«Сплавы»

(хим.). — До самого последнего времени о природе С. не существовало точных и верных представлений и они вместе с растворами, стеклами и изоморфными смесями относились к классу неопределенных химических соединений. В настоящее время с очевидностью доказано, что, вообще говоря, С. представляют простое сопоставление двух (или нескольких) тел и таким образом являются механической смесью, физически неоднородной. Лишь в некоторых частных случаях С. могут обладать полной однородностью, а именно: 1) если взятые металлы способны соединяться друг с другом и давать определенное химическое соединение и 2) если взятые металлы (или металл и определенное соединение) способны образовывать изоморфную смесь или твердый раствор. Таким образом, по своему строению, сплавы всего более приближаются к массивным горным породам, изучаемым петрографией, каковы, например, граниты, порфиры и т. п., и сообразно с этим, та отрасль знания, которая занимается изучением С., носит название металлография. Эта отрасль науки, развившаяся лишь за последние годы, могла возникнуть только после тех успехов, которые сделало учение о растворах и подвижных равновесиях, и в короткое время достигла значительных результатов, благодаря приложению правила фаз (см.) и применению микроскопа к исследованию строения С.

Возможность приложения правила фаз к суждению о строения С. явствует из того, что сплавы образуются при затвердевании жидкого раствора взятых металлов. Как известно, для получения С. или прямо расплавляют взятые металлы и полученный таким образом металлический раствор охлаждают, или же один металл берется в жидком виде — расплавленный, а другой растворяется в нем в твердом виде. Во всяком случае, образование твердых С. происходит путем застывания истинного жидкого раствора металлов и представляет обратимый процесс; таким образом, при температуре затвердевания твердый С. и жидкий раствор находятся в состоянии равновесия и являются фазами гетерогенной системы. Поэтому, как и при растворах, по изменению температур застывания С. можно судить о том, как относятся взятые металлы друг к другу. Таким образом, определение кривых плавкости С. может служить методом для исследования С. С помощью этого метода взаимное отношение металлов друг к другу изучено довольно подробно и позволяет все С. разбить на три главные группы:

1) взятые металлы A и B не оказывают никакого взаимодействия друг на друга. В этом только случае жидкий С. является однородным телом — раствором в обычном смысле этого слова; при затвердевании он распадается на свои компоненты A и B так, что твердый С. является механической смесью взятых металлов A и B. Если выражать графически изменение температур затвердевания этих С., откладывая по оси абсцисс процентный состав, а по оси ординат температуры затвердевания, то кривая плавкости изобразится двумя ветвями, спускающимися к оси абсцисс и пересекающимися в некоторой точке. В самом деле, если в расплавленном металле A растворять все большие и большие количества металла B, то, согласно закону Рауля, температура застывания этих растворов будет все более и более понижаться и графически выразится кривой, спускающейся к оси абсцисс. Точно также, если в расплавленном металле B растворять все большие и большие количества металла A, то также произойдет понижение температур затвердевания, которое выразится второй ветвью, также спускающейся к оси абсцисс. Очевидно эти кривые должны пересекаться в некоторой точке, отвечающей С. такого состава, когда при одной и той же температуре будут одновременно выделяться в твердом виде оба металла. Эта точка при водных растворах отвечает так называемому криогидрату; в случае С. она называется эвтектической точкой, т. е. точкой, отвечающей наиболее легкоплавкому С., так как ниже температуры эвтектической точки никакой С. металлов A и B не может существовать в жидком состоянии. Примером таких С. могут служить С. олова и цинка, олова и свинца, олова и висмута и др. (фиг. 1).

Фиг. 1.

Из рассмотрения этих кривых следует, что постоянную температуру застывания такие С. будут иметь только в том случае, если состав их точно отвечает эвтектической точке. В самом деле, если взять, например, С. олова и висмута, лежащий левее эвтектической точки, например С., состоящий из 80% Sn и 20% Bi, то он начнет затвердевать при 200° Ц. и при этом в твердом виде будут выпадать только кристаллы олова. По мере того, как олово будет выкристаллизовываться, жидкий раствор будет все более и более обогащаться висмутом и, следовательно, температура его застывания будет понижаться. Так будет происходить до тех пор, пока состав жидкой части не достигнет эвтектической точки, тогда вместе с оловом начнет выделяться и висмут, и состав жидкой части будет оставаться без изменения до самого конца застывания. Подобное же рассуждение применимо и к С. с избытком висмута. Таким образом, всякий С. затвердевает так, что температура все время понижается, причем жидкая часть приближается к составу, отвечающему эвтектической точке, и когда он достигнет этой точки, то температура остается постоянной до конца затвердевания. Это вполне согласно с правилом фаз (см.): в начале затвердевания система моновариантная, т. е. число фаз на 1 превышает число действующих тел: 2 вещества — Sn и Bi и 3 фазы — парообразная, жидкая и твердая; когда жидкая часть достигает эвтектической точки, система переходит в нонвариантную, т. е. число фаз на 2 превышает число действующих тел: 2 вещества и 4 фазы — парообразная, жидкая и две твердых.

2) Металлы A и B образуют определенное химическое соединение Am Bn. В этом случае соединение Am Bn играет роль самостоятельного металла и все сплавы распадаются на две группы: сначала образуются С. металла A и соединения Am Bn, a потом С. соединения Am Bn и металла B. Каждая из групп представляет те же явления, которые были разобраны выше. Таким образом, кривая плавкости будет состоять из 3-х ветвей, как это видно на фиг. 2; она имеет 2 minimum'а и 1 maximum, который отвечает определенному соединению Am Bn.

Фиг. 2.

Это соединение с каждым из компонентов A и B образует эвтектические смеси, которые отвечают munimum'ам. Примером таких С. могут служить С. сурьмы и меди, кадмия и меди и др.; определенные соединения, отвечающие этим парам, выражаются формулами SbCu 3 и Cd 3 Cu. Постоянной температурой затвердевания будут обладать С., отвечающие эвтектическим точкам, и кроме того, С., отвечающий определенному соединению. В случае, если компоненты A и B образуют два соединения, кривая плавкости становится еще сложнее: она имеет 2 maximum'а, отвечающие определенным соединениям, и 3 эвтектические точки, как это нетрудно увидеть. Примером могут служить С. алюминия и меди (фиг. 2), образующие два соединения, Al 2 Cu и AlCu 3.

3) Металлы A и B образуют изоморфную смесь. В этом случае кривая плавкости не имеет ни maximum'ов, ни minimum'ов и приближается к прямой, соединяющей температуры плавления чистых металлов. Примером таких С. могут служить сурьма и висмут (фиг. 3), оба кристаллизующиеся в гексагональной системе, золото и серебро (фиг. 4), образующие кристаллы правильной системы. Температуры затвердевания этих С. являются постоянными при всяком составе или же изменяются в очень узких пределах (см. ниже).

Фиг. 3.

Фиг. 4. Фиг. 5.

Рассмотренные три типических случая взаимодействия металлов при сплавлении можно считать основными, но они не охватывают явления С. во всей совокупности и в действительности в них наблюдаются более сложные соотношения. Здесь прежде всего следует отметить два обстоятельства: разложение сложных металлических соединений при плавлении и образование так называемых твердых растворов. Мы здесь вкратце рассмотрим эти явления, отсылая за подробностями к соответствующим статьям. Подобно тому как многие соединения солей с кристаллизационной водой не могут быть при обыкновенных условиях превращены в жидкое состояние, но распадаются на твердую соль (безводную или с иным содержанием воды) и водный раствор, так и многие соединения металлов не могут существовать в жидком состоянии. Благодаря этому — кривая плавкости не может быть доведена до maximum'a, отвечающего образованию определенного соединения, и, при некоторой определенной температуре, жидкий С., еще не достигнув состава соединения, начинает при затвердевании выделять кристаллы другого высшего соединения. Вследствие этого в этой точке происходит разрыв непрерывности и затем начинается новая ветвь кривой, отвечающая выделению высшего соединения. Таким образом, температура затвердевания все время повышается и существование определенных соединений обнаруживается не maximum'ами, но переломами кривой. Примером таких С. могут служить С. ртути с натрием и калием (фиг. 5). Калий и натрий образуют с ртутью прочные соединения состава KHg 2 и NaHg 2, отвечающие наивысшим температурам затвердевания. Но, кроме этих соединений, Na и K образуют еще несколько других, менее прочных и разлагающихся ниже своей температуры плавления. Поэтому кривые плавкости не представляют непрерывности, но дают несколько особенных точек, так называемых точек перехода. Так, для натрия кривая ABCDEFGHN после эвтектической точки B на восходящей ветви дает 4 таких точки C, D, E, F, и в этих точках состав выпадающей твердой фазы претерпевает изменение. Так, начиная от точки B до точки O выделяется соединение, кристаллизующееся в гексагональных таблицах, состав которых близок к формуле Na 5Hg2. В точке C эти кристаллы плавятся с образованием октаэдрических кристаллов с меньшим уже содержанием натрия и кривая CD отвечает выделению этого нового соединения и т. д. На основании переходных точек можно с известной степенью вероятности определять состав соединений, подыскивая простейшие кратные отношения в пределах между двумя соседними точками перехода. Так, для соединения, выпадающего на отрезке BC, пределы определяются точками C и E (D не вполне достоверна). В точке O С. имеет состав 2,5 Na и 1Hg, в точке E — состав отвечает формуле HgNa, следовательно, выражая состав искомого соединения формулой HgNa n, для n получаем пределы 2,5 и 1, простейшие отношения будут 5:2 и 2:1, т. е. соединение отвечает или формуле Na 5Hg2, или формуле Na 2Hg.

