Сталь формула химическая: Сталь — Википедия – Нержавеющая сталь — Википедия

Содержание

это самый распространенный сплав в промышленности :: SYL.ru

Долговечность и надежность механизмов зависят от материала, из которого они были изготовлены, то есть от совокупности всех его свойств и особенностей, которые и определяют эксплуатационные характеристики. На сегодняшний день большинство узлов и деталей машин производят из различных марок сталей. Рассмотрим этот материал более подробно.

сталь это

Что такое сталь

Сталь – это сплав двух химических элементов: железа (Fe) и углерода (С), причем содержание последнего не должно превышать 2%. Если углерода больше, то этот сплав относится к чугунам.

Но сталь – это не только химически чистое соединение двух элементов, она содержит как вредные примеси, например серу и фосфор, так и специальные добавки, которые придают нужные свойства материалу – повышают прочность, улучшают обрабатываемость, пластичность и т. д.

качество стали

Если в сплаве углерода менее 0,025% и содержится незначительное количество примесей, то его считают техническим железом. Этот материал отличается от сталей по всем показателям, он обладает высокими магнитными характеристиками, и его используют в качестве для изготовления электротехнических элементов. Чистого железа в природе не существует, получить его даже в лабораторных условиях очень сложно.

Несмотря на то что углерода в процентном отношении содержится совсем немного, он оказывает значительное влияние на механические и технические свойства материала. Увеличение этого вещества приводит к увеличению твердости, растет прочность, но при этом резко снижается пластичность. И, как следствие, меняются технологические характеристики: с ростом углерода снижаются литейные свойства, ухудшается обрабатываемость резанием. При этом низкоуглеродистые стали также плохо обрабатываются резанием.

Получение стали. Металловедение

Сталь – это самый распространенный сплав на планете. Получают ее промышленным способом из чугуна, из которого под влиянием высоких температур выжигают избыток углерода и другие примеси. Стали в основном получают двумя способами: плавление в мартеновских печах и плавление электропечах. Материал, изготовленный в электропечи, называется электросталь. Она получается более чистой по составу. Кроме того, существует множество специальных процессов для получения сплавов с особыми свойствами, например электродуговая плавка в вакууме или электронно-лучевая плавка.

Стали по гост классификация

Более подробно о сталях и других сплавах можно узнать при изучении такой науки, как металловедение. Она считается одним из разделов физики и охватывает не только сведения о марках стали и их составе, но и содержит сведения о структуре и свойстве материалов на атомарном и структурном уровне.

Студенты профильных ВУЗов проходят специальный курс «Промышленные стали», где подробно разбирают сплавы специального назначения: строительные, улучшаемые, цементируемые, для режущих и измерительных инструментов, магнитные, рессорно-пружинные, жаростойкие, стали для конструкций в холодном климате и т. д.

Все стали по качеству подразделяют на:

— сталь обыкновенного качества;

— качественная;

— сталь повышенного качества;

— высококачественная.

Качество стали напрямую зависит от процента содержания вредных примесей (состав) и соответствия заявленным механическим и технологическим характеристикам. В промышленности используются все виды, но по разным направлениям: стали обыкновенного качества – для неответственных деталей, стали повышенного качества и высококачественные – в конструкциях, к которым предъявляются особые требования.

Стали по ГОСТ: классификация

  1. ГОСТ 380-88. Углеродистая обыкновенного качества – Ст.1, Ст.2, Ст3пс и т. д. Цифры от 0 до 6 обозначают марку, с увеличением номера увеличивается содержание углерода. Буквы пс, кп; сп – индексы степени раскисления материала: полуспокойная, кипящая, спокойная соответственно.
  2. ГОСТ1050-74. Углеродистая качественная сталь – 05; 08; 10; 20пс; 08 кп. Цифры до 60 — это среднее содержание С в сотых долях процента, буквы пс, кп; сп – аналогично п.1.
  3. ГОСТ 5632-72. Высоколегированные стали и сплавы, коррозионностойкие, жаропрочные и жаростойкие – 30ХГСА, ГН2; 50Х; 20ХН3А. Первые цифры — это содержание углерода: 30 – 0,3%; 40 — 0,4%; 45 – 0,45%, буквы – соответствующий легирующий элемент (Х-хром; Г – марганец; Т – титан; А-азот и т. д.), цифра за буквой – процентное содержание легирующего элемента. Если цифры нет, то доля вещества составляет 1,5%, буква А в конце означает, что это высококачественная сталь. Это применимо и для инструментальных, и для легированных сталей.сталь свойства таблицы
  4. ГОСТ1435-74. Углеродистая инструментальная – У7, У8, У10А. Расшифровка: У7 – 0,7%С; У8 – 0,8%С; У – углеродистая; А – высококачественная.
  5. ГОСТ5950-73. Легированная инструментальная – 5ХГН; Х12; 8Х3 и т.д. Расшифровка марки аналогично п.3, но содержание С указано в десятых долях процента. Если углерода менее 0,1%, то цифры не указываются – ХВ4; ХГС; ХВГ и т. д
  6. ГОСТ801-78. Подшипниковая – ШХ4; ШХ15; ШХ15СГ. ШХ – подшипниковая, цифра – содержание хрома: ШХ4 – 0,4% хрома, ШХ15 – 1,5% хрома, другие буквы и цифры – содержание дополнительных легирующих элементов.
  7. ГОСТ 1414-75. Конструкционная повышенной и высокой обрабатываемости резанием – А12, А20, А30, А40Г. Расшифровка содержания углерода: А20 – 0,2%С, А12 – 0,12%С, А30- 0,3%С.

