Сплавы

Сплавы - твердые и жидкие системы, образованные сплавлением двух или более компонентов, как правило металлов. Формально к сплавам относятся вообще все системы, полученные сплавлением каких-либо веществ. Примеры неметаллических сплавов - естественные горные породы - гранит, гнейс, базальт, а также силикатные стекла, металлургические шлаки и т. д. Но наибольшее практическое значение имеют металлические сплавы и относительно новые сплавы полупроводников и их соединений.

Еще в глубокой древности люди заметили, что сплавы в большинстве случаев обладают более полезными свойствами, чем составляющие их чистые металлы. У бронзы, к примеру, прочность выше, чем у составляющих ее меди и олова. Сталь и чугун прочнее технически чистого железа.

Свойства сплавов зависят не только от состава, но и от способов их тепловой и механической обработки: закалки, ковки и др. Вплоть до конца XIX в. поиск новых практически полезных сплавов вели методом проб и ошибок. Только на рубеже XIX-XX вв. в результате фундаментальных открытий в области физической химии возникло учение о закономерной зависимости между свойствами металлов и свойствами образованных из них сплавов, о влиянии на них механических, тепловых и других воздействий. Появились многочисленные диаграммы состояния, диаграммы "состав-свойство" для различных систем, как двойных, так и многокомпонентных. Основополагающие исследования сплавов и их свойств проведены П. П. Аносовым, Д. К. Черновым, H.C. Курнаковым, У. Робертс-Остеном, Ф. Осмондом, А. Ле-Шателье, Г. Тамманом, X. Розебомом, Дж. Гиббсом. Последнему принадлежит открытие наиболее общих законов химического равновесия, в частности правила фаз.

Диаграмма состояния описывает характер взаимодействия компонентов сплава: образование твердых растворов, химических соединений, механических смесей, наличие фазовых превращений в твердом состоянии и др. Это дает возможность предвидеть многие физические свойства будущего сплава (твердость, прочность, электропроводность и т. д.) и их изменение в зависимости от температуры и состава. В последние годы ученые для определения свойств сплавов используют методы математического моделирования систем и процессов.

Классифицируют сплавы по-разному, в зависимости от того, какие критерии считаются главными. Так, по числу компонентов сплавы делятся на двойные, тройные и многокомпонентные. Делят их и по числу фаз: однофазные (твердые растворы, интерметаллические соединения) и многофазные (гетеро-фазные). Но чаще сплавы подразделяют по элементам, составившим их основу: медные сплавы, алюминиевые, титановые, никелевые и др. Есть группы сплавов, носящие общие имена: бронзы, латуни и т. д. Иногда в названии сплава фигурируют особо ценные легирующие компоненты (добавки): бериллиевая бронза, вольфрамовая сталь и т. п.

Сплавы отечественного производства маркируют для обозначения их качественного (а иногда и количественного) состава, причем каждому важному легирующему металлу присвоена своя буква. Так, буква X в марке стали означает хром, С-кремний, Н-никель, В - вольфрам, Ф-ванадий, Г-марганец, Ю-алюминий, М-молибден, Т-титан, Д-медь, Б-ниобий, Р-бор.

Элементы, составляющие сплав, могут вступать в химические взаимодействия между собой, но есть и такие сплавы, которые образуются в результате чисто физических процессов. Чаще же всего происходит и то и другое. При этом возникает множество переходных, промежуточных состояний, в которых, например, наряду с растворами образуются и обособленные кристаллы отдельных металлов или их соединений. Так, сплавление железа, вольфрама и некоторых других металлов с углеродом приводит к образованию не только твердых растворов углерода в металле, но и химических соединений - карбидов. Причем кристаллические структуры сплавов могут быть и простыми, и очень сложными. Разнообразны в сплавах и типы межатомной связи: металлическая, ковалентная, ионная (см. Химическая связь).

Разнообразие состава, типов межатомной связи и кристаллических структур сплавов обусловливает значительное различие их физико-химических, электрических, магнитных, оптических, механических и других свойств. Так, например, сплав тантала с вольфрамом (8%) и гафнием (2%) сохраняет высокую прочность при температурах до 2000°С, а известный сплав Вуда (50% висмута, 25% свинца, по 12,5% олова и кадмия) плавится уже при 68°С

Подавляющее большинство широко использующихся в промышленности конструкционных материалов - сплавы. При этом 95% мировой металлопродукции составляют сплавы на основе железа - самого дешевого и доступного металла. Это сталь, чугун, ферросплавы.

Большинство современных сплавов используют в виде мелкозернистых поликристаллов. Получают, однако, и сплавы в виде монокристаллов, которые, как правило, имеют весьма интересные свойства, но применяются на практике, из-за сложности их получения, весьма ограниченно.