Под именем твердых растворов подразумевают однородные кристаллические тела, заключающие два вещества в неопределенных пропорциях. Частным случаем твердых растворов являются изоморфные смеси, которые образуются телами, имеющими сходственное химическое строение и кристаллизующимися в одной и той же системе. Образование твердых растворов наблюдается в С. чрезвычайно часто и зависимость их от кристаллографического строения пока неизвестна. В случае образования твердых растворов кривая плавкости может резко отличаться от нормального вида. Самое затвердевание жидкого С. при этом происходит иначе. В этом случае жидкий раствор двух компонентов A и B при застывании выделяет кристаллы не чистого металла A или B, но кристаллы A с содержанием некоторого количества металла B или наоборот. При этом надо различать два главных случая: во-первых, если концентрация выпадающего твердого раствора имеет некоторый предел. Тогда жидкий С., концентрация которого менее предельной концентрации твердого раствора, затвердевает весь в некоторых пределах температуры, не достигая эвтектической точки, если же жидкий С. обладает концентрацией, превышающей предельную концентрацию твердого раствора, то затвердевание идет обычным порядком, с тем только различием, что вместо компонента A выделяется твердый раствор предельной концентрации. Во-вторых, твердый раствор может иметь любую концентрацию. В этом случае жидкий сплав всякой концентрации затвердевает в узких пределах температур и кривая плавкости не имеет minimum'а, отвечающего эвтектической точке. Сплавы цинка и меди (фиг. 4) могут служить примером такого явления. Цинк и медь образуют соединение Zn 2 Cu, которое дает твердые растворы и с медью, и с цинком. Благодаря этому, кривая плавкости состоит лишь из двух ветвей, пересечение которых отвечает этому соединению.

Существование твердых растворов с несомненностью может быть обнаружено при помощи метода плавкости только в случаях, если образуются твердые растворы большой концентрации, когда ход кривых плавкости значительно уклоняется от нормального вида. При образовании же твердых растворов слабой концентрации — кривые мало уклоняются и при обычных способах определения температуры (при помощи пирометра Ле Шателье) это уклонение не может быть обнаружено. В этом отношении чрезвычайно ценные результаты дает метод электровозбудительных сил. Сущность этого метода заключается в следующем: если в раствор какого-нибудь электролита, например серной кислоты, погрузить две пластинки каких-нибудь двух металлов и соединить их проводником, то эти металлы электризуются и дают некоторую разность потенциалов, вследствие чего в проводнике образуется гальванический ток. Если одну из этих пластинок заменять различными другими металлами, то каждый раз будет получаться определенная электровозбудительная сила, характерная для взятой пары металлов. Возьмем две пластинки одного и того же металла, например цинка, погрузим их в сосуд со слабой серной кислотой и соединим их металлическим проводником — тока, как известно, не будет. Опустим в тот же сосуд третью пластинку другого металла, например меди, и приведем ее в соприкосновение с одной из цинковых пластинок, тогда в месте соприкосновения будут возникать разности потенциала, но так как система будет замкнутая, то в проводнике, соединяющем оба цинка, тока никакого не будет. Сколько бы мы ни взяли медных и цинковых пластинок, находящихся в непосредственном соприкосновении в жидкости, все равно в проводнике, соединяющем эту систему с отдельной цинковой пластинкой, тока не будет. Но стоит только в этой системе цинковые пластинки заменить какими-нибудь другими пластинками, тогда тотчас же возникнет электродвижущая сила и в проводнике появляется ток. Таким образом, если составить гальванический элемент, в котором одним электродом служит более окисляемый металл A, а другой электрод последовательно заменять С. его с металлом B и определять электровозбудительную силу такого элемента, то величина ее будет претеpпевать резкое изменение в тот момент, когда в С. появляется новый компонент. Если два металла относятся к первому типу, т. е. не дают ни соединения, ни изоморфной смеси, то С. их представляют простую механическую смесь взятых металлов и, следовательно, на основании предыдущего, электровозбудительная сила элемента, составленного из металла A (более окисляемого) и С. его с металлом B, должна быть равна нулю и только в том случае, когда вместо С. берут чистый металл B, она должна достигнуть некоторой величины. Примером таких С. могут служить С. кадмия и олова; разность потенциалов между кадмием и С. его с оловом, погруженными в раствор серно-кадмиевой соли CdSO 4, приведены в следующей таблице:

Молекулярные проценты Cd:

Разность потенциалов, в милливольтах

89,3

83,2

74,2

66,51

57,1

49,8

41,8

33,5

25,8

16,9

10,7

9,6

5,3

2,7

1,1

0,0

0,2

—0,2

—0,4

0,2

0,2

0,0

0,0

0,0

0,4

—0,4

—0,2

—0,2

—0,4

—2,6

137,6

163,0

Графически эти данные представлены на фиг. 6.

Фиг. 6. Фиг. 7. Фиг. 8.

Рассматривая эти цифры, мы видим, что разность потенциалов все время почти равна нулю, но, подходя к С. с малым содержанием Cd, она начинает непрерывно возрастать. Причину этого нетрудно разгадать: очевидно, при большом избытке олова один из компонентов исчезает, а другой начинает изменяться непрерывным образом, т. е. олово образует с кадмием твердый раствор ограниченной концентрации и, когда С. достигает этой концентрации, то он становится однородным и с увеличением содержания олова свойства его изменяются непрерывно, сообразно с этим и разность потенциалов начинает возрастать. Подобные исследования, произведенные над различными С., доказали, что явления твердых растворов в С. весьма распространены и ускользают от наблюдения при других методах исследования только благодаря тому, что концентрация твердых растворов в большинстве случаев очень незначительна. Для практики это обстоятельство имеет огромное значение, так как в нем кроется причина громадных изменений свойствах металлов, от присутствия незначительного количества примесей. Известно, как сильно уменьшается электропроводность меди под влиянием примесей. Точно так же и механические свойства металлов сильно изменяются от самых ничтожных количеств посторонних тел. Робертс Аустен произвел обстоятельное исследование над изменением механических свойств золота под влиянием 0,2% различных примесей; результаты его исследований приведены в следующей таблице:

Примеси

Количество примесей на 100 весовых частей золота

Сопротивление разрыву на 1 кв. мм, в килограммах.

Удлинение

K

Bi

Fe

Pb

Tl

Sn

Sb

Cd

Ag

Pd

Zn

Rh

Mn

In

Cu

Li

Al

<0,2

0,210

0,186

0,240

0,193

0,196

0,203

0,203

0

0,200

0,205

0,205

0,210

0,207

0,290

0,193

0,201

0,186

<0,8

0,80

6,11

6,57

9,78

9,78

9,45

10,83

11,03

11,18

11,18

11,88

12,22

12,58

12,58

12,95

13,97

13,97

неизмеримо

id.

id.

4,9

8,6

12,3

?

44,0

30,8

33,3

32,6

28,4

25,0

29,7

26,5

43,5

21,0

25,5

Не останавливаясь подробнее на этом вопросе, заметим только, что метод электровозбудительной силы является весьма чувствительным к обнаружению твердых растворов. В случае, если взятые металлы образуют соединение, состав его может легко быть определен с помощью метода электровозбудительной силы. В самом деле, пока С. содержит избыток металла A, разность потенциалов должна быть равна нулю. Как только С. перейдет определенное соединение, вместо компонентов A и Am Bn в С. появляются новые компоненты Am Bn и B и разность потенциалов должна претерпеть сразу сильное изменение. Определяя, в каких пределах состава происходит это изменение, легко можно установить формулу соединения. На фиг. 7 и 8 приведены кривые такого рода для С. Zn и Cu (латунь) и Sn и Cu (бронза). Если сравнить их с кривыми плавкости (фиг. 4 и 2), то можно видеть, что образование твердых растворов сказывается и здесь в виде непрерывной ветви.

