В чем отличие примесей от добавок

Легирующие элементы и примеси в сталях: краткий справочник

Характеристики углеродистых сталей далеко не всегда соответствуют требованиям, которые предъявляют к материалам различные отрасли промышленности. Чтобы откорректировать их свойства, используют легирование.

Чем отличаются легирующие элементы от примесей

В углеродистых сталях, помимо основных элементов – железа и углерода, есть и другие: марганец, сера, фосфор, кремний, водород и прочие. Их считают примесями и делят на несколько групп:

• К постоянным относят серу, фосфор, марганец и кремний. Они всегда содержатся в стали в небольших количествах, попадая в нее из чугуна или используясь в качестве раскислителей.
• К скрытым относят водород, кислород и азот. Они тоже присутствуют в любой стали, попадая в нее при выплавке.
• К случайным относят медь, мышьяк, свинец, цинк, олово и прочие элементы. Они попадают в сталь из шихтовых материалов и считаются особенностью руды.

Для каждой из перечисленных примесей характерно определенное процентное содержание. Так, марганца в стали, как правило, не более 0,8 %, кремния – не более 0,4 %, фосфора – не более 0,025 %, серы – не более 0,05 %. Если обычного содержания некоторых элементов недостаточно, для получения сталей с нужными свойствами в них дополнительно вносят в определенных количествах специальные примеси, которые называют легирующими добавками.

Химический состав стали, формируемый в процессе выплавки, напрямую влияет на ее механические свойства

Как примеси влияют на свойства сталей

Примеси оказывают разное влияние на характеристики сталей:

• Углерод (С) повышает твердость, прочность и упругость сталей, но снижает их пластичность.
• Кремний (Si) при содержании в стали до 0,4 % и марганец при содержании до 0,8 % не оказывают заметного влияния на свойства.
• Фосфор (P) увеличивает прочность и коррозионную стойкость сталей, но снижает их пластичность и вязкость.
• Сера (S) повышает хрупкость сталей при высоких температурах, снижает их прочность, пластичность, свариваемость и коррозионную стойкость.
• Азот (N₂) и кислород (O₂) уменьшают вязкость и пластичность сталей.
• Водород (H₂) повышает хрупкость сталей.

Как легирующие элементы влияют на свойства сталей

Легирующие добавки вводят в стали для изменения их характеристик:

• Хром (Cr) повышает твердость, прочность, ударную вязкость, коррозионную стойкость, электросопротивление сталей, одновременно уменьшая их коэффициент линейного расширения и пластичность.
• Никель (Ni) увеличивает пластичность, вязкость, коррозионную стойкость и ударную прочность сталей.
• Вольфрам (W) повышает твердость и прокаливаемость сталей.
• Молибден (Mo) увеличивает упругость, коррозионную стойкость, сопротивляемость сталей растягивающим нагрузкам и улучшает их прокаливаемость.
• Ванадий (V) повышает прочность, твердость и плотность сталей.
• Кремний (Si) увеличивает прочность, упругость, электросопротивление, жаростойкость и твердость сталей.
• Марганец (Mn) повышает твердость, износоустойчивость, ударную прочность и прокаливаемость сталей.
• Кобальт (Co) увеличивает ударную прочность, жаропрочность и улучшает магнитные свойства сталей.
• Алюминий (Al) повышает жаростойкость и стойкость сталей к образованию окалины.
• Титан (Ti) увеличивает прочность, коррозионную стойкость и улучшает обрабатываемость сталей.
• Ниобий (Nb) повышает коррозионную стойкость и устойчивость сталей к воздействию кислот.
• Медь (Cu) увеличивает коррозионную стойкость и пластичность сталей.
• Церий (Ce) повышает пластичность и прочность сталей.
• Неодим (Nd), цезий (Cs) и лантан (La) снижают пористость сталей и улучшают качество поверхности.

Виды легированных сталей

В зависимости от содержания легирующих элементов, стали делят на три вида:

1. Если легирующих элементов менее 2,5 %, стали относят к низколегированным.
2. При их содержании от 2,5 до 10 % стали считаются среднелегированными.
3. Если легирующих элементов более 10 %, стали относят к высоколегированным.

Заключение

Примеси неизбежно присутствуют в сталях, но ряд из них являются вредными (к ним относятся скрытые примеси), поэтому их содержание стараются минимизировать. Легирующие элементы добавляют в стали целенаправленно для улучшения их свойств или получения специфических характеристик.