Сталь. Свойства: таблицы для самых распространенных марок с основными механическими и технологическими характеристиками

Марка стали

Механические свойства

Технологические свойства

σт, МПа

σв, МПа

δ, %

Обрабатываемость резанием

Свариваемость

Пластичность при холодной обработке давлением

40Х

786

980

10

В

У

У

45Г

372

569

15

У

Н

Н

25ХГТ

1080

1470

10

У

Н

У

40ХС

1080

1225

12

У

Н

Н

30ХМФА

932

1030

13

В

Н

У

ШХ15

410

715

21

У

Н

У

12Х13

415

588

20

У

Н

В

А20

горячекатанная

510

600

15

В

Н — низкая;

У- удовлетворительная;

В – высокая;

σт – физический предел текучести, МПа;

σв – предел прочности при растяжении, МПа;

δ – относительное удлинение, %.

Химическая формула — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Хими́ческая фо́рмула — условное обозначение химического состава и структуры соединений с помощью символов химических элементов, числовых и вспомогательных знаков (скобок, тире и т. п.). Химические формулы являются составной частью языка химии, на их основе составляются схемы и уравнения химических реакций, а также химическая классификация и номенклатура веществ[1]. Одним из первых начал использовать их русский химик А. А. Иовский.

Химическая формула может обозначать или отражать[1]:

Например, формула HNO3 обозначает:

  • 1 молекулу азотной кислоты или 1 моль азотной кислоты;
  • качественный состав: молекула азотной кислоты состоит из водорода, азота и кислорода;
  • количественный состав: в состав молекулы азотной кислоты входят один атом водорода, один атом азота и три атома кислорода.

В настоящее время различают следующие виды химических формул:

  • Простейшая формула. Может быть получена опытным путём через определение соотношения химических элементов в веществе с применением значений атомной массы элементов. Так, простейшая формула воды будет H2O, а простейшая формула бензола CH (в отличие от C6H6 — истинной, см. далее). Атомы в формулах обозначаются знаками химических элементов, а относительное их количество — числами в формате нижних индексов.[2]
  • Истинная формула. Молекулярная формула[3] — может быть получена, если известна молекулярная масса[3] вещества. Истинная формула воды Н2О, что совпадает с простейшей. Истинная формула бензола С6Н6, что отличается от простейшей. Истинные формулы также называют брутто-формулами. Они отражают состав, но не структуру молекул вещества. Истинная формула показывает точное количество атомов каждого элемента в одной молекуле. Этому количеству отвечает [нижний] индекс — маленькая цифра после символа соответствующего элемента. Если индекс равен 1, то есть в молекуле присутствует только один атом данного элемента, то такой индекс не указывают.
  • Рациональная формула. В рациональных формулах выделяются группы атомов, характерные для классов химических соединений. Например, для спиртов выделяется группа -ОН. При записи рациональной формулы такие группы атомов заключаются в круглые скобки (ОН). Количество повторяющихся групп обозначаются числами в формате нижних индексов, которые ставятся сразу за закрывающей скобкой. Квадратные скобки применяются для отражения структуры комплексных соединений. Например, К4[Co(CN)6][4] — гексацианокобальтат калия. Рациональные формулы часто встречаются в полуразвернутом виде, когда часть одинаковых атомов показывается по отдельности для лучшего отражения строения молекулы вещества.
  • Формула  Маркуша представляют собой формулу, в которой  выделяется активное ядро и некоторое количество вариантов заместителей, объединяемых в группу альтернативных структур. Она является удобным способом обозначения химических структур в обобщенном виде. Формула относится к описанию целого класса веществ. Использование «широких» формул Маркуша в химических патентах приводит к массе проблем и дискуссий.
  • Эмпирическая формула. Разные авторы могут использовать этот термин для обозначения простейшей[5], истинной или рациональной[6] формулы.
  • Структурная формула. В графическом виде показывает взаимное расположение атомов в молекуле. Химические связи между атомами обозначаются линиями (чёрточками). Различают двумерные (2D) и трёхмерные (3D) формулы. Двумерные представляют собой отражение структуры вещества на плоскости (также
    скелетная формула
     — попытки приблизить 3D-структуру на 2D-плоскости). Трёхмерные [пространственные модели] позволяют наиболее близко к теоретическим моделям строения вещества представлять его состав, и, зачастую (но не всегда), более полное (истинное) взаимное расположение атомов, угол связи и расстояния между атомами.

Например, для этанола:

  • Простейшая формула: С2Н6О
  • Истинная, эмпирическая, или брутто-формула: С2Н6О
  • Рациональная формула: С2Н5ОН
  • Рациональная формула в полуразвернутом виде: СН3СН2ОН
  • Структурная формула (2D):
      Н Н
      │ │
    Н—С—С—О—Н
      │ │
      Н Н
  • Структурная формула (3D):
Вариант 1:
Ethanol-3D-balls.png
Вариант 2:
Ethanol-3D-vdW.png

Простейшей формуле С2Н6О в равной мере может соответствовать и диметиловый эфир (рациональная формула; структурная изомерия): СН3—О—СН3.

Существуют и другие способы записи химических формул. Новые способы появились в конце 1980-х с развитием персональной компьютерной техники (SMILES, WLN, ROSDAL, SLN и др.). В персональных компьютерах для работы с химическими формулами также используются специальные программные средства, называемые молекулярными редакторами.