Остается сказать еще несколько слов о самой постановке опыта: в действительности измеряют не электродвижущую силу элемента, а поляризацию его при пропускании через него некоторого постоянного тока. Под влиянием этого тока происходит электролиз соли более окисляемого металла A, в раствор которой погружаются металл A и С., и металл A все время переносится со сплава на пластинку металла A. Таким образом, поверхность электродов остается все время без изменения и, благодаря этому, результаты получаются более постоянные. Самое измерение производится обычными способами. Мы не будем останавливаться на рассмотрении других физических методов для исследования С., укажем только, что всякое физическое свойство, доступное измерению, может быть положено в основание для выработки метода; так, можно исследовать С. при помощи удельного веса, электропроводности, твердости, коэффициентов расширения и т. п. Каждый из этих методов имеет свои выгоды и невыгоды, но, вообще говоря, вывести правильные заключения с помощью одного какого-нибудь метода, в большинстве случаев, невозможно и необходимо производить исследование несколькими методами зараз.

Выводы о строении и природе С., полученные при помощи различных методов, доступны непосредственной проверке при помощи микроскопа. Эти наблюдения, позволяющие непосредственно судить о микроструктуре С., являются чрезвычайно веским подтверждением справедливости современного учения о природе С. Для изучения микроструктуры С. пользуются обыкновенными микроскопами, позволяющими достигать увеличения до 1000 раз, с тем только отличием, что микроскопы снабжаются особым осветителем, позволяющим производить наблюдение не в проходящем, а в отраженном свете. Это достигается при помощи небольшой призмы, помещенной на зрительной оси. Луч, падающий на призму, претерпевает полное внутреннее отражение и направляется на предмет, помещенный под объективом. С., подвергаемый исследованию, отшлифовывается последовательно при помощи наждака различной крупности, наклеенного на бумагу, и окончательно отполировывается при помощи крокуса, натертого на сукно или замшу. Полученная таким образом поверхность должна быть блестяща, как зеркало, и не иметь штрихов, образующихся при шлифовании. Иногда при большом различии в твердости компонентов одной такой шлифовки уже достаточно для того, чтобы обнаружилась структура, но в большинстве случаев необходимо сделать так называемое вытравление. Вытравление производится при помощи какого-нибудь реагента, химически действующего на компоненты С. Выбор вытравителя производится так, чтобы он действовал на одну составляющую и не действовал на другую или, по крайней мере, действовал на них с неодинаковой силой. Обыкновенно употребляют кислоты HNO 3, HCl, H2SO4 — крепкие или разведенные, царскую водку, бромную или йодную воду и т. п. Более правильное вытравление производится при помощи слабого гальванического тока, который пропускают через С., погруженный в раствор подходящего реагента. При этом со С. соединяют положительный полюс батареи (на котором выделяется кислотный радикал), а отрицательный соединяют с платиновой пластинкой, погруженной в ту же жидкость. Плотность тока должна быть не более 0,1 ампера на кв. стм вытравливаемой поверхности. Способ этот позволяет производить вытравление при помощи солей и дает возможность регулировать степень вытравления при помощи изменения силы тока и времени его действия. Шлифы С. очень мягких металлов, например свинцовых, оловянных, вместо шлифования, лучше приготовляются отливкой на полированную или гладкую поверхность, например, стали, слюды и т. п. и затем вытравляются обычным образом. Надлежаще вытравленный шлиф, помещенный в поле микроскопа, при увеличении в 150—300 раз, позволяет непосредственно рассмотреть структуру С., в редких случаях приходится прибегать к более сильным увеличениям. К микроскопу можно присоединить фотографическую камеру.

МИКРОФОТОГРАФИИ СПЛАВОВ

1. Быстроохлажденный сплав сурьмы (39%) с медью (61%), представляющий твердый раствор Sb в SbCu 3. 2. Сплав (определенное соединение) сурьмы с платиной состава PtSb 2. 3. Определенное соединение сурьмы с медью SbCu 3. 4. Эвтектическая смесь олова (45%) и висмута (55%). 5 и 6. Эвтектические смеси меди и кадмия. 7. Сплав меди и кадмия с избытком компонента CuCd 2. 8. Сплав сурьмы и меди с избытком сурьмы. 9. Сплав сурьмы и меди с избытком меди. 10. Сплав меди (10%) и сурьмы (90%) — верхняя часть. 11. Тот же сплав — нижняя часть. 12. Тройной сплав свинца (21%), олова (5,5%) и висмута (74,5%).

Подобные исследования показали, что строение С. находится в строгой зависимости от количественного состава С. и от характера взаимодействия компонентов его. Как уже указано было выше, полной однородностью С. будет обладать только в том случае, если металлы взяты в пропорции, отвечающей определенному соединению, или если компоненты дают изоморфную смесь или твердый раствор. В этом случае шлиф С. является совершенно однородным, состоящим из отдельных кристаллов, более или менее деформированных под влиянием давления, образующегося вследствие сжатия при охлаждении. Примеры подобной структуры можно видеть на фиг. 9, представляющей микрофотографию чистого золота, на фиг. 1 (табл.) — твердый раствор Sb в соединении сурьмы с медью SbCu 3.

Фиг. 9.

Фиг. 2 и 3 (табл.) дают микроструктуру определенных соединений PtSb 2 и SbCu 3. Как видно из этих рисунков, здесь, кроме кристаллических образований этих соединений, находится незначительное количество какого-то другого вещества; это происходит оттого, что состав С. не вполне точно отвечал формулам и избыток одного из металлов выделился в промежутках между зернами соединения. В том случае, когда С. неоднороден, строение его более сложно. Здесь надо различать два случая. 1) Компоненты не дают твердого раствора. В этом случае, как известно, температура С. непрерывно понижается, пока не достигнет эвтектической точки. Следовательно, здесь кристаллические выделения одного из компонентов должны быть окружены эвтектической смесью. Микрофотографии эвтектических смесей приведены на табл. фиг. 4 для Sn и Bi и фиг. 5 и 6 для С. Cu и Cd. В последнем случае компонентами являются Cu и определенное соединение CuCd 2. Характерной особенностью эвтектических смесей является отсутствие ясно выраженных кристаллов. Так как при затвердевании эвтектических смесей происходит одновременное выделение обоих компонентов, то условия для развития хороших кристаллов крайне неблагоприятны. Такой характер эвтектических смесей общ для всяких С. и они представляются или попеременно чередующимися слоями обоих компонентов (табл., фиг. 4 и 5), или же точечными выделениями одного компонента, окруженного слоями другого компонента (табл., фиг. 6). Если взять С. не отвечающий эвтектической точке, то строение его должно представиться в виде образований одного из компонентов, окруженных эвтектической смесью. Примеры подобной структуры можно видеть на табл. фиг. 7, представляющей микрофотографию С. Cu и Cd с избытком компонента CuCd 2, и фиг. 8 — отвечающей С. Sb и Cu с избытком сурьмы. 2) Один из компонентов образует твердый раствор. В этом случае эвтектическая точка будет отвечать твердому раствору наибольшей концентрации и микроструктура соответствующего С. представляет однородное поле, также как и С. содержащие избыток того компонента, который является растворителем в твердом растворе. При избытке же второго компонента структура С. представляется в виде кристаллических образований избытка этого компонента, окруженного однородным твердым раствором. Фиг. 9 таблицы представляет микрофотографию С. Sb и Cu, содержащего избыток меди.

До сих пор мы рассматривали С. двух металлов. В случае трех металлов С. представляют подобные же явления и могут быть изучены теми же методами, но, разумеется, соотношения в них сложнее. Мы рассмотрим С. Pb, Sn и Bi. Графическое изображение температур плавления их уже не может быть представлено на плоскости, но должно быть отнесено к трем координатам. Для этого поступают следующим образом: в равностороннем треугольнике ABC (фиг. 10) сумма расстояний Ma+Mb+Mc какой-нибудь точки M от сторон треугольника есть величина постоянная, равная высоте треугольника. Если положить, что Ma+Mb+ Мс=100, то состав всякого С. может быть представлен какой-нибудь точкой внутри треугольника, причем Ma = процентному содержанию Pb, Mb — Sn и Mc — Bi.

Фиг. 10.

Если в каждой точке восстановлять перпендикуляр, пропорциональный температуре затвердевания С., соответствующего взятой точке, то получится некоторая поверхность, которая выразит температуры затвердевания С. Поверхность эта имеет вид, представленный на фиг. 11.

Фиг. 11.

