Сплавы металлов

Сплавы металлов.

 Окружающие нас металлические  предметы редко состоят из  чистых металлов. В большинстве  случаев люди имеют дело со  сплавами. Большая часть получаемых  в промышленных масштабах металлов  используется для производства  сплавов 
Сплав  металлов— макроскопически однородный металлический материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов. Термин "С." первоначально относился к материалам с металлическими свойствами. Однако с середины 20 в. в связи с бурным развитием физики и техники полупроводников и полупроводниковых материалов понятие С. расширилось и распространилось на С. элементарных полупроводников и полупроводниковых соединений. 
Сплавы состоят из основы (одного или нескольких металлов), малых добавок специально вводимых в сплав легирующих(Леги́рование — добавление в состав материалов примесей для изменения (улучшения) физических и химических свойств основного материала. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, различают объёмное (металлургическое) и поверхностное (ионное, диффузное и др.) легирование.) и модифицирующих элементов, а также из не удаленных примесей (природных, технологических и случайных). Сплавы являются одним из основных конструкционных материалов. В технике применяется более 5 тыс. сплавов. 
Многие сплавы (напр., бронза, сталь, чугун) были известны в глубокой древности и уже тогда имели обширное практич. применение. Техническое значение металлических сплавов объясняется тем, что мн. их свойства (прочность, твердость, электрическое сопротивление) гораздо выше, чем у составляющих их чистых металлов. Два больших периода истории материальной культуры — бронзовый век и железный век — названы по тем металлам и С., из которых изготовлялись орудия труда, предметы вооружения и многое другое. Издавна было известно, что свойства С. зависят не только от их состава, но и от тепловой (например, закалка) и механической (например, ковка) обработки, Переход от поиска практически важных С. с помощью "проб и ошибок" к научным основам создания промышленных С. произошёл только в конце 19 — начале 20 вв., когда под влиянием быстро растущих запросов техники и идей физической химии  возникло учение о зависимости между свойствами металлов и свойствами образованных из них С., а также о влиянии на них механических, тепловых, химических и др. воздействий. Были построены диаграммы состояния и диаграммы состав — свойство для всевозможных комбинаций металлических систем, как двойных, так и многокомпонентных. Раскрываемый диаграммой состояния характер взаимодействия компонентов системы (образование твёрдых растворов, химических соединений, механических смесей, наличие фазовых превращений в твёрдом состоянии) позволяет предвидеть тип диаграмм состав — твёрдость, состав — электропроводность и др., получить представление о макроструктуре С. Во второй половине 20 в. внимание учёных в СССР и за рубежом всё больше сосредоточивается на проблеме предсказания характера взаимодействия элементов и свойств их С. При этом используются закономерности, вскрытые периодической системой элементов, успехи теории химической связи, достижения физики твёрдого тела и вычислительной техники. Разработка теории С. создала новые возможности развития промышленности, а также ряда отраслей новой техники. Современные промышленные С. — основная часть конструкционных материалов. При этом 95% мировой металлопродукции составляют С. на основе железа — самого дешёвого и доступного металла (сталь, чугун, ферросплавы). Всё больше элементов периодической системы Менделеева, до недавнего времени представлявших чисто научный интерес, находит практическое применение для легирования известных и создания новых С. с целью расширения диапазона свойств и областей применения.

Виды сплавов

По способу изготовления сплавов различают литые и порошковые сплавы. Литые сплавы получают кристаллизацией расплава смешанных компонентов. Порошковые — прессованием смеси порошков с последующим спеканием при высокой температуре. Компонентами порошкового сплава могут быть не только порошки простых веществ, но и порошки химических соединений. Например, основными компонентами твёрдых сплавов являются карбиды вольфрама или титана.

 С. классифицируют: а) по числу  компонентов — на двойные, тройные и т. д.; б) по числу фаз — на однофазные (твёрдый раствор или интерметаллид) и многофазные (гетерофазные), состоящие из двух и более фаз. Этими фазами могут быть чистые компоненты, твёрдые растворы, фазы со структурой a-, b-, g-, e-латуни, b-вольфрама, типа Cu₅Ca, NiAs, CaF₂, сигма-фазы, фазы Лавеса (названы по имени нем. учёного Ф. Лавеса), фазы внедрения и др. Особенно ценны С. с очень тонкой гетерогенностью; можно считать , что они лежат на границе между твёрдыми растворами и многофазными С.

 По практическому получению и применению принята следующая классификация С.: а) по металлам — либо являющимся основой С. (С. чёрных металлов и С. цветных металлов, а также алюминиевые сплавы, железные сплавы, никелевые сплавы и т. п.), либо по добавленным в небольших количествах и придающим особо ценные свойства легирующим компонентам (бериллиевая бронза, ванадиевая, вольфрамовая и др. стали); б) по применению (для изготовления конструкций или инструментов) и свойствам — антифрикционные, жаропрочные, жаростойкие, износостойкие, лёгкие и сверхлёгкие, легкоплавкие, химически стойкие и многие другие, а также С. с особыми физическими свойствами — тепловыми , магнитными, электрическими ( Прецизионные сплавы); в) по технологии изготовления изделий — на литейные (отливка жидких С. в формы); деформируемые (в холодном или горячем состоянии путём ковки, прокатки, волочения, прессования, штамповки); полученные методами порошковой металлургии.

Для обозначения качественного  состава выпускаемые в СССР С. маркируются ( на примере медных сплавов, легированных сталей). Кроме того , многие С. имеют названия , связанные с различными их признаками: составом (например, нихром), особыми свойствами (например, инвар, константан). С. называют и по фамилиям изобретателей (Вуда сплав, мельхиор, монель-металл), названиям фирм (армко-железо) и др.

Свойства  сплавов

Большинство сплавов, получаемых обычными способами, при затвердевании кристаллизуются. При быстром охлаждении расплава (скорость охлаждения 1-10 млн. градусов в с), напр. при контакте расплавленной капли металла с быстровращающейся охлажденной поверхностью, распылении расплава холодной струей газа или конденсации паров металлов в тонкие пленки на охлаждаемой подложке, получают аморфные сплавы. Мелкодисперсные порошки таких сплавов затем м. б. спрессованы путем горячей экструзии в заготовки или с помощью плазменного факела нанесены на различные детали в виде тонких покрытий. Аморфные сплавы по сравнению с кристаллическими обладают повышенными свойствами-износостойкостью, прочностью, пластичностью, коррозионной стойкостью.

Свойства металлов и сплавов  полностью определяются их структурой. Сплавы проявляют металлические свойства, например: электропроводность и теплопроводность, отражательную способность (металлический блеск) и пластичность. Важнейшей характеристикой сплавов является свариваемость. 
Очень ценным качеством сплавов является наличие у них свойств, которых нет ни у одного из компонентов сплава. Так, например, сплав золота с медью обладает значительной твердостью, хотя золото и медь представляют собой очень мягкие металлы. Сплавлением с некоторыми компонентами можно существенно улучшить свойства многих металлов. Если для чистого алюминия предел текучести составляет всего лишь 35 МПа, то для алюминия, содержащего 1,6% меди, 2,5% магния и 5,6% цинка, он может превышать 500 МПа. Аналогичным образом могут быть улучшены электрические, магнитные и термические свойства. Эти улучшения определяются структурой сплава – распределением и структурой его кристаллов и типом связей между атомами в кристаллах.

Свойства большинства С. определяются как составом, так и структурой С., зависящей от условий кристаллизации и охлаждения, термической и механической обработки. При нагреве и охлаждении изменяется макроструктура и микроструктура структура С. , что обусловливает изменение механических, физических и химических свойств и влияет на поведение С. при обработке и эксплуатации. Выяснение (с помощью диаграмм состояния) возможных фазовых превращений в С. даёт исходные данные для анализа важнейших видов термической обработки (закалки, отпуска металлов, отжига, старения). Например, перед отжигом углеродистых сталей исходной структурой чаще всего является феррито-карбидная смесь; основное превращение, происходящее при нагревании, — это переход перлита в аустенит при температуре выше 727 °С ; закалка позволяет сохранить аустенитную структуру ( закалка без полиморфного превращения, при которой происходит повышение прочности при сохранении пластичности С.). Типичный пример подобного поведения для алюминиевых С. — закаленный дуралюмин Д16. Реже встречаются С., у которых при закалке снижается прочность и сильно возрастает пластичность по сравнению с отожжённым состоянием. Типичный пример — бериллиевая бронза Бр. Б2 или нержавеющая хромоникелевая сталь X18H9. Для любых металлов или С., в которых при изменении температуры происходит полиморфное превращение основного компонента, при быстром охлаждении возможна закалка с бездиффузионным полиморфным превращением, которую обычно называют "закалкой на мартенсит". Мартенситное превращение, открытое при изучении закалки углеродистых и легированных сталей, как выяснилось впоследствии, является одним из фундаментальных способов перестройки кристаллической решётки, свойственным как чистым металлам, так и самым различным классам С.: безуглеродистым С. на основе железа, сплавам цветных металлов, полупроводниковым соединениям и др. Современная термическая обработка металлов и С. включает не только собственно термическую, но и термомеханическую обработку, химико-механическую обработку и химико-термическую обработку. В процессе таких технологических операций, как литьё, сварка, горячая обработка давлением, С. могут побочно также подвергаться отдельным видам термического воздействия и изменять свои свойства.

Для установления и проверки свойств  С. применяют различные методы контроля, в т. ч. разрушающего — испытания  на механическую прочность и пластичность, жаропрочность, а также испытания на стойкость против коррозии, и неразрушающего (измерения твёрдости, электрических, оптических, магнитных и др. свойств). Состав С. определяется химико-аналитическими методами, с помощью спектрального анализа, рентгеноспектрального анализа и др. методов. Весьма эффективны для практического применения методы быстрого ("экспрессного") химического анализа, используемые при производстве С., полуфабрикатов и изделий из С. Для исследования как самой структуры С., так и её дефектов используются методы физического металловедения. Различают макроскопические и микроскопические дефекты С.