  1. 1 2 Основные понятия химии (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 23 ноября 2009. Архивировано 21 ноября 2009 года.
  2. ↑ Различают эмпирическую и истинную формулы. Эмпирическая формула выражает простейшую формулу вещества (химического соединения), которую устанавливают путём элементного анализа. Так, анализ показывает, что простейшая, или эмпирическая, формула некоторого соединения соответствует CH. Истинная формула показывает, какое количество таких простейших групп CH содержится в молекуле. Представим истинную формулу в виде (CH)x, тогда при значении x = 2 имеем ацетилен C2H2, при x= 6 — бензол C6H6.
  3. 1 2 Строго говоря, нельзя употреблять термины «молекулярная формула» и «молекулярная масса» соли, поскольку в солях нет молекул, а имеются только упорядоченные решётки, состоящие из ионов. Ни один из ионов натрия [катион] в структуре хлорида натрия не «принадлежит» какому-либо конкретному хлорид-иону [аниону]. Правильно говорить о химической формуле соли & соответствующей ей формульной массе. Поскольку химическая формула (истинная) хлорида натрия — NaCl, формульная масса хлорида натрия определяется как сумма атомных масс одного атома натрия и одного атома хлора: 1 атом натрия: 22,990 а. е. м.
    1 атом хлора: 35,453 а. е. м.
    ———————————
    Итого: 58,443 а. е. м.
    Принято называть эту величину «молекулярной массой» хлорида натрия, и не возникает никаких недоразумений, если ясно отдавать себе отчёт, какую структуру имеет соль. Моль хлорида натрия имеет массу 58,443 г. В нём содержится 6,022·1023 ионов натрия и 6,022·1023 хлорид-ионов. Хотя они и не объединены попарно в молекулы, соотношение между числом тех и других ионов точно 1 : 1.
  4. ↑ Формулы соединений ионного типа [и/или в предположении что они ионны — полярные ковалентные (промежуточные ионно-ковалентные)] выражают лишь простейшее соотношение между ионами (катионами и анионами). Так, кристалл поваренной соли NaCl состоит из ионов Na+ и Cl, находящихся в соотношении 1:1, что обеспечивает электронейтральность соединения в целом. Рассуждая аналогично, отмечаем, что кристаллы CaF2 состоят из Ca2+ и F в соотношении 1:2. Таким же образом К4[Co(CN)6] состоит из катионов К+ и [комплексных координационных] анионов Co(CN)64− в соотношении 4:1 (хотя данное соединение имеет более сложное координационно-комплексное кристаллическое строение). Аналогичным образом пирит FeS2 содержит катионы Fe2+ и анионы S22− в соотношении 1:1 (сульфид-анионов S2− оно не имеет; атомы серы в персульфид-анионе связаны относительно прочной ковалентной [неполярной ковалентной] связью).
    В соединениях подобного типа нельзя обнаружить отдельные молекулы NaCl и CaF2, и поэтому эти формулы указывают лишь на соотношение катионов и анионов, из которых состоят эти вещества (хим. соединения).
  5. М. А. Федоровская. Формула химическая // Химическая энциклопедия в 5 т.. — М.: Большая Российская Энциклопедия, 1998. — Т. 5. — С. 123. — 783 с.
  6. ↑ Справочник химика. — Л.: Химия, 1971. — Т. II. — С. 397. — 1168 с. — 20 000 экз.

Цементит — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Структура цементита

Цементит — карбид железа, химическое соединение с формулой Fe3C.

Концентрация углерода в цементите — 6,67% по массе — предельная для железоуглеродистых сплавов. Цементит — метастабильная фаза; образование стабильной фазы — графита во многих случаях затруднено. Цементит имеет орторомбическую кристаллическую решётку, очень твёрд и хрупок, слабо магнитен до 210 °C.

В зависимости от условий кристаллизации и последующей обработки цементит может иметь различную форму — равноосных зёрен, сетки по границам зёрен, пластин, а также видманштеттову структуру.

Цементит в разных количествах, в зависимости от концентрации, присутствует в железоуглеродистых сплавах уже при малых содержаниях углерода. Формируется в процессе кристаллизации из расплава чугуна. В сталях выделяется при охлаждении аустенита или при нагреве мартенсита. Цементит является фазовой и структурной составляющей железоуглеродистых сплавов, составной частью ледебурита, перлита, сорбита и троостита. Цементит — представитель так называемых фаз внедрения, соединений переходных металлов с лёгкими металлоидами. В фазах внедрения велики доля как ковалентной, так и металлической связи.

Твёрдость по Бринеллю больше 800 кг/мм2.
Первичный цементит кристаллизуется из жидкого сплава
Вторичный цементит — из аустенита
Третичный цементит — из феррита

Серый, относительно твёрдый, термически устойчивый. Не реагирует с водой, щелочами, гидратом аммиака.

  • разлагается при температуре выше 1650 °C:
Fe3C →>1650oC3Fe+C{\displaystyle {\mathsf {Fe_{3}C\ {\xrightarrow {>1650^{o}C}}3Fe+C}}}
  • Разлагается кислотами (конц.):
Fe3C+6HCl →3FeCl2+C↓+3h3↑{\displaystyle {\mathsf {Fe_{3}C+6HCl\ {\xrightarrow {}}3FeCl_{2}+C{\downarrow }+3H_{2}{\uparrow }}}}
Fe3C+22HNO3 →3Fe(NO3)3+CO2↑++13NO2↑+11h3O{\displaystyle {\mathsf {Fe_{3}C+22HNO_{3}\ {\xrightarrow {}}3Fe(NO_{3})_{3}+CO_{2}{\uparrow }++13NO_{2}{\uparrow }+11H_{2}O}}}
  • Реагирует с кислородом:
Fe3C+3O2 →600−700oCFe3O4+CO2{\displaystyle {\mathsf {Fe_{3}C+3O_{2}\ {\xrightarrow {600-700^{o}C}}Fe_{3}O_{4}+CO_{2}}}}
4Fe3C+Fe3O4 →1000−1100oC15Fe+4CO{\displaystyle {\mathsf {4Fe_{3}C+Fe_{3}O_{4}\ {\xrightarrow {1000-1100^{o}C}}15Fe+4CO}}}
  • Бунин К. П., Баранов А. А. Металлография. — М.: Металлурия, 1970.
  • Уманский Я.С., Скаков Ю.А., Физика металлов, М., 1978.
  • Кузьмин Б. А., Самохоцкий А. И., Кузнецова Т. Н. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы. — М., «Высшая школа», 1971. — 352 с.
  • Неорганическая химия в реакциях / Р.А.Лидин, В.А.Молочко, Л.Л.Андреева. — Москва: «Дрофа», 2007. — Т. 3. — 640 с. — ISBN 978-5-358-01303-2.