Ординаты, восстановленные в вершинах треугольника, выражают температуры плавления чистых металлов. Плоскости, имеющие основанием стороны треугольника, выражают температуры плавления двойных С.: Pb и Sn, Sn и Bi, Bi и Pb. Поверхность состоит из трех частей, отвечающих избытку каждого из трех компонентов. Эти части, пересекаясь попарно, дают по две кривые линии, отвечающие двойным эвтектическим смесям, а эти линии пересекаются в общей точке, отвечающей тройной эвтектической смеси. Затвердевание какого-нибудь тройного С. происходит таким образом, что сначала начинает выделяться тот компонент, который находится в избытке. По мере его выпадения жидкий С. будет приближаться к двойной эвтектической линии и когда достигнет ее, то начинает выделяться второй компонент; жидкий С. будет тогда приближаться к составу тройной эвтектической смеси и когда достигнет ее, то температура затвердевания будет оставаться без изменения, пока вся масса не затвердеет. Сообразно с таким механизмом затвердевания микроструктура С. будет представлять следующее: кристаллы избыточного компонента окружены двойной эвтектической смесью, которая в свою очередь будет окружена тройной эвтектической смесью. Фиг. 12 таблицы представляет микрофотографию такого тройного С., содержащего 21% Pb, 5,5% Sn и 74,5% Bi, на которой ясно видны 3 последовательные фазы затвердевания.

Рассмотренное строение С. легко объясняет то явление, которое постоянно наблюдается при отливках и которое известно под названием ликвации. Сущность ликвации состоит в том, что различные части отлитой болванки имеют неодинаковый состав. Теперь сделалось очевидным, что все С. за исключением тех, строение которых вполне однородно, должны при затвердевании давать явление ликвации. Из неоднородных С. только те С., состав которых отвечает эвтектической точке, не будут обнаруживать ликвации. Все же остальные С. при застывании выделяют кристаллы одного компонента, которые или тонут, или всплывают наверх, сообразно удельному весу; когда же жидкий С. достигнет эвтектической точки, то С. будет замерзать как однородное тело, хотя и является неоднородным. Само собой понятно, что чем ближе удельный вес жидкого С. и выделяющегося компонента, чем быстрее производится охлаждение и чем меньше расстояние между началом затвердевания и температурой затвердевания эвтектической смеси, тем менее ликвация будет давать различия в составе различных частей болванки. Фиг. 10 и 11 табл. представляют микроструктуру верхней и нижней части С. меди и сурьмы (10% Cu и 90% Sb), из которых процесс ликвации очевиден.

Нам остается рассмотреть еще химическую сторону С., т. е. те соединения, которые дают металлы. Эти соединения совершенно подобны обычным химическим соединениям и во многих случаях по своим свойствам резко отличаются от свойств своих составных частей. Во многих случаях образование этих соединений сопровождается таким громадным выделением тепла, что реагирующая масса раскаляется до ярко-красного каления. Примером таких соединений могут служить амальгамы калия и натрия KHg 2 и NaHg 2, С. меди и алюминия Аl 2 Cu, платины и сурьмы PtSb 2. Реакции образования этих соединений по своей энергичности напоминают явление горения. Некоторые из металлических соединений имеют очень характерный цвет; так, соединение Al 2 Au пурпурного цвета, Cu 3 Sb — фиолетового. Что касается формы этих соединений, то на первый взгляд может показаться, что они не отвечают обычным эквивалентностям, но, по всей вероятности, это происходит оттого, что частицы этих соединений имеют более сложное строение, нежели то, которое представляют эмпирические формулы. Во всяком случае, уже теперь очень многие соединения можно разбить на несколько групп, в которых замещение одних металлов другими вполне согласно с периодической системой элементов (см.). Примером таких групп могут служить соединения типа бронзы RM 3, где M есть металл первой группы. Сюда относится обыкновенная бронза SnCu 3, сурьмяная бронза SbCu 3, серебряная бронза SbAg 3, соединение BiNa 3. Большую группу составляют соединения типа латуни R 2 M, где R есть металл второй группы, а M металл первой. Сюда относятся: обыкновенная латунь Zn 2 Cu, в котором Zn замещается Cd и дает Cd 2 Cu; замещая медь натрием, получим Cd 2 Na — соединение, хорошо изученное Курнаковым; замещая Cd ртутью, получим амальгамы Hg 2 Na и Hg 2 K; сюда же, вероятно, относятся и соединения Al 2 Au и Al 2 Cu. Соединение PtSb 2, по-видимому, относится к группе пирита FeS 2 и кристаллизуется также в правильной системе. При всех этих замещениях металлы, замещающие друг друга, или вполне эквивалентны, или же находятся в двух соседних группах (Sb и Sn, Al и Hg). Металлы, замещающие друг друга, соединяются между собой в отношении 1: 1, например, известны соединения SbSn и AlSb. Следующая таблица представляет попытку системы металлических соединений.

Тип бронзы

RM3

M — металл первой группы; R — металл пятой группы, он может быть замещен металлом из четвертой группы:

SbH3 BiNa3 SbCu3 (BiCu3) SnCu3 SbAg3 (SnAg3)

Тип латуни

R2M

M — металл первой группы; R — металл второй группы, он может быть замещен металлом третьей группы:

Zn2Cu Cd2Cu Al2Cu Cd2Na Hg2Na Al2Au Hg2K Hg2Tl

Тип

RR'

AlSb SnSb

Тип

MM'

KTl (KNa) NaTl

В то же время, сопоставляя соединения какого-нибудь одноатомного металла с металлами других групп, получаем правильное возрастание числа атомов этого металла по мере увеличения кислотных свойств второго металла. Так, для натрия мы имеем хорошо изученный ряд:

NaHg2, NaTl, Na2Pb, Na3Bi.

Эти факты показывают, что соединения металлов между собой подчиняются тем же законам, что и обычные соединения, и недалеко время, когда они будут приведены в полное соответствие с периодической системой.

В заключение рассмотрим те превращения, которые происходят в уже затвердевших С. Опыт показывает, что свойства некоторых С. сильно изменяются в зависимости от того, насколько быстро произведено было охлаждение затвердевшего С. В связи с этим находится также и то обстоятельство, что, нагревая некоторые С. продолжительное время ниже температуры плавления, можно весьма сильно изменить свойства С. Шарпи произвел обширное исследование в этом направлении над С. меди и цинка и показал, что механические свойства этих С. сильно изменяются под влиянием продолжительного нагревания, причем микроструктура их совершенно изменяется. Робертс Аустен и Стансфильд, наблюдая охлаждение С. олова и меди (75% Cu) заметили, что между 500° и 600°, т. е. в то время, как С. уже сполна отвердел, происходит замедление скорости охлаждения, обусловленное, без сомнения, каким-то экзотермическим превращением, происходящим уже в твердом виде. Все эти факты показывают, что в С. могут происходить явления, аналогичные закалке стали. Исследование, произведенное над явлениями закаливания в С. меди и сурьмы, показали, что закалка в них обуславливается существованием двух полиморфных разновидностей соединения SbCu 4, из которых одна устойчива выше 400°, другая — при низших температурах. Переход одной разновидности в другую сопровождается выделением теплоты, вследствие чего при охлаждении этих С. наблюдается остановка пирометра при 400° Ц. Это явление совершенно аналогично явлению рекалесценции в стали. В связи с этим наблюдается и различие строения между закаленными и отпущенными С. Различие это обуславливается тем, что разновидность, стойкая выше 400° Ц., образует твердые растворы с Cu или Sb, которые при охлаждении распадаются с выделением этих металлов, так как вторая разновидность неспособна давать твердые растворы. Все эти факты приобретают особенный интерес вследствие того отношения, которое они могут иметь для разъяснения вопроса о закалке стали (см.).

Литература

о С. сосредоточенна почти исключительно в периодических изданиях. Кроме специального журнала "The Metallographist", следует указать "Engineering" и "Bulletin de la Soci été d'encouragement pour l'Industrie nationale". В последних двух журналах помещаются отчеты и труды английского "Комитета для исследования С." (Alloys Research Committee, осн. в 1890 г.) и французской "Комиссии С." (Commission des alliages, осн. в 1896 г.). Наиболее выдающиеся труды принадлежат французским ученым Ле-Шателье, Шарпи, Готье и английским Робертсу Аустену, Гейкоку и Невилю; кроме того, следует упомянуть еще Осмонда. В 1900 г. по инициативе профессора Н. С. Курнакова основана русская Металлографическая комиссия для исследования С. при Императорском русском техническом обществе. Из русских работ по С. следует отметить статью Н. С. Курнакова: "О взаимных соединениях металлов"("Журнал Русского Физико-химического Общества", 1899). Из немецких укажем H. Behrens, "Das mikroskopische Gef ü ge der Metalle und Legierungen" и статью Гершковича: "Исследование металлических С." ("Zeitschr. f. phys. Ch.", XXVII, 123; 1898). Из французских работ укажем; Le Chatelier, "Изучение С. при помощи измерения электровозбудительной силы" ("Bull. de la Soc. d'Encour.", 1895), "Об определенных соединениях в С." (ib., 1895), "О плавкости металлических С." (ib., 1895), "Металлографическая микроскопия" (ib., 1896), "Техника металлографической микроскопии" (ib., 1900), "О расширении С." (ib., 1899); Charpy, "Исследование С. меди с цинком" (ib., 1896), "Микроскопические исследования С." (ib., 1897), "Исследование белых антифрикционных С." (ib., 1898), "О влиянии температуры на С." (ib., 1899); H. Gautier, "Исследование плавкости металлических С." (ib., 1896); Roberts Austen et Osmond, "Структура металлов" (ib., 1896).

