§ 39. Сплавы

Определения и обозначения

Сплав — материал, состоящий из двух или более компонентов, обычно один из которых является металлом. В чистом металле присутствуют атомы одного химического элемента, а сплав содержит несколько веществ и может иметь переменный состав. Поэтому сплав рассматривают как материал с собственными составом и строением, а не как отдельный химический элемент.

Компонент сплава — отдельное вещество, входящее в состав сплава. Компонентами могут быть металлы, например медь и цинк в латуни, а также неметаллы: углерод входит в состав стали. Это понятие помогает точно указывать, из каких веществ образован материал и как добавки могут повлиять на его свойства.

Твёрдый раствор — однородная фаза сплава, в которой атомы одного компонента распределены в кристаллической решётке другого. При замещении одни атомы занимают места других в узлах решётки, а при внедрении небольшие атомы располагаются в промежутках между ними. Различие нужно, чтобы описывать, как именно устроен однородный сплав.

Интерметаллическое соединение — вещество определённого состава, возникающее между компонентами сплава и имеющее собственную кристаллическую структуру. В отличие от твёрдого раствора, его состав не меняется произвольно в широких пределах. Это понятие позволяет отличать соединение от однородного раствора и смеси отдельных фаз.

Как это устроено

Сплавы часто получают совместным плавлением компонентов: в расплаве их частицы могут перемешаться, а при охлаждении образуется твёрдый материал. Но плавление подходит не всегда, поэтому применяют и другие способы соединения компонентов, например порошковую металлургию. Выбирая доли веществ и технологию, можно менять состав и структуру, а значит, подбирать материал для конкретной задачи.

При затвердевании расплава частицы выстраиваются в кристаллические структуры, но результат зависит от взаимодействия компонентов. Иногда атомы одного элемента входят в решётку другого, и получается твёрдый раствор. Иногда образуется соединение с собственной структурой, а иногда кристаллизуются отдельные фазы, которые остаются рядом и составляют механическую смесь. Поэтому по одному только перечню компонентов нельзя полностью описать строение сплава.

В растворе замещения атомы добавленного компонента занимают в решётке места атомов основного металла. Такое замещение возможно, когда строение и размеры атомов позволяют им разместиться в узлах без слишком сильного нарушения решётки. В растворе внедрения небольшие атомы располагаются в промежутках между крупными атомами металла. Разница в размерах частиц и типе занимаемых мест объясняет, почему эти два раствора имеют разное строение.

В чистом металле слои атомов при определённых условиях могут смещаться друг относительно друга, вызывая пластическую деформацию. Атомы добавок нарушают регулярность решётки и затрудняют такое перемещение, поэтому для изменения формы иногда требуется большее усилие. В результате твёрдость или прочность сплава может увеличиться. Однако эффект зависит от количества и вида добавки, а также от структуры: нельзя утверждать, что любой сплав прочнее каждого исходного компонента.

Состав и структура вместе определяют, где материал будет полезен. Сталь — сплав на основе железа с углеродом и, в зависимости от марки, другими компонентами; её применяют в конструкциях и деталях, подбирая состав под нужные свойства. Чугун тоже содержит железо и углерод, но отличается составом и структурой, поэтому широко используется, например, для литых изделий. Латунь на основе меди и цинка и бронза на основе меди с другими компонентами востребованы там, где нужны подходящие механические и эксплуатационные свойства.

Типы структур сплавов

Сначала определите, одна фаза перед вами или несколько: это помогает отличить твёрдый раствор от механической смеси. Затем посмотрите, где располагаются атомы добавки или есть ли у соединения собственная структура. Примеры показывают возможные варианты, но конкретное строение зависит от состава и условий получения.

Разбор задач

1. Компоненты латуни

Назовите компоненты сплава латуни и определите, является ли она чистым веществом. Чтобы ответить, нужно вспомнить, что латунь — не название химического элемента, а материал из нескольких компонентов. Для вывода о чистоте сравним её состав с составом вещества, состоящего из одного компонента.

1. Указываем компоненты латуни: медь и цинк.
2. Сопоставляем состав с определением чистого вещества: в чистом веществе один компонент, а здесь их два.
3. Делаем вывод: латунь является сплавом, а не чистым веществом.

Ответ: латунь состоит из меди и цинка; это сплав, не чистое вещество.

2. Массовая доля цинка

Сплав массой 250 г содержит 200 г меди и цинк. Найдите массовую долю цинка. Сначала важно определить массу именно цинка: сумма масс компонентов равна массе всего сплава. Затем отношение массы цинка к общей массе выражаем в процентах.

1. Находим массу цинка: 250 г − 200 г = 50 г.
2. Делим массу цинка на массу сплава: 50 г / 250 г = 0,2.
3. Переводим долю в проценты: 0,2 × 100% = 20%.

Ответ: массовая доля цинка в сплаве равна 20%.

3. Выбор материала для детали

Для детали нужен материал твёрже чистого железа и устойчивый к износу. Рассмотрим, почему может подойти сталь и почему нельзя выбрать её только по названию. Сталь содержит дополнительные компоненты, а их вид и количество влияют на структуру материала и его свойства.

1. Сравниваем требование с возможным эффектом добавок: они могут мешать смещению слоёв атомов и повышать твёрдость.
2. Учитываем, что сталь — сплав на основе железа, поэтому изменение её состава позволяет подбирать свойства для разных деталей.
3. Проверяем конкретную марку и её характеристики: не всякая сталь одинаково устойчива к износу, а свойства зависят от состава и обработки.

Ответ: сталь может подойти, если её состав и свойства отвечают условиям работы детали; по одному названию материала это установить нельзя.

Типичные ошибки

• Считать сплав химически чистым веществом — ошибка, потому что в нём обычно несколько компонентов, а их соотношение может меняться. Такое заблуждение возникает, когда материал называют одним словом, например «латунь». Проверьте себя: выясните, состоит ли вещество из одного компонента или из нескольких.

• Называть сплавом только смесь металлов — неверно: среди компонентов может быть неметалл, например углерод в стали. Ошибку допускают, потому что сплавы обычно связывают с металлическими материалами. Для проверки перечислите все компоненты, не исключая неметаллические вещества.

• Путать твёрдый раствор с механической смесью — значит не различать одну однородную фазу и несколько отдельных фаз. В твёрдом растворе атомы распределены в общей решётке, а в смеси сохраняются области с разным составом и строением. Проверьте себя вопросом: образуют ли компоненты одну фазу или несколько?

• Утверждать, что любой сплав обязательно твёрже и прочнее каждого компонента, нельзя: свойства зависят от состава и структуры. Такое обобщение появляется из знания, что некоторые добавки упрочняют металл. Проверяйте вывод для конкретного материала и условия применения, а не переносите его на все сплавы.

Связь с другими темами

Для понимания строения сплавов нужны знания о строении атома и металлической кристаллической решётке: они помогают представить расположение частиц. Понятия смеси и химического соединения позволяют различать твёрдый раствор, механическую смесь фаз и интерметаллическое соединение. Тема продолжает изучение металлов и их свойств, но связывает химический состав с устройством материала. Это важно при выборе металлов и сплавов для техники, строительства и изготовления деталей.

Что запомнить

• Сплав состоит из двух или более компонентов.
• Компонентами сплава могут быть металлы и неметаллы.
• Структура сплава зависит от состава и условий образования.
• В твёрдом растворе атомы одного компонента распределены в решётке другого.
• Сплав может содержать несколько фаз с разным составом и строением.
• Свойства сплава не совпадают автоматически со свойствами его компонентов.