойчивые сплавы

Коррозионно-устойчивые (или нержавеющие) сплавы — это сплавы, способные сопротивляться разрушению в результате химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой (коррозии). Их стойкость обычно обусловлена способностью формировать на поверхности тонкую, плотную и прочную оксидную пленку (пассивный слой), которая защищает основной металл от контакта с агрессивной средой.

Примеры и применение:

• Нержавеющие стали — самое известное семейство таких сплавов. Это сплавы железа с хромом (не менее 10.5%), часто с добавлением никеля, молибдена и других элементов. Применяются повсеместно: от столовых приборов и кухонной посуды до химических реакторов, медицинских инструментов и архитектурных конструкций.
• Бронзы (сплавы меди с оловом) и латуни (сплавы меди с цинком) обладают высокой стойкостью к атмосферной и морской коррозии. Используются для изготовления сантехники, корабельных винтов, фитингов.
• Никелевые сплавы (например, Монель-металл — сплав никеля с медью) устойчивы ко многим кислотам, щелочам и морской воде. Применяются в химической и нефтеперерабатывающей промышленности.
• Титановые сплавы обладают исключительной коррозионной стойкостью и биосовместимостью, что делает их незаменимыми для медицинских имплантов и оборудования для работы с морской водой.

Эти сплавы позволяют создавать долговечные изделия, работающие в агрессивных средах, от морской воды до химических реагентов. Ответ: