7.4. Сплавы

Металлы обладают способностью образовывать друг с другом сплавы. Состав сплавов может изменяться в широких пределах без нарушения их однородности в твердом состоянии.

Сплавы могут иметь разную природу. Так, различают сплавы внедрения и сплавы замещения. Образование тех или других обусловлено структурой металлов.

Сплавы внедрения. В плотнейшей упаковке сферических атомов (ионов) металлов остаются тетраэдрические и октаэдрические пустоты, причем вторые из них крупнее, чем первые. Если при образовании сплавов атомы элементов занимают пустоты в структуре металла, то образуются сплавы внедрения. Очевидно, состав сплавов внедрения не является постоянным. Сплавы внедрения сохраняют в значительной степени электропроводность и теплопроводность металлов. Но внедрение дополнительных атомов в пустоты структуры создает трудности для скольжения одного слоя ионов металлов относительно другого, благодаря чему сплавы внедрения приобретают твердость.

Бориды, карбиды и нитриды металлов, имеющие структуру сплавов внедрения, характеризуются высокими температурами плавления, очень высокой твердостью, химической инертностью. Карбиды железа являются важным компонентом в различных формах стали.

При образовании сплавов замещения атомы одного металла замещают атомы другого металла в его позициях в структуре. Такое замещение становится возможным при соблюдении определенных условий:

1. Металлические радиусы атомов не должны различаться более чем на ±15%.

2. Оба металла должны иметь одинаковую структуру, свойственную им в индивидуальном состоянии.

3. Число валентных электронов и химические свойства металлов должны быть одинаковыми.

Например, для щелочных металлов образование сплавов замещения возможно для пары K – Rb (различие металлических радиусов 9,3%), но не для пары Na – K (22,0%). Образование сплавов замещения возможно для пары Cu – Au (12,5%). Медь и золото – элементы одной и той же группы IВ и имеют одинаковую структуру (кубическая плотнейшая упаковка).

Близость свойств металлов, например Cu и Au, позволяет им смешиваться друг с другом в любых соотношениях. Образуется непрерывный ряд твердых растворов замещения. Но если различие свойств металлов возрастает, то области существования твердых растворов замещения сужаются. Например, сплавы на основе пары металлов Sn – Pb, несмотря на малое различие их металлических радиусов (8%) и размещение в одной группе IVА в периодической системе, различаются своими структурами. Эти сплавы могут включать в себя 2 – 63% Sn, т. е. существуют пределы смешения Sn и Pb.

При сильном взаимодействии между металлами образуются химические соединения, называемые интерметаллидами. Основное отличие интерметаллических соединений от твердых растворов замещения – стехиометрический состав. Например, пара металлов Cu – Zn образует интерметаллические соединения следующего состава: CuZn (45-50%), Cu₅Zn₈ (60-65%), CuZn₃ (82-88%). В скобках указано содержание цинка в сплаве, при котором образуются интерметаллические соединения соответствующего состава.

Свойства химических соединений существенно отличаются от свойств исходных металлов. Они характеризуются меньшими значениями теплопроводности и электрической проводимости, чем образующие их компоненты. Некоторые интерметаллиды являются даже полупроводниками.