Химический состав стали

Свойства стали определяются ее химическим составом. Содержащиеся в стали компоненты можно разделить на четыре группы: постоянные (обыкновенные), скрытые, случайные и специальные (легирующие).

К постоянным примесям относятся углерод, марганец, кремний, сера и фосфор.

Углерод — неотъемлемая составляющая часть стали, оказывающая на ее свойства основное влияние. Его содержание в выпускаемых марках стали колеблется от 0,1 до 1,4 %. С увеличением содержания углерода в стали повышаются ее твердость и прочность, уменьшаются пластичность и вязкость.

Марганец относится к постоянным примесям, если его содержание составляет менее 1 %. При содержании более 1 % он является легирующим элементом.

Марганец является раскислителем стали. Он повышает ее прочность, износостойкость и прокаливаемость, снижает коробление при закалке, улучшает режущие свойства стали. Однако ударная вязкость при этом снижается. Сталь, содержащая 11—14 % марганца (сталь Гатфильда), отличается высокой износостойкостью, так как способна упрочняться при пластической деформации. Сталь, содержащая 10—12 % марганца, становится немагнитной.

Кремний также является раскислителем стали и легирующим элементом, если его содержание превышает 0,8 %. Он увеличивает прочностные свойства стали, предел упругости, коррозионную и жаростойкость, однако снижает ее ударную вязкость.

Сера и фосфор являются вредными примесями. Так, сера делает сталь «красноломкой», а фосфор, повышая твердость стали, снижает ее ударную вязкость и вызывает «хладноломкость», т. е. хрупкость при температурах ниже —50°C.

Скрытые примеси представляют собой кислород, азот и водород, частично растворенные в стали и присутствующие в виде неметаллических включений (окислов, нитридов). Они являются вредными примесями, так как разрыхляют металл при горячей обработке, вызывают в нем надрывы (флокены).

Случайные примеси — это медь, цинк, свинец, хром, никель и другие металлы, попадающие в сталь с шихтовыми материалами. В основном они ухудшают качество стали.

Специальные добавки (легирующие элементы) вводятся в сталь с целью придания ей тех или иных свойств. К ним относятся марганец, кремний, хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, бор, ниобий, цирконий, селен, теллур, медь и др.

Наиболее распространенным легирующим элементом является хром. Он препятствует росту зерна при нагреве стали, улучшает механические и режущие свойства, повышает коррозионную стойкость, прокаливаемость, способствует лучшей работе на истирание. При содержании хрома свыше 10 % сталь становится нержавеющей, но одновременно теряет способность воспринимать закалку.

Никель повышает прочность стали при сохранении высокой вязкости, препятствует росту зерна при нагреве, снижает коробление при закалке, увеличивает коррозионную стойкость и прокаливаемость. При содержании никеля 18—20 %-я сталь становится немагнитной, жаростойкой, жаропрочной и коррозионностойкой.

Молибден измельчает зерно стали, значительно повышает ее прокаливаемость, стойкость против отпуска, вязкость при низких температурах, ковкость и абразивную стойкость, снижает склонность к отпускной хрупкости.

Вольфрам повышает твердость и режущие свойства стали, прокаливаемость, прочность и вязкость. Стали с содержанием 9 и 18 % вольфрама известны как быстрорежущие.

Ванадий создает мелкозернистую структуру стали, задерживает рост зерна при нагреве, повышает ударную вязкость, устойчивость против вибрационных нагрузок, прокаливаемость и стойкость против отпуска.

Бор увеличивает прокаливаемость стали, повышает ее циклическую вязкость, способность гасить колебания высокой частоты, снижает склонность к необратимой отпускной хрупкости.

Ниобий предотвращает межкристаллическую коррозию, улучшает сварочные свойства, повышает пластичность, прочность и ползучесть стали при высоких температурах.

Цирконий повышает предел выносливости стали на воздухе и в коррозионных средах, улучшает ее прочностные характеристики при повышенных температурах и ударную вязкость при температуре ниже нуля, замедляет рост зерна, повышает прокаливаемость и свариваемость.

Медь повышает коррозионную стойкость стали, а селен и теллур — механические свойства стали и особенно ее пластичность.

Технически чистое железо — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Технически чистое железо (ТЧЖ) или АРМКО-железо (от аббр. ARMCO — сокращённого названия американской фирмы American Rolling Mill Corporation) — название низкоуглеродистой нелегированной стали, в которой суммарное содержание других элементов — до 0,08-0,1 %, в том числе углерода — до 0,02 %. Большое содержание основного элемента (до 99,92% Fe) позволяют считать такой сплав железом, загрязненным примесями. Технически чистое железо устойчиво к коррозии, обладает повышенной электропроводностью и очень высокой пластичностью. Применяется для изготовления сердечников электромагнитов, деталей реле, для производства сплавов.

Железо имеет малое удельное электрическое сопротивление, обладает повышенными потерями на вихревые токи, в связи с чем применение его ограничено: в основном для магнитопроводов постоянного магнитного потока (полюсные наконечники, магнитопроводы реле). ТЧЖ — главный компонент большинства магнитных материалов.

В зависимости от способа получения особо чистое железо называется карбонильным или электролитическим.

Карбонильное железо (англ.)русск. получают при термическом разложении пентакарбонила железа Fe(CO)5 и рафинируют в токе водорода.

Электролитическое железо изготавливают электролитическим рафинированием в расплавленных солях и поставляют в виде порошка (ПЖЭ-1 и ПЖЭ-2) или кусков (ЖЭ-МП). Чистое железо марок 005ЖР и 008ЖР (ТУ 14-1-2033-77) получают из продуктов прямого восстановления руд.

Иногда в литературе можно встретить зарубежное название технически чистого железа — Армко-железо, получившего своё название от аббревиатуры американской сталелитейной компании American Rolling Mill Corporation, выпускающей электротехнические стали.

Технически чистое железо получают в мартеновских и электрических плавильных печах при удлинении процесса выгорания примесей.

  • Общее содержание примесей около 0,16 %, в том числе :
    • не более 0,025 % C,
    • 0,035 % Mn,
    • 0,05 % Si,
    • 0,015 % P,
    • 0,025 % S,
    • 0,05 % Cu.
  • Плотность 7850 кг/м³,
  • предел текучести 120 МН/м²,
  • предел прочности 260 МН/м²,
  • относительное сужение 60 %,
  • относительное удлинение 30 %,
  • ударная вязкость 2 МДж/м²,
  • HB = 420 МН/м² (1 МН/м² × 0,1 кгс/мм²).

Устойчиво против коррозии, хорошо сваривается, обладает высокой[уточнить] электрической проводимостью, чрезвычайно пластично (поддаётся штамповке и глубокой вытяжке при комнатной температуре). Один из магнитно-мягких материалов. Магнитные свойства зависят от количества примесей, размеров кристаллических зёрен (структуры), упругих и пластических напряжений. Отличается малой коэрцитивной силой — HC = 66 А/м (0,83 Э), большой магнитной проницаемостью — mmax = 10 мГн/м (8000 Гс/Э).

Применяется при изготовлении электротехнических изделий, работающих в постоянных и медленно меняющихся магнитных полях (сердечники и полюсные наконечники электромагнитов, детали реле и т. п.). В металлургии применяют как основной элемент при изготовлении многих магнитных сплавов и как шихту при производстве легированной стали.

  • Меськин В. С., Основы легирования стали, М., 1959, с. 19
  • ГОСТ 3836-83 Сталь электротехническая нелегированная тонколистовая и ленты. Технические условия
  • ГОСТ 11036-75 Сталь сортовая электротехническая нелегированная. Технические условия

Хром — Википедия

Хром
← Ванадий | Марганец →
Твёрдый металл голубовато-белого цвета
Chromium crystals and 1cm3 cube.jpg
Название, символ, номер Хром / Chromium (Cr), 24
Атомная масса
(молярная масса)
51,9961(6)[1] а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация [Ar] 3d5 4s1
Радиус атома 130 пм
Ковалентный радиус 118 пм
Радиус иона (+6e)52 (+3e)63 пм
Электроотрицательность 1,66 (шкала Полинга)
Электродный потенциал −0,74
Степени окисления 6, 3, 2, 0
Энергия ионизации
(первый электрон)
 652,4 (6,76) кДж/моль (эВ)
Плотность (при н. у.) 7,19 г/см³
Температура плавления 2130 K (1856,9 °C)
Температура кипения 2945 K (2671,9 °C)
Уд. теплота плавления 21 кДж/моль
Уд. теплота испарения 342 кДж/моль
Молярная теплоёмкость 23,3[2] Дж/(K·моль)
Молярный объём 7,23 см³/моль
Структура решётки кубическая
объёмноцентрированая
Параметры решётки 2,885 Å
Температура Дебая 460 K
Теплопроводность (300 K) 93,9 Вт/(м·К)
Номер CAS 7440-47-3

Хром — элемент 6-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы 6-й группы) 4-го периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 24. Обозначается символом Cr (лат. Chromium). Простое вещество хром — твёрдый металл голубовато-белого цвета. Хром иногда относят к чёрным металлам.

Происхождение названия[править | править код]

Название элемент получил от греч. χρῶμα — цвет, краска — из-за разнообразия окраски своих соединений.

История[править | править код]

Открыт на Среднем Урале, в Березовском золоторудном месторождении. Впервые упоминается в труде М. В. Ломоносова «Первые основания металлургии» (1763 год), как красная свинцовая руда, PbCrO4. Современное название — крокоит. В 1797 году французский химик Л. Н. Воклен выделил из него новый тугоплавкий металл ( Воклен получил карбид хрома). Он прокалил зелёный оксид Cr2O3 с углём и выделил тугоплавкий металл (с примесью карбидов). Сам оксид Cr2O3 Воклен получил разложением «Сибирского красного свинца» — минерала крокоита PbCrO4.

Современный способ получения чистого хрома (с 1894 г.) отличается от способа Воклена только видом восстановителя. Процесс электролитического покрытия железа хромом разработан в 20-х годах ХХ в.

Хром является довольно распространённым элементом в земной коре (0,03 % по массе)[3]. Основные соединения хрома — хромистый железняк (хромит) FeO·Cr2O3. Вторым по значимости минералом является крокоит PbCrO4.

Месторождения[править | править код]

Самые большие месторождения хрома находятся в ЮАР (1-е место в мире), Казахстане, России, Зимбабве, Мадагаскаре. Также есть месторождения на территории Турции, Индии, Армении[4], Бразилии, на Филиппинах[5].