А. А.

Байков. Δ .

Технические сведения о составе употребительных С. см. в ст. Амальгама, Аргентан, Бронза, Гарт, Латунь, Ликвация, Мельхиор, Монетные сплавы, Сталь, Томпак, Ферроманган и при соответственных металлах, например Висмут, Золото, Марганец, Медь, Никель, Олово, Ртуть, Свинец, Серебро, Сурьма, Цинк и др.

I

Спла́вы

металлов, металлические сплавы, твёрдые и жидкие системы, образованные главным образом сплавлением двух или более металлов (См. Металлы), а также металлов с различными неметаллами. Термин «С.» первоначально относился к материалам с металлическими свойствами. Однако с середины 20 в. в связи с бурным развитием физики и техники полупроводников и полупроводниковых материалов понятие С. расширилось и распространилось на С. элементарных полупроводников и полупроводниковых соединений. С. даже при сравнительно простой кристаллической структуре часто обладают более высокими механическими и физическими свойствами, чем составляющие их чистые металлы, например твёрдые растворы Cu—Sn (Бронза) или Fe—C (Чугун, Сталь). Два больших периода истории материальной культуры — Бронзовый век и Железный век — названы по тем металлам и С., из которых изготовлялись орудия труда, предметы вооружения и пр. Издавна было известно, что свойства С. зависят не только от их состава, но и от тепловой (например, Закалка) и механической (например, ковка) обработки, Переход от поиска практически важных С. с помощью «проб и ошибок» к научным основам создания промышленных С. произошёл только в конце 19 — начале 20 вв., когда под влиянием быстро растущих запросов техники и идей физической химии (См. Физическая химия) возникло учение о зависимости между свойствами металлов и свойствами образованных из них С., а также о влиянии на них механических, тепловых, химических и др. воздействий (см. Металловедение, Металлография, Металлофизика, Физико-химический анализ). Были построены диаграммы состояния (См. Диаграмма состояния) и диаграммы состав — свойство (См. Диаграмма состав - свойство) для всевозможных комбинаций металлических систем, как двойных, так и многокомпонентных. Раскрываемый диаграммой состояния характер взаимодействия компонентов системы (образование твёрдых растворов (См. Твёрдые растворы), химических соединений, механических смесей, наличие фазовых превращений в твёрдом состоянии) позволяет предвидеть тип диаграмм состав — твёрдость, состав — электропроводность и др., получить представление о макроструктуре С. Во второй половине 20 в. внимание учёных в СССР и за рубежом всё больше сосредоточивается на проблеме предсказания характера взаимодействия элементов и свойств их С. При этом используются закономерности, вскрытые периодической системой элементов (См. Периодическая система элементов), успехи теории химической связи (См. Химическая связь), достижения физики твёрдого тела и вычислительной техники. Разработка теории С. создала новые возможности развития промышленности, а также ряда отраслей новой техники. Современные промышленные С. — основная часть конструкционных материалов (См. Конструкционные материалы). При этом 95% мировой металлопродукции составляют С. на основе железа — самого дешёвого и доступного металла (сталь, чугун, Ферросплавы). Всё больше элементов периодической системы Менделеева, до недавнего времени представлявших чисто научный интерес, находит практическое применение для легирования (См. Легирование) известных и создания новых С. с целью расширения диапазона свойств и областей применения.

Большое число всевозможных С. требует их классификации. Для неё существует теоретический и практический подход. В первом случае с точки зрения термодинамики химической (См. Термодинамика химическая) (и фаз правила (См. Фаз правило)) С. классифицируют: а) по числу компонентов — на двойные, тройные и т. д.; б) по числу фаз — на однофазные (твёрдый раствор или интерметаллид) и многофазные (гетерофазные), состоящие из двух и более фаз. Этими фазами могут быть чистые компоненты, твёрдые растворы, фазы со структурой α-, β-, γ-, ε-латуни (См. Латунь), β-Вольфрама, типа Cu₅Ca, NiAs, CaF₂, сигма-фазы, фазы Лавеса (названы по имени нем. учёного Ф. Лавеса), фазы внедрения и др. Особенно ценны С. с очень тонкой гетерогенностью (см. Дисперсноупрочнённые материалы, Старение металлов); можно считать, что они лежат на границе между твёрдыми растворами и многофазными С. По практическому получению и применению принята следующая классификация С.: а) по металлам — либо являющимся основой С. (С. чёрных металлов и С. цветных металлов, а также Алюминиевые сплавы, Железные сплавы, Никелевые сплавы и т. п.), либо по добавленным в небольших количествах и придающим особо ценные свойства легирующим компонентам (бериллиевая бронза, ванадиевая, вольфрамовая и др. стали); б) по применению (для изготовления конструкций или инструментов) и свойствам — антифрикционные, жаропрочные, жаростойкие, износостойкие, лёгкие и сверхлёгкие, легкоплавкие, химически стойкие и многие другие, а также С. с особыми физическими свойствами — тепловыми, магнитными, электрическими (см. Прецизионные сплавы); в) по технологии изготовления изделий — на литейные (отливка жидких С. в формы); деформируемые (в холодном или горячем состоянии путём ковки, прокатки, волочения, прессования, штамповки); полученные методами порошковой металлургии (См. Порошковая металлургия) (см. Спечённые материалы).

Для обозначения качественного состава выпускаемые в СССР С. маркируются (см. на примере медных сплавов (См. Медные сплавы), легированных сталей (См. Легированная сталь)). Кроме того, многие С. имеют названия, связанные с различными их признаками: составом (например, Нихром), особыми свойствами (например, Инвар, Константан). С. называют и по фамилиям изобретателей (Вуда сплав, Мельхиор, Монель-металл), названиям фирм (АРМКО-железо) и др.

Свойства большинства С. определяются как составом, так и структурой С., зависящей от условий кристаллизации (См. Кристаллизация) и охлаждения, термической и механической обработки. При нагреве и охлаждении изменяется структура С. (см. Макроструктура, Микроструктура), что обусловливает изменение механических, физических и химических свойств и влияет на поведение С. при обработке и эксплуатации. Выяснение (с помощью диаграмм состояния) возможных фазовых превращений в С. даёт исходные данные для анализа важнейших видов термической обработки (закалки, Отпуска металлов, Отжига, старения). Например, перед отжигом углеродистых сталей исходной структурой чаще всего является феррито-карбидная смесь; основное превращение, происходящее при нагревании, — это переход Перлита в Аустенит при температуре выше 727 °С («точка A₁»); закалка позволяет сохранить аустенитную структуру (т. н. закалка без полиморфного превращения, при которой происходит повышение прочности при сохранении пластичности С.). Типичный пример подобного поведения для алюминиевых С. — закаленный Дуралюмин Д16. Реже встречаются С., у которых при закалке снижается прочность и сильно возрастает пластичность по сравнению с отожжённым состоянием. Типичный пример — бериллиевая бронза Бр. Б2 или нержавеющая хромоникелевая сталь X18H9. Для любых металлов или С., в которых при изменении температуры происходит полиморфное превращение основного компонента, при быстром охлаждении возможна закалка с бездиффузионным полиморфным превращением, которую обычно называют «закалкой на Мартенсит». Мартенситное превращение, открытое при изучении закалки углеродистых и легированных сталей, как выяснилось впоследствии, является одним из фундаментальных способов перестройки кристаллической решётки (См. Кристаллическая решётка), свойственным как чистым металлам, так и самым различным классам С.: безуглеродистым С. на основе железа, сплавам цветных металлов, полупроводниковым соединениям и др. Современная Термическая обработка металлов и С. включает не только собственно термическую, но и термомеханическую обработку (См. Термомеханическая обработка), химико-механическую обработку (См. Химико-механическая обработка) и химико-термическую обработку (См. Химико-термическая обработка). В процессе таких технологических операций, как Литьё, Сварка, горячая обработка давлением, С. могут побочно также подвергаться отдельным видам термического воздействия и изменять свои свойства.

