§ 10. Сплавы

Определения и обозначения

Сплав — материал из двух или нескольких элементов, один из которых является металлом; такой материал обладает металлическими свойствами. В сплав может входить и неметалл, например углерод. Понятие помогает отличать сплавы от чистых металлов и понимать, почему состав материала важен для его применения.

Твёрдый раствор — одна из форм строения сплава, при которой атомы одного компонента распределены в кристаллической решётке другого. Решётка — упорядоченное расположение частиц в твёрдом веществе. Это понятие нужно, чтобы объяснить, как компоненты соединяются на уровне атомов и почему строение влияет на свойства материала.

Сталь — сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода меньше 2,14%. Массовая доля показывает, какую часть общей массы составляет данный компонент. По этому определению можно отличить сталь от чугуна и выбирать нужный материал для изделий, которым важны прочность и обработка.

Чугун — сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода больше 2,14%. В отличие от стали, чугун обычно твёрже, но более хрупок, поэтому его используют иначе. Граница по содержанию углерода позволяет классифицировать железоуглеродные сплавы даже тогда, когда их внешний вид неизвестен.

Как это устроено

Сплавы обычно получают совместным расплавлением компонентов, после чего расплав охлаждают и он затвердевает. При нагревании частицы компонентов могут перемешиваться, а при охлаждении образуется твёрдый материал. Скорость охлаждения и последующая обработка влияют на то, как расположатся частицы, поэтому одинаковый набор элементов не всегда даёт материал с совершенно одинаковыми свойствами.

Компоненты могут образовать твёрдый раствор, смесь кристаллов или химическое соединение. В твёрдом растворе атомы одного компонента занимают места в решётке другого; в смеси сохраняются отдельные кристаллы разных веществ, а в химическом соединении атомы связаны в определённом соотношении. Разные варианты строения возникают из-за различий в частицах и их взаимодействии, поэтому сплавы нельзя считать просто однородной смесью с одинаковым устройством.

Чистые металлы часто хорошо проводят электрический ток и тепло, но могут быть недостаточно твёрдыми или прочными для практических задач. В сплаве атомы разных элементов мешают регулярным слоям атомов смещаться относительно друг друга, поэтому материал нередко становится прочнее и твёрже. При этом такое нарушение порядка затрудняет движение частиц, переносящих заряд и тепло, и проводимость часто снижается. Это общая закономерность, а не правило без исключений: итог зависит от состава и строения.

В сплавах железа с углеродом меняется содержание углерода, а вместе с ним — строение и свойства материала. Если углерода менее 2,14%, сплав относят к стали; если более 2,14% — к чугуну. Стали широко используют там, где нужны прочность и возможность изготовления деталей, а чугун подходит для изделий, которым важны твёрдость и способность заполнять форму при литье. Состав помогает понять, почему эти два материала применяют по-разному.

Состав подбирают под задачу, потому что разные компоненты изменяют характеристики материала. Бронза и латунь — сплавы на основе меди, которые применяют для изделий и деталей; в латуни к меди добавлен цинк. Сталь используют в строительстве и машиностроении, а чугун — для литых деталей и изделий. Дюралюминий, сплав на основе алюминия, ценят за сочетание небольшой массы и достаточной прочности.

Распространённые сплавы: состав, свойства и применение

Сначала найдите в таблице основные компоненты, затем сопоставьте характерное свойство с задачей, для которой выбирают материал. Сведения о применении показывают типичные, а не единственно возможные варианты использования сплавов.

Разбор задач

Задача 1. Укажите, является ли материал сплавом, если он состоит из меди и цинка. Нужно выяснить, содержит ли материал несколько элементов и есть ли среди них металл. Затем полезно соотнести названные компоненты с известными сплавами меди.

1. В составе два элемента: медь и цинк.
2. Медь — металл, значит, выполнено условие определения сплава.
3. Сплав меди с цинком называют латунью.

Ответ: да, это сплав; он называется латунью. Для решения не требуется знать точные доли компонентов: достаточно состава. Если бы в задаче спрашивали о конкретной марке латуни или её свойствах, понадобились бы дополнительные сведения.

Задача 2. В сплаве железа с углеродом массовая доля углерода равна 1%. Определите, сталь это или чугун. Для классификации сравним указанное содержание с границей 2,14%. Важно не перепутать знак: сталь содержит углерода меньше этой границы.

1. Записываем содержание углерода: 1%.
2. Сравниваем значения: 1% < 2,14%.
3. По определению железоуглеродный сплав с долей углерода менее 2,14% — сталь.

Ответ: это сталь. Сравнение проводят по массовой доле углерода, а не по внешнему виду или твёрдости образца. Если содержание углерода превышает 2,14%, сплав относят к чугуну.

Задача 3. Масса стального изделия равна 500 г, массовая доля углерода в стали — 0,8%. Найдите массу углерода. Массовая доля дана в процентах, поэтому перед вычислением её нужно выразить десятичной дробью. Искомая масса составляет соответствующую часть общей массы изделия.

1. Переводим процент в дробь: 0,8% = 0,8 / 100 = 0,008.
2. Умножаем массу изделия на долю углерода: 500 г · 0,008 = 4 г.
3. Проверяем результат: 0,8% — меньше 1%, значит, масса углерода должна быть меньше 5 г.

Ответ: в изделии 4 г углерода. Проверка показывает, что результат правдоподобен: один процент от 500 г равен 5 г, а 0,8% должно быть немного меньше. В подобных расчётах масса компонента равна произведению массы всего сплава на его массовую долю.

Типичные ошибки

Считать сплавом только сочетание двух металлов — ошибка: в сплав могут входить неметаллы, например углерод в стали. Так думают, потому что слово «металл» связывают с каждым компонентом материала. Проверьте себя по определению: достаточно, чтобы один из нескольких элементов был металлом.

Путать сталь и чугун по названию или внешнему виду ненадёжно: их различают прежде всего по содержанию углерода. Путаница возникает из-за того, что оба материала содержат железо и углерод. Чтобы проверить ответ, сравните долю углерода с границей 2,14%.

Предполагать, что сплав обязательно мягче или прочнее каждого компонента, нельзя: свойства зависят от состава и строения. Ошибка возникает, если принять частую закономерность за неизменное правило. Проверяйте, какие компоненты и какое строение указаны, и не делайте вывод о прочности без этих данных.

При расчёте массы компонента нельзя умножать массу изделия на число процентов, не переведя его в десятичную дробь. Например, 0,8% — это 0,008, а не 0,8. Перед умножением разделите процент на 100, а затем оцените результат: масса компонента должна быть меньше массы всего изделия.

Связь с другими темами

Для понимания сплавов нужны знания о свойствах металлов, строении атома и металлической кристаллической решётке: они помогают объяснить, как компоненты влияют друг на друга. Расчёт состава связан с массовой долей элемента и вычислениями для смесей; используйте правило m(компонента) = w · m(сплава), где w — доля в виде десятичной дроби. Эти знания пригодятся при изучении металлургии и коррозии, а также при выборе металлов и сплавов для практических задач.

Что запомнить

• Сплав состоит из двух или нескольких элементов, один из которых — металл.
• Свойства сплава зависят от его состава и строения.
• Сплавы часто твёрже и прочнее чистых металлов, но хуже проводят тепло и электрический ток.
• Сталь — сплав железа с углеродом, в котором углерода менее 2,14%.
• Чугун — сплав железа с углеродом, в котором углерода более 2,14%.
• Бронза и латунь — сплавы на основе меди.