Главные месторождения хромовых руд в РФ известны на Урале (Донские и Сарановское).

Разведанные запасы в Казахстане составляют свыше 350 миллионов тонн (2-е место в мире)[5].

Среднее содержание хрома в различных изверженных породах резко непостоянно. В ультраосновных породах (перидотитах) оно достигает 2 кг/т, в основных породах (базальтах и др.) — 200 г/т, а в гранитах десятки г/т. Кларк хрома в земной коре 83 г/т. Он является типичным литофильным элементом и почти весь заключен в минералах типа хромшпинелидов. Хром вместе с железом, титаном, никелем, ванадием и марганцем составляют одно геохимическое семейство.

Различают три основных минерала хрома: магнохромит (Mg, Fe)Cr2O4, хромпикотит (Mg, Fe)(Cr, Al)2O4 и алюмохромит (Fe, Mg)(Cr, Al)2O4. По внешнему виду они неразличимы, и их неточно называют «хромиты». Состав их изменчив:

  • Cr2O3 18—62 %,
  • FeO 1—18 %,
  • MgO 5—16 %,
  • Al2O3 0,2 — 0,4 (до 33 %),
  • Fe2O3 2 — 30 %,
  • примеси TiO2 до 2 %,
  • V2O5 до 0,2 %,
  • ZnO до 5 %,
  • MnO до 1 %; присутствуют также Co, Ni и др.

Собственно, хромит, то есть FeCr2O4 сравнительно редок. Помимо различных хромитов, хром входит в состав ряда других минералов — хромовой слюды (фуксита), хромового хлорита, хромвезувиана, хромдиопсида, хромтурмалина, хромового граната (уваровита) и др., которые нередко сопровождают руды, но сами промышленного значения не имеют. В экзогенных условиях хром, как и железо, мигрирует в виде взвесей и может накапливаться в глинах. Наиболее подвижной формой являются хроматы.

Хром встречается в природе в основном в виде хромистого железняка Fe(CrO2)2 (хромит железа). Из него получают феррохром восстановлением в электропечах коксом (углеродом):

Fe(CrO2)2+4C→Fe+2Cr+4CO{\displaystyle {\mathsf {Fe(CrO_{2})_{2}+4C\rightarrow Fe+2Cr+4CO}}}

Феррохром применяют для производства легированных сталей.

Чтобы получить чистый хром, реакцию ведут следующим образом:

1) сплавляют хромит железа с карбонатом натрия (кальцинированная сода) на воздухе:

4Fe(CrO2)2+8Na2CO3+7O2→8Na2CrO4+2Fe2O3+8CO2{\displaystyle {\mathsf {4Fe(CrO_{2})_{2}+8Na_{2}CO_{3}+7O_{2}\rightarrow 8Na_{2}CrO_{4}+2Fe_{2}O_{3}+8CO_{2}}}}

2) растворяют хромат натрия и отделяют его от оксида железа;

3) переводят хромат в дихромат, подкисляя раствор и выкристаллизовывая дихромат;

4) получают чистый оксид хрома восстановлением дихромата натрия углём:

Na2Cr2O7+2C→Cr2O3+Na2CO3+CO{\displaystyle {\mathsf {Na_{2}Cr_{2}O_{7}+2C\rightarrow Cr_{2}O_{3}+Na_{2}CO_{3}+CO}}}

5) с помощью алюминотермии получают металлический хром:

Cr2O3+2Al→Al2O3+2Cr+130kcal{\displaystyle {\mathsf {Cr_{2}O_{3}+2Al\rightarrow Al_{2}O_{3}+2Cr+130kcal}}}

6) с помощью электролиза получают электролитический хром из раствора хромового ангидрида в воде, содержащего добавку серной кислоты. При этом на катодах совершаются в основном 3 процесса:

  • восстановление шестивалентного хрома до трехвалентного с переходом его в раствор;
  • разряд ионов водорода с выделением газообразного водорода;
  • разряд ионов, содержащих шестивалентный хром, с осаждением металлического хрома;
Cr2O72−+14H++12e−→2Cr+7h3O{\displaystyle {\mathsf {Cr_{2}O_{7}^{2-}+14H^{+}+12e^{-}\rightarrow 2Cr+7H_{2}O}}}

В свободном виде — голубовато-белый металл с кубической объёмноцентрированной решёткой, a = 0,28845 нм. Ниже температуры 38 °C является антиферромагнетиком, выше переходит в парамагнитное состояние (точка Нееля).

Хром имеет твёрдость по шкале Мооса 8.5[6], один из самых твёрдых чистых металлов (уступает только иридию, бериллию, вольфраму и урану). Очень чистый хром достаточно хорошо поддаётся механической обработке.

Изотопы[править | править код]

Известны изотопы хрома с массовыми числами от 42 до 67 (количество протонов 24, нейтронов от 18 до 43) и 2 ядерных изомера.

Природный хром состоит из четырех стабильных изотопов (50Cr (изотопная распространённость 4,345 %), 52Cr (83.789 %), 53Cr (9.501 %), 54Cr (2.365 %)).

Среди искусственных изотопов самый долгоживущий 51Cr (период полураспада 27 суток). Период полураспада остальных не превышает одних суток.

Характерные степени окисления[править | править код]

Для хрома характерны степени окисления +2, +3 и +6 (см. табл.). Практически все соединения хрома окрашены[7].