В чем состоит отличие примесей от добавок в сплавах

Примеси в сплаве — это то, что нельзя или не нужно удалить, так как в этом нет особой необходимости. Причина — дороговизна процесса и нецелесообразность, так как металлический сплав может использоваться в разных отраслях промышленности. Примеси не всегда влияют на качество сплава, однако, при увеличении количественной концентрации тех или иных веществ или металлов, свойства сплава меняются. Что касается добавок — это специально веденные вещества, способствующие изменению основных свойств сплава, например цвета, тугоплавкости, температуры плавления и так далее.

В чем отличие примесей от добавок

Каждый из нас в повседневной жизни имеет дело как с чистыми, так и с загрязненными веществами и, конечно же, со смесями веществ. Данный урок посвящен изучению понятий «чистое вещество», «загрязненное вещество», «смесь веществ». Вы научитесь по определенным признакам различать чистые вещества и смеси веществ.

I. Понятие “компонент”, “смесь”, “примесь”

В по­все­днев­ной жизни каж­дый из нас стал­ки­ва­ет­ся со мно­же­ством сме­сей ве­ществ, имеет дело не толь­ко с чи­сты­ми, но и за­гряз­нен­ны­ми ве­ще­ства­ми. Важно уметь раз­ли­чать дан­ные по­ня­тия и уметь опре­де­лять по кон­крет­ным при­зна­кам, с чем име­ешь дело: чи­стым или за­гряз­нен­ным ве­ще­ством, ин­ди­ви­ду­аль­ным ве­ще­ством или сме­сью ве­ществ. Ведь че­ло­век хочет упо­треб­лять толь­ко ту воду, ко­то­рая не со­дер­жит вред­ных при­ме­сей. Ды­шать мы хотим воз­ду­хом, не за­гряз­нен­ным вред­ны­ми для здо­ро­вья га­за­ми. В ме­ди­цине и про­из­вод­стве ле­кар­ствен­ных пре­па­ра­тов про­бле­ма по­лу­че­ния и ис­поль­зо­ва­ния чи­стых ве­ществ осо­бен­но ак­ту­аль­на.

По­зна­ко­мим­ся с ос­нов­ны­ми тер­ми­на­ми урока.

«Смесь – целостная система, состоящая из разнородных компонентов».

Смесь – это то, что об­ра­зу­ет­ся при пе­ре­ме­ши­ва­нии двух и более раз­лич­ных по свой­ствам ве­ществ.

Ве­ще­ства, со­став­ля­ю­щие смесь, на­зы­ва­ют ком­по­нен­та­ми. На­при­мер, воз­дух – смесь газов: азота, кис­ло­ро­да, уг­ле­кис­ло­го газа и дру­гих.

Если масса од­но­го ком­по­нен­та в де­сят­ки раз мень­ше массы дру­го­го ком­по­нен­та смеси, то его на­зы­ва­ют при­ме­сью. Го­во­рят, что ве­ще­ство за­гряз­не­но. На­при­мер, воз­дух может быть за­гряз­нен угар­ным газом, про­дук­том непол­но­го сго­ра­ния ор­га­ни­че­ских со­еди­не­ний, в част­но­сти бен­зи­на. Кста­ти, бен­зин – это смесь ор­га­ни­че­ских ве­ществ – уг­ле­во­до­ро­дов.

Смеси от­ли­ча­ют­ся друг от друга по внеш­не­му виду. На­при­мер, со­ле­ная вода (смесь по­ва­рен­ной соли и воды) и смесь реч­но­го песка и воды. В пер­вом слу­чае нель­зя уви­деть гра­ни­цы раз­де­ла фаз твер­дое-жид­кое. Такую смесь на­зы­ва­ют од­но­род­ной (или го­мо­ген­ной). Дру­ги­ми при­ме­ра­ми од­но­род­ных сме­сей яв­ля­ют­ся уксус (смесь ук­сус­ной кис­ло­ты и воды), воз­дух, са­хар­ный сироп.

Смесь реч­но­го песка и воды от­но­сят к неод­но­род­ным (или ге­те­ро­ген­ным) сме­сям, т.к. со­став такой смеси неоди­на­ков в раз­ных точ­ках объ­е­ма. Неод­но­род­ны­ми яв­ля­ют­ся смеси глины и воды, бен­зи­на и воды.

В суспензиях видны частицы твердого вещества, в эмульсиях – капельки жидкости, такие смеси называются неоднородными (гетерогенными), а в растворах компоненты не различимы, они являются однородными (гомогенными) смесями.