Подавляющее большинство промышленных С. существует в мелкозернистом (в  виде поликристаллов) состоянии; свойства таких С. практически изотропны . Получение С. в виде монокристаллов представляло чисто научный интерес. Лишь со 2-й половины 20 в. появилась необходимость в промышленном производстве С. в виде монокристаллов, т. к. в ряде областей новой техники могут быть использованы только монокристаллы.

Современные успехи науки о С. в  значительной мере связаны с совершенствованием классических и разработкой новых  физических методов исследования твёрдого тела ( Рентгеновский структурный анализ, Электронная микроскопия, Нейтронография, Электронография и др. методы).

Большую группу составляют сплавы со специфич. св-вами: тугоплавкие, легкоплавкие, пористые, с постоянным коэф. термич. расширения, с особыми ядерными св-вами, с эффектом памяти формы и др. Тугоплавкие сплавы для нагреват. элементов и др. деталей, работающих при т-ре > 1500°С, изготовляют на основе переходных металлов IV-VI гр., a также тугоплавких карбидов, нитридов, силицидов, боридов разл. металлов. Легкоплавкие сплавы на основе Sn, Pb, Cd, Bi (напр., сплав Вуда), Та, Hg, Zn имеют т-ры плавления ниже отдельных компонентов и используются в качестве предохранит. вставок, пробок, легкоплавких припоев. Пористые сплавы создают в осн. методами порошковой металлургии. Сплавы со сквозными порами используют в качестве фильтров, самосмазывающихся подшипников, пламегасителей; с изолир. порами (пеноматериалы)-в качестве теплозащиты. В атомной технике используют сплавы с особыми ядерными св-вами: высоким или низким сечением захвата (вероятностью поглощения) нейтронов, g-лучей; способностью замедлять и отражать нейтроны; способностью передавать тепло, выделившееся в результате ядерных р-ций (напр., сплавы для твэлов). Для их изготовления используют актиноиды Li, Be, В, С, Zr, Ag, Cd, In, Gd, Er; Sm, Hf, W, Pb и др. элементы.

В последнее время созданы сплавы с эффектом памяти формы, напр. на основе никелида Ti. Изделия определенной формы из таких сплавов, будучи многократно деформированы, после нагрева восстанавливают свою первоначальную форму.

Способы обработки.

Структура и св-ва сплавов поддаются изменению. В результате разл. видов мех. обработки-ковки, прокатки, прессования, штамповки, волочения, резания из сплавов получают полуфабрикаты (листы, прутки, ленты, трубы) или изделия заданной формы. При этом, как правило, крупнозернистая после литья и гомогенизирующего отжига структура измельчается; в нек-рых случаях (после прокатки, прессования) образуется волокнистая текстура; на неск. порядков увеличивается плотность дефектов кристаллич. решетки.

Термич. обработка сплавов приводит к существ. изменению их физ.-мех. св-в. По т-ре нагрева, длительности выдержки, скорости охлаждения, а также по назначению термич. обработка подразделяется на отжиг, закалку (с полиморфным превращением или без него), отпуск и старение.

Отжиг заключается в нагреве сплавов до определенной т-ры, выдержке при этой т-ре и медленном (непрерывном или ступенчатом) охлаждении; приводит к получению равновесно-устойчивых структур, уменьшает остаточное напряжение в сплавах, повышает их пластичность. Закалка-нагрев и выдержка сплавов при определенной т-ре с послед. быстрым охлаждением-приводит к получению нестабильных состояний в сплавах, способствует, как правило, повышению их твердости и хрупкости. Отпуск осуществляют обычно после закалки, нагревая сплавы до определенной т-ры с послед. охлаждением с заданной скоростью на воздухе или в воде; повышает пластичность закаленного сплава, уменьшает хрупкость. Старение-самопроизвольное изменение структуры сплава в результате длит. выдержки при определенной т-ре (комнатной или при нагреве)-способствует увеличению прочности и твердости сплава с одновременным уменьшением пластичности и ударной вязкости.

При произ-ве сплавов термич. обработку чаще всего чередуют с механической или совмещают с ней. Если при этом приобретенные в процессе мех. обработки пластич. деформация и плотность дефектов кристаллич. решетки влияют на формирование структуры при термич. воздействии, то такая обработка наз. термомеханической. Применяя разнообразные виды термич. и мех. обработки, можно одному и тому же сплаву придавать существенно разл. св-ва. Напр., углеродистая сталь после пластич. деформации становится тверже и прочнее, в результате послед. отжига-мягче и пластичнее; если затем применить закалку, то сталь станет еще более твердой и прочной, чем первоначально.

Хим.-термич. обработка сочетает одновременное тепловое и хим. воздействие, в результате чего изменяется состав и структура поверхностных слоев, а иногда и всего изделия. Наиб. распространено насыщение поверхностных слоев сплавов разл. соединениями - борирование (насыщениебором), азотирование (насыщение азотом), силицирование (насыщение кремнием), оксидирование (насыщение кислородом), цементация(насыщение углеродом, науглероживание).