Сплавы металлов

Важным свойством металлов является их способность к образованию сплавов. Сплавы – это твердые системы, состоящие из двух и более металлов, а также металлов и неметаллов.

Важнейшим признаком образования сплава является сохранение в нем металлических свойств: блеска, тепло- и электропроводности, пластичности, металлической связи. Если в результате сплавления образуются ковалентные и ионные связи и полностью отсутствуют свободные электроны, то такая система называется неорганическим соединением.

По своим свойствам сплавы существенно отличаются от исходных компонентов. Варьируя их состав и содержание, можно получить сплавы с определенными свойствами: легкоплавкие, жаростойкие, кислотостойкие, коррозионноустойчивые, твердые и т.д. Состав и свойства некоторых важнейших сплавов представлены в таблице 7.

Таблица 7. Состав и свойства некоторых известных сплавов металлов

Название	Состав	Свойства
1. Алюмень	92-95% Ni; 1,8-2,5% Al; 1,8-2,2% Mn; 1,5-3% Si и др.	Высокая электростойкость, коррозионная устойчивость
2. Дуралюмин	80-90%Al; 1,3-15% Cu; 0,5-3% Mg и др.	Высокая прочность, легкость
3. Бронза	80% Cu; 15% Sn; 5% Zn	Твердость, коррозионная стойкость, высокая износостойкость
4. Латунь	60-50% Cu; 40-50% Zn	Коррозионная устойчивость, высокая пластичность, прочность
5. Мельхиор	70-80% Ni; 18-30% Cu; добавки Fe и Mn	Коррозионная устойчивость, красивый внешний вид, высокая пластичность
6. Баббит	до 80% Sn; до 12% Sb; до 6,5% Cu; до 1,5% Pb	Малый коэффициент трения относительно стали, высокая пластичность, износостойкость
7. Монель-металл	73-77% Ni; 23-27% Cu; иногда содержит 2-3% Fe; 1-2% Mn	Устойчивость к растворам кислот и щелочей, механическая прочность, пластичность, коррозионная устойчивость
8. Нихром	75-80% Ni, 15-20% Cr, до 3,5 Al, до 1,5 Si	Высокая жаростойкость, большое электрическое сопротивление

Образование сплавов основано на способности металлов в расплавленном состоянии взаимно растворяться и смешиваться друг с другом, образуя жидкие растворы, которые при охлаждении затвердевают. При этом наблюдаются три случая.

1. В твердом состоянии сплавленные металлы не растворяются и химически не взаимодействуют друг с другом. Образующийся сплав представляет собой твердую механическую смесь, состоящую из мельчайших кристалликов исходных компонентов, которые легко различаются на микрошлифе с помощью микроскопа (рис. 17). Примерами таких сплавов являются сплавы олова и свинца, серебра и свинца.

Рис. 17. Микроструктура сплава двух металлов, образующих: а – механическую смесь; б – твердый раствор

2. При кристаллизации из расплава растворимость металлов друг в друге сохраняется. В результате образуются твердые однородные растворы, состоящие из одного вида криссталов.

Различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения (рис. 18).

Рис. 18. Строение кристаллической решетки сплава, состоящего из двух компонентов: а – твердого раствора замещения; б – твердого раствора внедрения

В твердых растворах замещения атомы исходных компонентов способны замещать друг друга в кристаллической решетке. Вся твердая фаза при этом представляет собой гомогенную систему. Замещение атомов одного компонента атомами другого компонента идет беспорядочным способом (статистически).

Для одних металлов их взаимная растворимость в твердом состоянии неограниченна, другие же растворимы друг в друге только до определенных концентраций.

Твердые растворы замещения способны образовывать металлы, образующие однотипные кристаллические решетки и имеющие близкие по размерам атомы. Примерами таких сплавов являются сплавы серебра и меди, серебра и золота, меди и никеля, железа и марганца, золота и платины.

В твердых растворах внедрения часть междоузельных пустот в кристаллической решетке основного металла занята атомами другого элемента. Размер внедряемого атома должен быть небольшим и оптимально соответствовать размерам пустот. Такого рода твердые растворы обычно образуются при растворении в металлах неметаллов: водорода, азота, углерода, бора. Встраивание в пустоты кристаллической решетки металла атомов неметаллов со сравнительно небольшими размерами не нарушает тип кристаллической решетки исходных металлов и характер связи в ней, а электроны внедряемых атомов обобществляются с электронами металла.

Образование твердых растворов внедрения с неметаллами характерно для железа, титана, циркония и многих других переходных металлов.

3. Расплавленные металлы при смешивании взаимодействуют друг с другом, образуя химические соединения, называемые интерметаллическими или интерметаллидами. Состав таких соединений весьма разнообразен, они не подчиняются закону постоянства состава; металлы в интерметаллидах не проявляют валентность, характерную для них в соединениях с неметаллами.

Интерметаллические соединения образуют, например, металлы медь и цинк, цинк и ртуть, серебро и цинк, натрий и свинец.