§ 42. Сплавы

Определения и обозначения

Сплав — материал из двух или более элементов, один или несколько из которых являются металлами. Чистый металл состоит из атомов одного химического элемента, а в сплаве присутствуют разные элементы. Среди них может быть не только металл: например, углерод входит в состав стали. Это определение помогает не путать сплав с чистым металлом или обычной смесью металлических изделий.

Сталь — сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода не превышает примерно 2%. Массовая доля показывает, какая часть массы образца приходится на данный элемент. Даже небольшое количество углерода меняет свойства железа: сталь становится твёрже и прочнее, хотя при чрезмерном увеличении доли углерода может терять пластичность. По содержанию углерода сталь отличают от чугуна.

Чугун — сплав железа с углеродом, массовая доля которого превышает примерно 2%. Он твёрдый, но сравнительно хрупкий: при ударе может расколоться, а не согнуться. При этом чугун удобно обрабатывать резанием, то есть снимать с заготовки стружку. Эти особенности помогают понять, для каких деталей он подходит.

Латунь — сплав меди с цинком. По сравнению с чистой медью она обладает другими механическими свойствами и хорошо поддаётся обработке. Латунь используют для деталей приборов, музыкальных инструментов, арматуры и декоративных изделий. Уточнение состава позволяет отличить её от бронзы, в которую входит олово.

Как это устроено

Чаще всего сплав получают совместным плавлением компонентов, а затем расплав охлаждают. В расплаве частицы разных веществ перемешиваются, и при затвердевании образуется общий материал. Такой способ позволяет соединить нужные элементы и получить однородный состав. Некоторые сплавы получают иначе, например спеканием: порошки компонентов уплотняют и нагревают, не обязательно превращая их в жидкость.

Свойства сплава могут отличаться от свойств чистых металлов, потому что атомы добавленного элемента занимают места в металлической решётке или меняют её строение. В чистом металле слои атомов могут сравнительно легко сдвигаться друг относительно друга. Атомы другого размера затрудняют такое смещение, поэтому металл часто становится твёрже и прочнее. Конкретный результат зависит от того, какие элементы и в каком количестве входят в сплав, поэтому нельзя заранее считать все сплавы одинаковыми.

Сталь и чугун различаются прежде всего содержанием углерода: в стали его примерно до 2%, в чугуне — больше. Углерод меняет строение материала и затрудняет смещение его слоёв. Поэтому сталь обычно сочетает прочность с большей пластичностью, а чугун отличается высокой твёрдостью, но легче ломается при ударе. Увеличение твёрдости не означает, что материал становится удобнее для любой работы: для детали, которую нужно гнуть, хрупкий чугун не подойдёт.

Сплавы условно делят на содержащие железо и не содержащие его. Сталь и чугун относятся к первой группе, а латунь и бронза — к сплавам на основе меди. Железо в составе не определяет само по себе все свойства материала: влияют также добавки и их доли. Поэтому состав подбирают под назначение детали — например, чтобы она выдерживала нагрузку, не ломалась при обработке или сохраняла нужную форму.

Латунь состоит из меди и цинка, а бронза — из меди и олова; разные добавки по-разному изменяют свойства меди. Латунь пластична и удобна в обработке, поэтому из неё делают изделия сложной формы, детали приборов и музыкальные инструменты. Бронза прочна и устойчива к износу, поэтому подходит для подшипников, втулок, скульптур и других изделий. Пример показывает: даже при общей основе — меди — назначение сплава зависит от того, какой элемент добавлен.

Состав, свойства и применение распространённых сплавов

Сначала сравните составы: так проще не перепутать латунь и бронзу или сталь и чугун. Затем соотнесите свойства с условиями работы детали. Примеры применения показывают типичные варианты, но конкретная марка сплава может иметь особый состав и свойства.

Разбор задач

Задача 1. Указать, является ли сталь сплавом, и назвать элементы, входящие в её состав. Для ответа проверим определение: сплав должен содержать не менее двух элементов, и хотя бы один из них должен быть металлом. Затем сопоставим это условие с составом стали. Важно назвать оба основных компонента, а не только железо.

