§ 53 Сплавы

• Перечислите области, в которых используют металлы.

Структура сплавов. Если смешать несколько расплавленных металлов и дать им застыть, образуется сплав. Структура сплавов может быть очень разной. Одни металлы образуют твёрдые растворы, в решётке которых

разные атомы разных металлов беспорядочно чередуются. Другие металлы не растворяются друг в друге. Тогда они кристаллизуются по отдельности, образуя механические смеси связанных друг с другом кристаллов. И наконец, может образоваться интерметаллическое соединение, т. е. химиче-

ское соединение металлов друг с другом, в кристаллической решётке которого атомы разных металлов чередуются упорядоченно (рис. 52).

Свойства сплавов. Огромное разнообразие металлов и сочетаний их возможных сплавов открывает богатейшие возможности в создании сплавов с заданными свойствами. Таких свойств десятки. Наиболее важные из них — пластичность, ударная вязкость, твёрдость, прочность на разрыв и излом, коррозионная стойкость, износостойкость, теплостойкость и т. д. В зависимости от применения сплава на некоторые из этих свойств приходится обращать особое внимание. Например, материал для подшипников должен обладать очень высокой износостойкостью, а его коррозионная стойкость, напротив, не очень важна. Материал для корпусов морских судов, наоборот, должен быть коррозионностойким и прочным на разрыв, а износостойкость для него не принципиальна. В идеале под каждую задачу приходится делать свой сплав. Сейчас в мире насчитывается несколько тысяч марок сплавов.

Управлять свойствами сплава можно двумя способами:

1)изменяя его состав;

2)изменяя режим обработки.

Рис. 52. Строение сплавов

266

Например, небольшие примеси меди, магния и марганца к алюминию превращают этот весьма мягкий металл в жёсткий и не склонный к истиранию.

Режим обработки влияет на размер и форму кристаллов металла, их сцепление друг с другом, количество дефектов в них. Например, если горячую сталь резко охладить (закалить), то в ней сформируется множество мелких кристаллов с большим количеством дефектов. Такая сталь весьма твёрдая, но хрупкая. Если же сталь охлаждать очень медленно (отжигать), то в ней образуются довольно большие, прочно соединённые друг с другом кристаллы с малым количеством дефектов. Отожжённая сталь довольно мягкая, однако обладает высокой ударной вязкостью, т. е. легко рассеивает энергию удара.

Несмотря на огромное разнообразие сплавов, бóльшая их часть бази-

руется на трёх металлах: железе, алюминии и меди.

СТАЛИ — это сплавы железа. ДЮРАЛИ — сплавы алюминия. ЛАТУНИ

иБРОНЗЫ — сплавы меди.

Истали, и дюрали, и латуни бывают настолько разными, что количество общих свойств для них весьма ограничено. Так, все дюрали — лёгкие (плотность в пределах 3 г/см3, против 7—8 г/см3 у сталей), но легкоплав-

кие. Из-за образования прочной плёнки Al2O3 на поверхности дюралевые изделия не корродируют на воздухе, однако в присутствии электролитов или в контакте с менее активными металлами они подвергаются коррозии довольно быстро. Кроме того, из-за образования оксидной плёнки дюрали можно сваривать только в инертной атмосфере. Свойства латуни и бронзы позволяют отливать из этих сплавов и штамповать изделия с тонкими деталями, что невозможно сделать, используя стали или дюрали. Кроме того, латуни весьма пластичны и обладают высокой ударной вязкостью. Латунные детали можно соединять пайкой — ни со сталью, ни тем более с дюралем сделать это практически невозможно.

Сплавы железа. Железо — самый дешёвый из всех металлов, поэтому его сплавы наиболее распространены. Его мировое производство приближается к 1 млрд т в год, тогда так производство всех остальных металлов

всумме не превышает 100 млн т.

ЧУГУН — это сплав железа содержащий 2—4 % углерода а также крем- ний, марганец, небольшие количества серы и фосфора (табл. 19).

Фосфор и сера ухудшают свойства чугуна. Кремний и марганец попадают в чугун из исходной руды, сера — из угля, фосфор — из карбоната кальция. Их удаление требует дополнительных технологических операций.

267

В стали, как и в чугуне, могут присутствовать примеси кремния, марганца, серы и фосфора. Сера и фосфор при этом снижают механическую прочность сталей.

Широкое применение находят легированные стали. Такие стали в ка-

честве легирующих добавок содержат хром, никель, марганец, кобальт, ванадий, молибден, вольфрам, титан и др. (табл. 20). Большое значение имеют хромоникелевые стали: хром придаёт стали нужную твёрдость, а никель — пластичность. Сталь Н18Х8 (18 % никеля и 8 % хрома) — самая распространённая нержавеющая сталь.

268

269

Сплав. Твёрдый раствор. Интерметаллид. Стали. Дюрали. Латуни. Бронзы. Чугун. Легированные стали

1.Что называют сплавом? Как классифицируют сплавы?

2.Назовите важнейшие сплавы цветных металлов, их примерный состав, свойства и применение.

3.Охарактеризуйте состав и свойства чугунов.

4.С какой целью легируюют сталь? Где применяют легированные стали?

5.Укажите свойства, которыми должны обладать сплавы, из которых изготавливают:

а) шестерёнки механических передач; б) арматуру для железобетонных конструкций;

в) поршни цилиндров двигателей внутреннего сгорания; г) стойки шасси самолётов; д) ножи для резки мяса; е) ножи для резки хлеба; ж) ключи;

з) декоративные подсвечники.

6.Из каких сплавов вы бы предложили изготавливать детали, перечисленные

впредыдущем задании?

7. Феррохром — сплав железа с хромом получают из хромита железа(II) Fe(CrO2)2. Какова массовая доля железа в таком феррохроме?

8.Стальную проволоку массой 5 г сожгли в кислороде. При этом получили 0,1 г оксида углерода(IV). Вычислите массовую долю углерода в этой стали.

9.Рассчитайте объём водорода (н. у.), который выделится при действии избытка воды на сплав, содержащий 18,4 г натрия и 15,6 г калия.

Язнаю, какие металлы служат основой большинства сплавов и какую струк

туру может иметь сплав.

Ямогу объяснить как можно управлять свойствами сплава

270