Степень окисления Оксид Гидроксид Характер Преобладающие формы в растворах Примечания
+2 CrO (чёрный) Cr(OH)2 (жёлтый) Основный Cr2+ (соли голубого цвета) Очень сильный восстановитель
+3 Cr2O3 (зелёный) Cr(OH)3 (серо-зелёный) Амфотерный Cr3+ (зелёные или лиловые соли)

[Cr(OH)4] (зелёный)

+4 CrO2 не существует Несолеобразующий Встречается редко, малохарактерна
+6 CrO3 (красный) H2CrO4

H2Cr2O7

Кислотный CrO42− (хроматы, желтые)

Cr2O72− (дихроматы, оранжевые)

Переход зависит от рН среды. Сильнейший окислитель, гигроскопичен, очень ядовит.
{\mathsf  {Cr_{2}O_{7}^{{2-}}+14H^{+}+12e^{-}\rightarrow 2Cr+7H_{2}O}}

Простое вещество[править | править код]

Устойчив на воздухе за счёт пассивирования. По этой же причине не реагирует с серной и азотной кислотами. При 2000 °C сгорает с образованием зелёного оксида хрома(III) Cr2O3, обладающего амфотерными свойствами.

Синтезированы соединения хрома с бором (бориды Cr2B, CrB, Cr3B4, CrB2, CrB4 и Cr5B3), с углеродом (карбиды Cr23C6, Cr7C3 и Cr3C2), c кремнием (силициды Cr3Si, Cr5Si3 и CrSi) и азотом (нитриды CrN и Cr2N).

Соединения Cr(+2)[править | править код]

Степени окисления +2 соответствует основный оксид CrO (чёрный). Соли Cr2+ (растворы голубого цвета) получаются при восстановлении солей Cr3+ или дихроматов цинком в кислой среде («водородом в момент выделения»):

2Cr3+→Zn,HCl[H]2Cr2+{\displaystyle {\mathsf {2Cr^{3+}{\xrightarrow[{Zn,HCl}]{[H]}}2Cr^{2+}}}}

Все эти соли Cr2+ — сильные восстановители вплоть до того, что при стоянии вытесняют водород из воды[8]. Кислородом воздуха, особенно в кислой среде, Cr2+ окисляется, в результате чего голубой раствор быстро зеленеет.

Коричневый или жёлтый гидроксид Cr(OH)2 осаждается при добавлении щелочей к растворам солей хрома(II).

Синтезированы дигалогениды хрома CrF2, CrCl2, CrBr2 и CrI2

Соединения Cr(+3)[править | править код]

Степени окисления +3 соответствует амфотерный оксид Cr2O3 и гидроксид Cr(OH)3 (оба — зелёного цвета). Это — наиболее устойчивая степень окисления хрома. Соединения хрома в этой степени окисления имеют цвет от грязно-лилового (в водных растворах ион Cr3+ существует в виде аквакомплексов [Cr(H2O)6]3+) до зелёного (в координационной сфере присутствуют анионы).

Cr3+ склонен к образованию двойных сульфатов вида MICr(SO4)2·12H2O (квасцов)

Гидроксид хрома (III) получают, действуя аммиаком на растворы солей хрома (III):

Cr3++3Nh4+3h3O→Cr(OH)3↓+3Nh5+{\displaystyle {\mathsf {Cr^{3+}+3NH_{3}+3H_{2}O\rightarrow Cr(OH)_{3}\downarrow +3NH_{4}^{+}}}}

Можно использовать растворы щелочей, но в их избытке образуется растворимый гидроксокомплекс:

Cr3++3OH−→Cr(OH)3↓{\displaystyle {\mathsf {Cr^{3+}+3OH^{-}\rightarrow Cr(OH)_{3}\downarrow }}}
Cr(OH)3+3OH−→[Cr(OH)6]3−{\displaystyle {\mathsf {Cr(OH)_{3}+3OH^{-}\rightarrow [Cr(OH)_{6}]^{3-}}}}

Сплавляя Cr2O3 со щелочами, получают хромиты:

Cr2O3+2NaOH→2NaCrO2+h3O{\displaystyle {\mathsf {Cr_{2}O_{3}+2NaOH\rightarrow 2NaCrO_{2}+H_{2}O}}}

Непрокаленный оксид хрома(III) растворяется в щелочных растворах и в кислотах:

Cr2O3+6HCl→2CrCl3+3h3O{\displaystyle {\mathsf {Cr_{2}O_{3}+6HCl\rightarrow 2CrCl_{3}+3H_{2}O}}}

При окислении соединений хрома(III) в щелочной среде образуются соединения хрома(VI):

2Na3[Cr(OH)6]+3h3O2→2Na2CrO4+2NaOH+8h3O{\displaystyle {\mathsf {2Na_{3}[Cr(OH)_{6}]+3H_{2}O_{2}\rightarrow 2Na_{2}CrO_{4}+2NaOH+8H_{2}O}}}

То же самое происходит при сплавлении оксида хрома (III) со щелочью и окислителями, или со щелочью на воздухе (расплав при этом приобретает жёлтую окраску):

2Cr2O3+8NaOH+3O2→4Na2CrO4+4h3O{\displaystyle {\mathsf {2Cr_{2}O_{3}+8NaOH+3O_{2}\rightarrow 4Na_{2}CrO_{4}+4H_{2}O}}}

Соединения хрома (+4)[править | править код]

При осторожном разложении оксида хрома(VI) CrO3 в гидротермальных условиях получают оксид хрома(IV) CrO2, который является ферромагнетиком и обладает металлической проводимостью.

Среди тетрагалогенидов хрома устойчив CrF4, тетрахлорид хрома CrCl4 существует только в парах.

Соединения хрома (+6)[править | править код]

Степени окисления +6 соответствует кислотный оксид хрома (VI) CrO3 и целый ряд кислот, между которыми существует равновесие. Простейшие из них — хромовая H2CrO4 и двухромовая H2Cr2O7. Они образуют два ряда солей: желтые хроматы и оранжевые дихроматы соответственно.