Для установления и проверки свойств С. применяют различные методы контроля, в т. ч. разрушающего — испытания на механическую Прочность и Пластичность, Жаропрочность (см. Механические свойства материалов), а также испытания на стойкость против коррозии(см. Коррозия металлов, Жаростойкость и др.), и неразрушающего (измерения твёрдости, электрических, оптических, магнитных и др. свойств). Состав С. определяется химико-аналитическими методами (см. Качественный анализ, Количественный анализ), с помощью спектрального анализа (См. Спектральный анализ), рентгеноспектрального анализа и др. методов. Весьма эффективны для практического применения методы быстрого («экспрессного») химического анализа, используемые при производстве С., полуфабрикатов и изделий из С. Для исследования как самой структуры С., так и её дефектов используются методы физического металловедения. Различают макроскопические и микроскопические дефекты С. (см. Дефекты в кристаллах, Дефекты металлов).

Подавляющее большинство промышленных С. существует в мелкозернистом (в виде Поликристаллов) состоянии; свойства таких С. практически изотропны (см. Изотропия). Получение С. в виде Монокристаллов представляло чисто научный интерес. Лишь со 2-й половины 20 в. появилась необходимость в промышленном производстве С. в виде монокристаллов, т. к. в ряде областей новой техники могут быть использованы только монокристаллы (см. Полупроводниковые материалы).

Современные успехи науки о С. в значительной мере связаны с совершенствованием классических и разработкой новых физических методов исследования твёрдого тела (См. Твёрдое тело) (см. Рентгеновский структурный анализ, Электронная микроскопия, Нейтронография, Электронография и др. методы).Подробнее о методах получения С., их свойствах, значении и применении см. также статьи о различных С.

Лит.: Д. К. Чернов и наука о металлах, под ред. Н. Т. Гудцова, Л. — М., 1950; Бочвар А. А., Металловедение, 5 изд., М., 1956; Смирягин А. П., Промышленные цветные металлы и сплавы, 2 изд., М., 1956; Курнаков Н. С., Избр. труды, т. 1—2, М., 1960—61; Колачёв Б. А., Ливанов В. И., Елагин В. И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов, М., 1972; Бокштейн С. З., Строение и свойства: металлических сплавов, М., 1971; Курдюмов Г. В., Явления закалки и отпуска стали, М., 1960; Штейнберг С. С., Металловедение, М., 1961; Хансен М., Андерко К., Структуры двойных сплавов, пер. с англ., 2 изд., т. 1—2, М., 1962; Диаграммы состояния металлических систем, в. 1—17, под ред. Н. В. Агеева, М., 1959—73; Савицкий Е. М., Бурханов Г. С., Металловедение тугоплавких металлов и сплавов, М., 1967; Эллиот Р. П., Структуры двойных сплавов, пер. с англ., т. 1—2, М., 1970; Шанк Ф. А., Структуры двойных сплавов, пер. с англ., М., 1973; Физическое металловедение, под ред. Р. Кана, пер. с англ., т. 1—3, М., 1967—68; Горелик С. С., Дашевский М. Я., Материаловедение полупроводников и металловедение, М., 1973; Новиков И. И., Теория термической обработки металлов, М., 1974.

С. А. Погодин, Г. В. Инденбаум.

Спла́вы

с особыми физическими свойствами, металлические сплавы с заданными значениями некоторых физико-механических свойств (магнитных, электрических, тепловых, упругих); то же, что Прецизионные сплавы.

СПЛАВЫ металлические - макроскопические однородные системы, состоящие из двух или более металлов (реже металлов и неметаллов), с характерными металлическими свойствами. В широком смысле сплавами называют любые однородные системы, полученные сплавлением металлов, неметаллов, оксидов, органических веществ и т. д.

СПЛАВЫ металлические, макроскопические однородные системы, состоящие из двух (например, латунь) или более металлов (реже металлов и неметаллов, например сталь) с характерными металлическими свойствами. В широком смысле сплавы - любые однородные системы, получающиеся сплавлением металлов, неметаллов, оксидов, органических веществ и т.д. (например, базальт, стекло).

СПЛАВЫ

макроскопически однородные в-ва, получаемые сплавлением двух или более металлов, неметаллов, окислов, органич. в-в и т. п. Особенно важную роль в технике играют металлич. С. (основной вид конструкц. материалов). В общем случае С. не являются механич. смесью компонентов. При сплавлении компоненты могут образовывать разл. системы, входящие в состав С.: а) твёрдые растворы; б) хим. соединения (см. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ), в) смеси фаз — эвтектики, продукты разл. превращений. В немногих случаях С. содержит просто хим. элементы (С, Si, Pb и др.).

Варьируя состав С., а также методы его получения и обработки, можно получать материалы с весьма разнообразными св-вами. Получение С. осуществляется кристаллизацией из расплава, металлокерамич. способом, конденсацией из паров, электроосаждением из раствора, диффузионным насыщением и др. методами. Механич., электрич. и др. св-ва С. могут быть изменены их термич., термомеханич., радиац., механич. и др. видами обработки. Фазовое состояние С. в равновесном состоянии при данном составе, темп-ре и давлении можно определить из диаграммы состояния.

С. классифицируют: по числу компонентов (двойные, тройные и т. д.), по числу фаз — однофазные (тв. растворы, металлиды) и многофазные. Строение С. изучается методами рентгеновского структурного анализа, электронной и ионной микроскопии, нейтронографии и др.

СПЛАВЫ, материалы, представляющие собой сочетание двух или более металлов. Свойства сплава отличаются от свойств исходных элементов. Сплавы обычно тверже и прочнее, и у них более низкая точка плавления. Сочетания с наиболее низкой точкой плавления называют эвтектическими смесями. Большинство сплавов изготовляется путем плавления компонентов. Некоторые смеси, где металл сочетается с неметаллическими добавками, например, СТАЛЬ, также называют сплавами. Свойства сплава в большой степени зависят от пропорций входящих в них металлов.

материалы, имеющие металлические свойства и состоящие из двух или большего числа химических элементов, из которых хотя бы один является металлом. Многие металлические сплавы имеют один металл в качестве основы с малыми добавками других элементов. Самый распространенный способ получения сплавов - затвердевание однородной смеси их расплавленных компонентов. Существуют и другие методы производства - например, порошковая металлургия. В принципе, четкую границу между металлами и сплавами трудно провести, так как даже в самых чистых металлах имеются "следовые" примеси других элементов. Однако обычно под металлическими сплавами понимают материалы, получаемые целенаправленно добавлением к основному металлу других компонентов. Почти все металлы, имеющие промышленное значение, используются в виде сплавов (см. табл. 1, 2). Так, например, все выплавляемое железо почти целиком идет на изготовление обычных и легированных сталей, а также чугунов. Дело в том, что сплавлением с некоторыми компонентами можно существенно улучшить свойства многих металлов. Если для чистого алюминия предел текучести составляет всего лишь 35 МПа, то для алюминия, содержащего 1,6% меди, 2,5% магния и 5,6% цинка, он может превышать 500 МПа. Аналогичным образом могут быть улучшены электрические, магнитные и термические свойства. Эти улучшения определяются структурой сплава - распределением и структурой его кристаллов и типом связей между атомами в кристаллах.

См. также

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЕ;

ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ. Многие металлы, скажем магний, выпускают высокочистыми, чтобы можно было точно знать состав изготавливаемых из него сплавов. Число металлических сплавов, применяемых в наши дни, очень велико и непрерывно растет. Их принято разделять на две большие категории: сплавы на основе железа и сплавы цветных металлов. Ниже перечисляются наиболее важные сплавы промышленного значения и указываются основные области их применения.

Сталь. Сплавы железа с углеродом, содержащие его до 2%, называются сталями. В состав легированных сталей входят и другие элементы - хром, ванадий, никель. Сталей производится гораздо больше, чем каких-либо других металлов и сплавов, и все виды их возможных применений трудно было бы перечислить. Малоуглеродистая сталь (менее 0,25% углерода) в больших количествах потребляется в качестве конструкционного материала, а сталь с более высоким содержанием углерода (более 0,55%) идет на изготовление таких низкоскоростных режущих инструментов, как бритвенные лезвия и сверла. Легированные стали находят применение в машиностроении всех видов и в производстве быстрорежущих инструментов.

См. также СТАНКИ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИЕ.

Чугун. Чугуном называется сплав железа с 2-4% углерода. Важным компонентом чугуна является также кремний. Из чугуна можно отливать самые разнообразные и очень полезные изделия, например крышки для люков, трубопроводную арматуру, блоки цилиндров двигателей. В правильно выполненных отливках достигаются хорошие механические свойства материала.