1. Сталь содержит железо и углерод, то есть два химических элемента.
2. Железо — металл, а углерод — неметалл; наличие неметалла не мешает материалу быть сплавом.
3. Следовательно, состав стали соответствует определению сплава.

Ответ: сталь является сплавом железа с углеродом.

Задача 2. В образце массой 500 г массовая доля углерода равна 1,2%. Найти массу углерода и определить, сталь это или чугун. Сначала процент нужно перевести в десятичную дробь, иначе вычисление даст неверный результат. Затем сравним полученную долю с примерной границей между сталью и чугуном.

1. Переведём проценты в дробь: 1,2% = 1,2 ÷ 100 = 0,012.
2. Найдём массу углерода: m = 500 г × 0,012 = 6 г.
3. Сравним содержание углерода с границей: 1,2% меньше примерно 2%, значит, образец относится к стали.

Ответ: масса углерода равна 6 г; по содержанию углерода это сталь.

Задача 3. Для детали нужен материал, который легче обрабатывать резанием, чем сталь. Сравним два железоуглеродных сплава, учитывая не только состав, но и свойства. У чугуна доля углерода выше, чем у стали, и он твёрдый и хрупкий. При выборе нужно ориентироваться именно на заданный способ обработки, а не просто на то, какой материал прочнее.

1. Сталь содержит примерно до 2% углерода; она обычно прочна и пластична.
2. В чугуне углерода больше; он твёрже и хрупче, но хорошо обрабатывается резанием.
3. Поскольку условие требует облегчить именно обработку резанием, для подходящей детали выбираем чугун.

Ответ: подходит чугун, если деталь не должна выдерживать ударные нагрузки, при которых его хрупкость станет недостатком.

Типичные ошибки

Ошибка: считать сплавом только смесь двух металлов. Так думают, потому что многие знакомые сплавы состоят из металлов; однако в стали есть неметалл углерод. Проверьте себя: у сплава должны быть разные элементы и хотя бы один металл, но все компоненты не обязаны быть металлами.

Ошибка: путать сталь и чугун. Оба материала состоят из железа и углерода, поэтому одного названия компонентов недостаточно для различения. Сравните массовую долю углерода: в стали она примерно до 2%, в чугуне — выше. Это самый надёжный ориентир в данной теме.

Ошибка: считать, что сплав обязательно мягче или прочнее каждого компонента. Такое обобщение возникает, если запомнить одно свойство одного сплава и перенести его на все остальные. Свойства зависят от состава и строения, поэтому сверяйте конкретные характеристики материала с его назначением. Нельзя определить прочность только по слову «сплав».

Ошибка: называть латунь сплавом меди с оловом. Латунь и бронза обе содержат медь, поэтому их легко перепутать. Проверьте второй компонент: в латуни это цинк, а в бронзе — олово. Короткая связка «латунь — цинк, бронза — олово» помогает не ошибаться.

Связь с другими темами

Для понимания сплавов пригодятся знания о свойствах металлов и металлической связи: они объясняют, как устроена металлическая решётка и почему её слои могут смещаться. Понятие массовой доли нужно, чтобы рассчитывать состав сплава и различать сталь и чугун по содержанию углерода. Позже эти знания помогут изучать металлы и их соединения, коррозию и способы защиты материалов от разрушения. В быту и технике состав сплава объясняет, почему для разных деталей выбирают разные материалы.

Что запомнить

• Сплав состоит из двух или более элементов, среди которых есть металл.
• Свойства сплава зависят от его состава и строения и могут отличаться от свойств чистых компонентов.
• Сталь и чугун — сплавы железа с углеродом.
• В стали углерода меньше, чем в чугуне: ориентировочная граница составляет 2%.
• Латунь — сплав меди с цинком.
• Бронза — сплав меди с оловом.
• Состав сплава подбирают, чтобы получить свойства, нужные для конкретного применения.