Оксид хрома (VI) CrO3 образуется при взаимодействии концентрированной серной кислоты с растворами дихроматов. Типичный кислотный оксид, при взаимодействии с водой он образует сильные неустойчивые хромовые кислоты: хромовую H2CrO4, дихромовую H2Cr2O7 и другие изополикислоты с общей формулой H2CrnO3n+1. Увеличение степени полимеризации происходит с уменьшением рН, то есть увеличением кислотности:

2CrO42−+2H+→Cr2O72−+h3O{\displaystyle {\mathsf {2CrO_{4}^{2-}+2H^{+}\rightarrow Cr_{2}O_{7}^{2-}+H_{2}O}}}

Но если к оранжевому раствору K2Cr2O7 прилить раствор щёлочи, как окраска вновь переходит в жёлтую, так как снова образуется хромат K2CrO4:

Cr2O72−+2OH−→2CrO42−+h3O{\displaystyle {\mathsf {Cr_{2}O_{7}^{2-}+2OH^{-}\rightarrow 2CrO_{4}^{2-}+H_{2}O}}}

До высокой степени полимеризации, как это происходит у вольфрама и молибдена, не доходит, так как полихромовая кислота распадается на оксид хрома(VI) и воду:

h3CrnO3n+1→h3O+nCrO3{\displaystyle {\mathsf {H_{2}Cr_{n}O_{3n+1}\rightarrow H_{2}O+nCrO_{3}}}}

Растворимость хроматов примерно соответствует растворимости сульфатов. В частности, жёлтый хромат бария BaCrO4 выпадает при добавлении солей бария как к растворам хроматов, так и к растворам дихроматов:

Ba2++CrO42−→BaCrO4↓{\displaystyle {\mathsf {Ba^{2+}+CrO_{4}^{2-}\rightarrow BaCrO_{4}\downarrow }}}
2Ba2++Cr2O72−+h3O→2BaCrO4↓+2H+{\displaystyle {\mathsf {2Ba^{2+}+Cr_{2}O_{7}^{2-}+H_{2}O\rightarrow 2BaCrO_{4}\downarrow +2H^{+}}}}

Образование кроваво-красного малорастворимого хромата серебра используют для обнаружения серебра в сплавах при помощи пробирной кислоты.

Известны пентафторид хрома CrF5 и малоустойчивый гексафторид хрома CrF6. Также получены летучие оксигалогениды хрома CrO2F2 и CrO2Cl2 (хромилхлорид).

Соединения хрома(VI) — сильные окислители, например:

K2Cr2O7+14HCl→2CrCl3+2K

Сплав — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Сплав — макроскопически однородный металлический материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов.

Сплавы состоят из основы (одного или нескольких металлов), малых добавок специально вводимых в сплав легирующих и модифицирующих элементов, а также из неудалённых примесей (природных, технологических и случайных).

Сплавы являются одним из основных конструкционных материалов. Среди них наибольшее значение имеют сплавы на основе железа и алюминия. В технике применяется более 5 тыс. сплавов.

По способу изготовления сплавов различают литые и порошковые сплавы. Литые сплавы получают кристаллизацией расплава смешанных компонентов. Порошковые — прессованием смеси порошков с последующим спеканием при высокой температуре. Компонентами порошкового сплава могут быть не только порошки простых веществ, но и порошки химических соединений. Например, основными компонентами твёрдых сплавов являются карбиды вольфрама или титана.

По способу получения заготовки (изделия) различают литейные (например, чугуны, силумины), деформируемые (например, стали) и порошковые сплавы.

В твердом агрегатном состоянии сплав может быть гомогенным (однородным, однофазным — состоит из кристаллитов одного типа) и гетерогенным (неоднородным, многофазным). Твёрдый раствор является основой сплава (матричная фаза). Фазовый состав гетерогенного сплава зависит от его химического состава. В сплаве могут присутствовать: твердые растворы внедрения, твердые растворы замещения, химических соединений (в том числе карбиды, нитриды, интерметаллиды) и кристаллиты простых веществ.

Свойства металлов и сплавов полностью определяются их структурой (кристаллической структурой фаз и микроструктурой). Макроскопические свойства сплавов определяются микроструктурой и всегда отличаются от свойств их фаз, которые зависят только от кристаллической структуры. Макроскопическая однородность многофазных (гетерогенных) сплавов достигается за счёт равномерного распределения фаз в металлической матрице. Сплавы проявляют металлические свойства, например: электропроводность и теплопроводность, отражательную способность (металлический блеск) и пластичность. Важнейшей характеристикой сплавов является свариваемость.

Сплавы, используемые в промышленности[править | править код]

Сплавы различают по назначению: конструкционные, инструментальные и специальные.

Конструкционные сплавы:

Конструкционные со специальными свойствами (например, искробезопасность, антифрикционные свойства):

Для заливки подшипников:

Для измерительной и электронагревательной аппаратуры:

Для изготовления режущих инструментов:

В промышленности также используются жаропрочные, легкоплавкие и коррозионностойкие сплавы, термоэлектрические и магнитные материалы, а также аморфные сплавы.

  • Лахтин Ю. М.. Металловедение и термическая обработка металлов: Учебник для вузов. — 3-е. — М.: Металлургия, 1983. — 360 с.
  • Геллер Ю. А., Рахштадт А. Г.. Материаловедение. — М.: Металлургия, 1975. — 445 с.
  • Колачев Б. А., Ливанов В. А., Елагин В. И.. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. — М.: Металлургия, 1972. — 480 с.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о