"Химия (базовый уровень)", Рудзитис Г.Е.,Фельдман Ф.Г.
Сплавы — материалы из нескольких химических элементов, хотя бы один из которых является металлом. Их получают, чтобы менять свойства металлической основы: например, повышать прочность, твёрдость или устойчивость к коррозии. Строение сплава зависит от того, как атомы добавленных элементов располагаются в кристаллической решётке. Поэтому сталь, чугун, латунь, бронза и дюралюминий применяются в разных областях, хотя чистые металлы сами по себе могут не подходить для нужной задачи.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Сплав — материал из двух или нескольких химических элементов, среди которых хотя бы один является металлом. Чаще всего его получают сплавлением веществ, но возможны и другие способы, например спекание порошков. В отличие от чистого металла, сплав содержит несколько компонентов, а его состав часто можно менять в определённых пределах.
Компонент сплава — вещество, входящее в его состав. Один из компонентов обычно образует металлическую основу, а другие добавляют для изменения свойств: например, прочности, твёрдости или устойчивости к коррозии. Понимание состава помогает объяснить, почему сплав пригоден для одной задачи, но может не подойти для другой.
Твёрдый раствор — однородная металлическая система, в которой атомы одного вещества распределены в кристаллической решётке другого. Они могут занимать места атомов основного металла или располагаться в промежутках между ними. Это понятие показывает, как добавка входит в структуру материала, а не просто смешивается с ним отдельными кусочками.
Сталь и чугун — железоуглеродистые сплавы, то есть материалы, состоящие главным образом из железа и углерода. Сталь содержит меньше углерода, чем чугун; обычно границей между ними считают примерно 2% углерода. Сталь чаще пластична, а чугун — твёрд, хорошо заполняет форму при литье, но более хрупок.
Чтобы получить сплав, компоненты обычно нагревают до плавления и перемешивают, добиваясь равномерного распределения веществ. Затем расплав охлаждают: при кристаллизации атомы выстраиваются в твёрдую структуру. Количество каждого компонента можно менять, поэтому получают материалы с разными свойствами; подбор состава позволяет приспособить сплав к условиям работы.
После кристаллизации атомы добавленного элемента могут размещаться в решётке двумя основными способами. Если размеры атомов близки, они способны замещать атомы основного металла в узлах решётки. Более мелкие атомы могут внедряться в промежутки между ними; в обоих случаях равномерное распределение атомов формирует твёрдый раствор.
Решётка чистого металла имеет упорядоченное строение, а чужие атомы его нарушают. Из-за этого слоям атомов часто труднее смещаться, поэтому материал становится твёрже и прочнее. Одновременно движение электронов может затрудниться, и электропроводность обычно снижается; пластичность тоже нередко уменьшается. Температура плавления может как повышаться, так и понижаться — она зависит от состава и строения конкретного сплава.
Свойства железоуглеродистых сплавов меняются с содержанием углерода. В стали углерода меньше, поэтому её структура обычно лучше переносит деформацию: сталь можно прокатывать, ковать и обрабатывать. При большем содержании углерода чугун хорошо подходит для литья и часто твёрже, однако хуже переносит удар и изгиб. Поэтому его называют более хрупким по сравнению со сталью.
Цветные сплавы делают на основе металлов, отличных от железа, чтобы получить сочетание нужных качеств. Латунь — сплав меди с цинком, бронза — преимущественно меди с оловом; дюралюминий — лёгкий алюминиевый сплав с добавками, в том числе меди. Их применяют вместо чистых металлов, когда важны, например, большая прочность, малая масса, износостойкость или удобство обработки.
| Сплав | Основные компоненты | Характерные свойства | Применение |
|---|---|---|---|
| Сталь | Железо, углерод; возможны другие добавки | Прочная, обычно пластичнее чугуна; свойства зависят от состава | Конструкции, инструменты, машины |
| Чугун | Железо, углерод; обычно больше углерода, чем в стали | Твёрдый, хорошо отливается, но хрупок | Литые детали, корпуса, радиаторы |
| Латунь | Медь, цинк | Пластичная, устойчивая к коррозии, легко обрабатывается | Арматура, детали приборов, декоративные изделия |
| Бронза | Медь, преимущественно олово | Прочная, износостойкая, хорошо сопротивляется коррозии | Подшипники, детали механизмов, скульптуры |
| Дюралюминий | Алюминий, медь и другие добавки | Лёгкий и прочнее чистого алюминия | Транспорт, авиационные конструкции, техника |
Сначала сопоставьте название сплава с его основными компонентами, затем свяжите состав с характерными свойствами. Применение в таблице приведено как типичное: конкретный сплав может иметь иной состав и использоваться в других изделиях. При выборе материала учитывают не одно свойство, а весь набор требований к детали.