См. также МЕТАЛЛЫ ЧЕРНЫЕ.

Сплавы на основе меди. В основном это латуни, т.е. медные сплавы, содержащие от 5 до 45% цинка. Латунь с содержанием от 5 до 20% цинка называется красной (томпаком), а с содержанием 20-36% Zn - желтой (альфа-латунью). Латуни применяются в производстве различных мелких деталей, где требуются хорошая обрабатываемость и формуемость. Сплавы меди с оловом, кремнием, алюминием или бериллием называются бронзами. Например, сплав меди с кремнием носит название кремнистой бронзы. Фосфористая бронза (медь с 5% олова и следовыми количествами фосфора) обладает высокой прочностью и применяется для изготовления пружин и мембран.

Свинцовые сплавы. Обычный припой (третник) представляет собой сплав примерно одной части свинца с двумя частями олова. Он широко применяется для соединения (пайки) трубопроводов и электропроводов. Из сурьмяно-свинцовых сплавов делают оболочки телефонных кабелей и пластины аккумуляторов. Сплавы свинца с кадмием, оловом и висмутом могут иметь точку плавления, лежащую значительно ниже точки кипения воды (СПЛАВЫ70° C); из них делают плавкие пробки клапанов спринклерных систем противопожарного водоснабжения. Пьютер, из которого ранее отливали столовые приборы (вилки, ножи, тарелки), содержит 85-90% олова (остальное - свинец). Подшипниковые сплавы на основе свинца, называемые баббитами, обычно содержат олово, сурьму и мышьяк.

Легкие сплавы. Современная промышленность нуждается в легких сплавах высокой прочности, обладающих хорошими высокотемпературными механическими свойствами. Основными металлами легких сплавов служат алюминий, магний, титан и бериллий. Однако сплавы на основе алюминия и магния не могут применяться в условиях высокой температуры и в агрессивных средах.

Алюминиевые сплавы. К ним относятся литейные сплавы (Al - Si), сплавы для литья под давлением (Al - Mg) и самозакаливающиеся сплавы повышенной прочности (Al - Cu). Алюминиевые сплавы экономичны, легкодоступны, прочны при низких температурах и легко обрабатываемы (они легко куются, штампуются, пригодны для глубокой вытяжки, волочения, экструдирования, литья, хорошо свариваются и обрабатываются на металлорежущих станках). К сожалению, механические свойства всех алюминиевых сплавов начинают заметно ухудшаться при температурах выше приблизительно 175° С. Но благодаря образованию защитной оксидной пленки они проявляют хорошую коррозионную стойкость в большинстве обычных агрессивных сред. Эти сплавы хорошо проводят электричество и тепло, обладают высокой отражательной способностью, немагнитны, безвредны в контакте с пищевыми продуктами (поскольку продукты коррозии бесцветны, не имеют вкуса и нетоксичны), взрывобезопасны (поскольку не дают искр) и хорошо поглощают ударные нагрузки. Благодаря такому сочетанию свойств алюминиевые сплавы служат хорошими материалами для легких поршней, применяются в вагоно-, автомобиле- и самолетостроении, в пищевой промышленности, в качестве архитектурно-отделочных материалов, в производстве осветительных отражателей, технологических и бытовых кабелепроводов, при прокладке высоковольтных линий электропередачи. Примесь железа, от которой трудно избавиться, повышает прочность алюминия при высоких температурах, но снижает коррозионную стойкость и пластичность при комнатной температуре. Кобальт, хром и марганец ослабляют охрупчивающее действие железа и повышают коррозионную стойкость. При добавлении лития к алюминию повышаются модуль упругости и прочность, что делает такой сплав весьма привлекательным для авиакосмической промышленности. К сожалению, при своем превосходном отношении предела прочности к массе (удельной прочности) сплавы алюминия с литием обладают низкой пластичностью.

Магниевые сплавы. Магниевые сплавы легки, характеризуются высокой удельной прочностью, а также хорошими литейными свойствами и превосходно обрабатываются резанием. Поэтому они применяются для изготовления деталей ракет и авиационных двигателей, корпусов для автомобильной оснастки, колес, бензобаков, портативных столов и т.п. Некоторые магниевые сплавы, обладающие высоким коэффициентом вязкостного демпфирования, идут на изготовление движущихся частей машин и элементов конструкции, работающих в условиях нежелательных вибраций. Магниевые сплавы довольно мягки, плохо сопротивляются износу и не очень пластичны. Они легко формуются при повышенных температурах, пригодны для электродуговой, газовой и контактной сварки, а также могут соединяться пайкой (твердым), болтами, заклепками и клеями. Такие сплавы не отличаются особой коррозионной стойкостью по отношению к большинству кислот, пресной и соленой воде, но стабильны на воздухе. От коррозии их обычно защищают поверхностным покрытием - хромовым травлением, дихроматной обработкой, анодированием. Магниевым сплавам можно также придать блестящую поверхность либо плакировать медью, никелем и хромом, нанеся предварительно покрытие погружением в расплавленный цинк. Анодирование магниевых сплавов повышает их поверхностную твердость и стойкость к истиранию. Магний - металл химически активный, а потому необходимо принимать меры, предотвращающие возгорание стружки и свариваемых деталей из магниевых сплавов.

См. также СВАРКА.

Титановые сплавы. Титановые сплавы превосходят как алюминиевые, так и магниевые в отношении предела прочности и модуля упругости. Их плотность больше, чем всех других легких сплавов, но по удельной прочности они уступают только бериллиевым. При достаточно низком содержании углерода, кислорода и азота они довольно пластичны. Электрическая проводимость и коэффициент теплопроводности титановых сплавов малы, они стойки к износу и истиранию, а их усталостная прочность гораздо выше, чем у магниевых сплавов. Предел ползучести некоторых титановых сплавов при умеренных напряжениях (порядка 90 МПа) остается удовлетворительным примерно до 600° C, что значительно выше температуры, допустимой как для алюминиевых, так и для магниевых сплавов. Титановые сплавы достаточно стойки к действию гидроксидов, растворов солей, азотной и некоторых других активных кислот, но не очень стойки к действию галогеноводородных, серной и ортофосфорной кислот. Титановые сплавы ковки до температур около 1150° C. Они допускают электродуговую сварку в атмосфере инертного газа (аргона или гелия), точечную и роликовую (шовную) сварку. Обработке резанием они не очень поддаются (схватывание режущего инструмента). Плавка титановых сплавов должна производиться в вакууме или контролируемой атмосфере во избежание загрязнения примесями кислорода или азота, вызывающими их охрупчивание. Титановые сплавы применяются в авиационной и космической промышленности для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах (150-430° C), а также в некоторых химических аппаратах специального назначения. Из титанованадиевых сплавов изготавливается легкая броня для кабин боевых самолетов. Титаналюминиевованадиевый сплав - основной титановый сплав для реактивных двигателей и корпусов летательных аппаратов. В табл. 3 приведены характеристики специальных сплавов, а в табл. 4 представлены основные элементы, добавляемые к алюминию, магнию и титану, с указанием получаемых при этом свойств.

Бериллиевые сплавы. Пластичный бериллиевый сплав можно получить, например, вкрапляя хрупкие зерна бериллия в мягкую пластичную матрицу, такую, как серебро. Сплав этого состава удалось холодной прокаткой довести до толщины, составляющей 17% первоначальной. Бериллий превосходит все известные металлы по удельной прочности. В сочетании с низкой плотностью это делает бериллий пригодным для устройств систем наведения ракет. Модуль упругости бериллия больше, чем у стали, и бериллиевые бронзы применяются для изготовления пружин и электрических контактов. Чистый бериллий используется как замедлитель и отражатель нейтронов в ядерных реакторах. Благодаря образованию защитных оксидных слоев он устойчив на воздухе при высоких температурах. Главная трудность, связанная с бериллием, - его токсичность. Он может вызывать серьезные заболевания органов дыхания и дерматит.

См. также КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ и статьи по отдельным металлам.

ЛИТЕРАТУРА

Коротич В.И., Братчиков С.Г. Металлургия черных металлов. М., 1987

Диаграммы фаз в сплавах. М., 1986

Юдкин В.С. Производство и литье сплавов цветных металлов. М., 1967-1971

Вагнер К. Термодинамика сплавов. М., 1957

макроскопические однородные системы, состоящие из двух или более металлов (реже-металлов и неметаллов) с характерными металлич. св-вами. В более широком смысле С.-любые однородные системы, полученные сплавлением металлов, неметаллов, неорг. соед. и т. д. Многие С. (напр., бронза, сталь, чугун) были известны в глубокой древности и уже тогда имели обширное практич. применение. Техн. значение металлических С. объясняется тем, что мн. их св-ва (прочность, твердость, электрич. сопротивление) гораздо выше, чем у составляющих их чистых металлов.