II. Степень частоты вещества

Если при­ме­си не об­на­ру­жи­ва­ют­ся при ис­поль­зо­ва­нии ве­ще­ства в тех­ни­че­ских целях, то ве­ще­ство на­зы­ва­ет­ся тех­ни­че­ски чи­стым. На­при­мер, ве­ще­ство, из ко­то­ро­го де­ла­ют фи­о­ле­то­вые чер­ни­ла, может иметь в своем со­ста­ве при­ме­си. Но если эти при­ме­си никак не вли­я­ют на ка­че­ство чер­нил, то оно — тех­ни­че­ски чи­стое.

Если при­ме­си не об­на­ру­жи­ва­ют­ся с по­мо­щью хи­ми­че­ских ре­ак­ций, то ве­ще­ство от­но­сят к хи­ми­че­ски чи­стым. На­при­мер, это ди­стил­ли­ро­ван­ная вода.

III. Способы разделения смесей

В природе вещества существуют в виде смесей. Для лабораторных исследований, промышленных производств, для нужд фармакологии и медицины нужны чистые вещества.

Для очистки веществ применяются различные способы разделения смесей

Эти способы основаны на различиях в физических свойствах компонентов смеси.

Рассмотрим способы разделения гетерогенных и гомогенных смесей.

Суспензия– смесь речного песка с водой

Разделение отстаиванием основано на различных плотностях веществ. Более тяжелый песок оседает на дно. Так же можно разделить и эмульсию: отделить нефть или растительное масло от воды. В лаборатории это можно сделать с помощью делительной воронки. Нефть или растительное масло образует верхний, более легкий слой. В результате отстаивания выпадает роса из тумана, осаждается сажа из дыма, отстаиваются сливки в молоке.

Фильтрование

На чем основано разделение гетерогенных смесей с помощью фильтрования? На различной растворимости веществ в воде и на различных размерах частиц. Через поры фильтра проходят лишь соизмеримые с ними частицы веществ, в то время как более крупные частицы задерживаются на фильтре. Так можно разделить гетерогенную смесь поваренной соли и речного песка. В качестве фильтров можно использовать различные пористые вещества: вату, уголь, обожженную глину, прессованное стекло и другие. Способ фильтрования – это основа работы бытовой техники, например пылесосов. Его используют хирурги – марлевые повязки; буровики и рабочие элеваторов – респираторные маски. С помощью чайного ситечка для фильтрования чаинок Остапу Бендеру – герою произведения Ильфа и Петрова – удалось забрать один из стульев у Эллочки Людоедки («Двенадцать стульев»).

Действие магнитом или водой

Порошок железа притягивался магнитом, а порошок серы – нет.

Несмачивающийся порошок серы всплывал на поверхность воды, а тяжелый смачивающийся порошок железа оседал на дно.

Выпаривание или кристаллизация

Вода испаряется, а в фарфоровой чашке остаются кристаллы соли. При выпаривании воды из озер Эльтон и Баскунчак получают поваренную соль. Этот способ разделения основан на различии в температурах кипения растворителя и растворенного вещества.Если вещество, например сахар, разлагается при нагревании, то воду испаряют неполностью – упаривают раствор, а затем из насыщенного раствора осаждают кристаллы сахара.Иногда требуется очистить от примесей растворители с меньшей температурой кипения, например воду от соли. В этом случае пары вещества необходимо собрать и затем сконденсировать при охлаждении. Такой способ разделения гомогенной смеси называется дистилляцией, или перегонкой. В специальных приборах – дистилляторах получают дистиллированную воду, которую используют для нужд фармакологии, лабораторий, систем охлаждения автомобилей.

Если же разделять смесь спирта и воды, то первым будет отгоняться (собираться в пробирке-приемнике) спирт с t_кип = 78 °С, а в пробирке останется вода. Перегонка используется для получения бензина, керосина, газойля из нефти.

Хроматография

Этот спо­соб ос­но­ван на раз­лич­ном по­гло­ще­нии раз­де­ля­е­мых ве­ществ по­верх­но­стью дру­го­го ве­ще­ства.

На­при­мер, крас­ные чер­ни­ла можно раз­де­лить на ком­по­нен­ты (воду и кра­ся­щее ве­ще­ство) по­сред­ством хро­ма­то­гра­фии.

Адсорбция

Это на­коп­ле­ние од­но­го ве­ще­ства на по­верх­но­сти дру­го­го ве­ще­ства. К ад­сор­бен­там от­но­сит­ся, на­при­мер, ак­ти­ви­ро­ван­ный уголь.

В на­сто­я­щее время ад­сорб­ция ши­ро­ко при­ме­ня­ет­ся для очист­ки воды и воз­ду­ха. На­при­мер, филь­тры для очист­ки воды со­дер­жат в ка­че­стве ад­сор­бен­та ак­ти­ви­ро­ван­ный уголь.