Условие. Распределите железо, сталь, медь, бронзу, алюминий и латунь на чистые металлы и сплавы. Для каждого сплава укажите основные компоненты. Нужно определить, какие названия обозначают отдельный химический элемент, а какие — материал из нескольких компонентов.
Ответ. Чистые металлы: железо, медь, алюминий. Сплавы: сталь — железо с углеродом, бронза — медь с оловом, латунь — медь с цинком.
Условие. В образце стали массой 250 кг содержится 0,8% углерода. Требуется найти массы углерода и железа. Считаем, что образец состоит только из этих двух компонентов, а процент углерода задан от общей массы образца.
Ответ. В образце содержится 2 кг углерода и 248 кг железа.
Условие. Нужно получить 500 кг латуни, в которой массовая доля меди равна 70%. Используют медное сырьё чистотой 95% и чистый цинк. Считаем, что примеси сырья остаются в готовом материале, а потерь при получении нет.
Ответ. Нужно взять примерно 368,42 кг медного сырья и 131,58 кг цинка. Примеси в сырье составят около 18,42 кг готового материала.
Называть сплав химическим соединением — ошибка: у него не обязательно есть постоянная формула, а доли компонентов могут меняться. Так думают, потому что компоненты распределены в материале равномерно; проверить себя можно вопросом, задано ли для этого вещества неизменное соотношение атомов. Если состав допускает изменения, перед нами не соединение с постоянной формулой.
Предполагать, что каждый компонент сохраняет свойства чистого металла, тоже неверно. Атомы взаимодействуют и изменяют структуру решётки, поэтому электропроводность, пластичность или твёрдость сплава могут отличаться от свойств компонентов. Проверяйте вывод по свойствам всего материала, а не только по названию металла-основы.
Сталь и чугун нельзя различать только по внешнему виду. Их состав и поведение при обработке важнее: в чугуне углерода больше, он обычно хрупче, тогда как сталь пластичнее. Чтобы проверить классификацию, выясните содержание углерода и сопоставьте его со свойствами материала.
При расчётах массовых долей нельзя складывать или подменять проценты без проверки состава. Доли всех компонентов образца в сумме должны давать 100%, а примеси в сырье не исчезают автоматически. Запишите массы каждого компонента отдельно, проверьте их сумму и учтите чистоту исходного материала.
Для понимания сплавов нужны знания о строении атома, металлической связи и кристаллической решётке: они объясняют, как добавки меняют материал. Также пригодятся понятия смеси и массовой доли, особенно при расчётах состава и учёте примесей. Дальше эти знания используют в материаловедении, при получении и обработке металлов, а также при выборе материалов для техники и промышленности.
Почему сплав нельзя считать просто смесью металлов?
Сплав может включать не только металлы, но и неметаллы, например углерод в стали. При его образовании меняется расположение атомов в металлической решётке, поэтому свойства материала не равны простой сумме свойств компонентов. При этом сплав обычно не имеет постоянной формулы и может иметь переменный состав.
Всегда ли сплав твёрже и прочнее чистого металла?
Нет, это зависит от состава и строения сплава. Добавки часто мешают слоям атомов легко смещаться, повышая твёрдость и прочность, но иногда уменьшают пластичность и электропроводность. Свойства материала подбирают под конкретное применение.
Чем сталь отличается от чугуна?
Оба материала — сплавы железа с углеродом, но в стали углерода меньше, чем в чугуне. Сталь обычно пластичнее и легче поддаётся ковке и прокатке, а чугун более хрупок. Разница в свойствах связана в том числе с большим содержанием углерода в чугуне.
Почему в сплавы добавляют небольшие количества других элементов?
Даже небольшая добавка может изменить строение решётки и затруднить смещение её слоёв. Так можно повысить прочность, твёрдость или устойчивость к коррозии. При этом важно учитывать, что добавка может ухудшить другие свойства, например пластичность.
Как по массовым долям компонентов определить состав сплава?
Массу каждого компонента находят умножением массы всего образца на его массовую долю, записанную десятичной дробью. Если известны доли всех компонентов, их сумма должна составлять 100%. При работе с сырьём, содержащим примеси, нужно отдельно учитывать его чистоту и массу примесей.
§ 33. Сплавы металлов