Называют С. исходя из названия элемента, содержащегося в них в наиб. кол-ве (основной элемент, основа), напр. С. железа, С. алюминия. Элементы, вводимые в С. для улучшения их св-в, наз. легирующими, а сам процесс -легированием.

По характеру металла-основы различают черные С. (основа -Fe), цветные С. (основа - цветные металлы), С. редких металлов, С. радиоактивных металлов. По числу компонентов С. делят на двойные, тройные и т. д.; по структуре-на гомогенные (однородные) и гетерогенные (смеси), состоящие из неск. фаз (последние м. б. стабильными и метаста-бильными); по характерным св-вам - на тугоплавкие, легкоплавкие, высокопрочные, жаропрочные, твердые, антифрикционные, коррозионностойкие, С. со спец. св-вами и др. По технологии произ-ва выделяют литейные (для изготовления деталей методом литья) и деформируемые (подвергаемые ковке, штамповке, прокатке, прессованию и др. видам обработки давлением).

Структура и получение. Физ.-хим. основой создания С. являются диаграмма состав - свойство и диаграмма состояния соответствующих систем, позволяющие определять св-ва С. в условиях их термич. обработки. Диаграммы состояния строят на основании эксперим. данных или расчетным путем с использованием разл. термодинамич. моделей. В настоящее время в той или иной степени диаграммы состояния известны для большинства имеющих практич. значение двойных и тройных систем.

С. в кристаллич. состоянии представляют собой поли-кристаллич. тела, состоящие из большого числа мелких (10^-3-10-⁷ м), различно ориентированных по отношению друг к другу кристаллов, называемых кристаллитами или зернами. Фазы кристаллических С. представляют собой твердые растворы или хим. соед. двух или более металлов (см. Металлические соединения, Интерметаллиды).

Макс. кол-во равновесных фаз в С. определяется числом составляющих его компонентов (см. Фаз правило). Форма, размеры и характер взаимного расположения фаз в С. характеризуют его структуру. Различают макроструктуру (строение С., видимое невооруженным глазом или при увеличении в 30-40 раз) и микроструктуру (строение С, наблюдаемое с помощью светового или электронного микроскопа с увеличением в 100 тыс. раз). Макроструктуру обычно исследуют по излому и на спец. макрошлифах. Кристаллические С. имеют зернистый (кристаллич.) излом. По нему судят о размерах зерна, условиях выплавки и кристаллизации, термин, обработке и св-вах С. Микроструктура показывает взаимное расположение фаз, их форму и размеры. Для изучения микроструктуры из С. изготовляют микрошлиф, т. е. небольшой образец, одну из плоскостей к-рого тщательно шлифуют, полируют и подвергают травлению. По микроструктуре можно оценить величину нек-рых мех. св-в С.

Осн. метод получения С.-смешение и расплавление составляющих его компонентов с послед. затвердеванием в кристаллич. или аморфном состоянии. С. можно получать и без расплавления осн. компонента-методами порошковой металлургии. Др. способы получения - осаждение из р-ров и газовой фазы, диффузионное насыщение одного компонента другим, совместное электрохим. осаждение из р-ров и др. Для получения С. в виде тонких пленок и покрытий используют осаждение из газовой фазы, напыление, конденсацию паров, электролиз.

Большинство С., получаемых обычными способами, при затвердевании кристаллизуются. При быстром охлаждении расплава (скорость охлаждения 1-10 млн. градусов в с), напр. при контакте расплавленной капли металла с быстро-вращающейся охлажденной пов-стью, распылении расплава холодной струей газа или конденсации паров металлов в тонкие пленки на охлаждаемой подложке, получают аморфные С. Мелкодисперсные порошки таких С. затем м. б. спрессованы путем горячей экструзии в заготовки или с помощью плазменного факела нанесены на разл. детали в виде тонких покрытий. Аморфные С. по сравнению с кристаллическими обладают повыш. св-вами-износостойкостью, прочностью, пластичностью, коррозионной стойкостью, сопротивлением усталости.

Свойства. Различают структурно-нечувствит. и структур-но-чувствит. св-ва С. Первые определяются силами межатомного взаимод., т. е. природой составляющих С. элементов и их концентрацией. К ним относят плотность, т-ру плавления, теплоту испарения, тепловые и упругие св-ва, коэф. термич. расширения. Структурно-чувствит. св-ва помимо природы элементов и их концентрации зависят от характеристик структуры: формы и размера зерен, наличия разл. вида дефектов кристаллич. структуры и концентрации этих дефектов; к ним относят прочность, пластичность, твердость, хрупкость, ползучесть, усталость, ударную вязкость.

Структурно-чувствит. св-ва формируются в процессах получения и обработки С. При изготовлении полуфабрикатов и изделий из С. методом плавки, литья и послед. мех., термич., хим. и др. обработки структура С. претерпевает ряд изменений. Характер этих изменений и условия управления ими подробно разработаны в теориях жидкого состояния, кристаллизации, термич. и термомех. обработки металлов и сплавов.

Уже в процессе плавки исходных компонентов м. б. созданы условия для получения после затвердевания С. с разл. структурой. Величина перегрева расплава, время выдержки при высокой т-ре влияют на кол-во и степень дисперсности нерастворимых в расплаве примесей тугоплавких соединений. При кристаллизации частицы этих примесей служат центрами зарождения зерен, поэтому чем больше примесных частиц (перед затвердеванием), тем мельче зерно в затвердевшем С. В процессе кристаллизации в слитке возникает хим. микронеоднородность-дендритная ликвация, вызванная неравновесной кристаллизацией твердых р-ров. Эта неоднородность устраняется отжигом, в результате к-рого путем диффузии в твердой фазе происходит выравнивание концентрации по всем участкам С. (гомогенизирующий отжиг).

Способы обработки. Структура и св-ва С. поддаются изменению. В результате разл. видов мех. обработки-ковки, прокатки, прессования, штамповки, волочения, резания из сплавов получают полуфабрикаты (листы, прутки, ленты, трубы) или изделия заданной формы. При этом, как правило, крупнозернистая после литья и гомогенизирующего отжига структура измельчается; в нек-рых случаях (после прокатки, прессования) образуется волокнистая текстура; на неск. порядков увеличивается плотность дефектов кристаллич. решетки.

Термич. обработка С. приводит к существ. изменению их физ.-мех. св-в. По т-ре нагрева, длительности выдержки, скорости охлаждения, а также по назначению термич. обработка подразделяется на отжиг, закалку (с полиморфным превращением или без него), отпуск и старение.

Отжиг заключается в нагреве С. до определенной т-ры, выдержке при этой т-ре и медленном (непрерывном или ступенчатом) охлаждении; приводит к получению равновесно-устойчивых структур, уменьшает остаточное напряжение в С., повышает их пластичность. Закалка-нагрев и выдержка С. при определенной т-ре с послед. быстрым охлаждением-приводит к получению нестабильных состояний в С., способствует, как правило, повышению их твердости и хрупкости. Отпуск осуществляют обычно после закалки, нагревая С. до определенной т-ры с послед. охлаждением с заданной скоростью на воздухе или в воде; повышает пластичность закаленного С., уменьшает хрупкость. Старение-самопроизвольное изменение структуры С. в результате длит. выдержки при определенной т-ре (комнатной или при нагреве)-способствует увеличению прочности и твердости С. с одновременным уменьшением пластичности и ударной вязкости.

При произ-ве С. термич. обработку чаще всего чередуют с механической или совмещают с ней. Если при этом приобретенные в процессе мех. обработки пластич. деформация и плотность дефектов кристаллич. решетки влияют на формирование структуры при термич. воздействии, то такая обработка наз. термомеханической. Применяя разнообразные виды термич. и мех. обработки, можно одному и тому же С. придавать существенно разл. св-ва. Напр., углеродистая сталь после пластич. деформации становится тверже и прочнее, в результате послед. отжига-мягче и пластичнее; если затем применить закалку, то сталь станет еще более твердой и прочной, чем первоначально.

Хим.-термич. обработка сочетает одновременное тепловое и хим. воздействие, в результате чего изменяется состав и структура поверхностных слоев, а иногда и всего изделия. Наиб. распространено насыщение поверхностных слоев С. разл. соединениями - борирование (насыщение бором), азотирование (насыщение азотом), силицирование (насыщение кремнием), оксидирование (насыщение кислородом), цементация (насыщение углеродом, науглероживание).

Применение. По назначению С. разделяют на большое число видов.