Химическая энциклопедия
"СПЛАВЫ"

СПЛАВЫ , макроскопические однородные системы, состоящие из двух или более металлов (реже-металлов и неметаллов) с характерными металлич. св-вами. В более широком смысле С.-любые однородные системы, полученные сплавлением металлов, неметаллов, неорг. соед. и т.д. Многие С. (напр., бронза, сталь, чугун) были известны в глубокой древности и уже тогда имели обширное практич. применение. Техн. значение металлических С. объясняется тем, что мн. их св-ва (прочность, твердость, электрич. сопротивление) гораздо выше, чем у составляющих их чистых металлов.

Называют С. исходя из названия элемента, содержащегося в них в наиб. кол-ве (основной элемент, основа), напр. С. железа, С. алюминия. Элементы, вводимые в С. для улучшения их св-в, наз. легирующими, а сам процесс -легированием .

По характеру металла-основы различают черные С. (основа -Fe), цветные С. (основа - цветные металлы), С. редких металлов, С. радиоактивных металлов. По числу компонентов С. делят на двойные, тройные и т.д.; по структуре-на гомогенные (однородные) и гетерогенные (смеси), состоящие из неск. фаз (последние м. б. стабильными и метаста-бильными); по характерным св-вам - на тугоплавкие, легкоплавкие, высокопрочные, жаропрочные, твердые, антифрикционные, коррозионностойкие, С. со спец. св-вами и др. По технологии произ-ва выделяют литейные (для изготовления деталей методом литья) и деформируемые (подвергаемые ковке, штамповке, прокатке, прессованию и др. видам обработки давлением).

Структура и получение. Физ.-хим. основой создания С. являются диаграмма состав - свойство и диаграмма состояния соответствующих систем, позволяющие определять св-ва С. в условиях их термич. обработки. Диаграммы состояния строят на основании эксперим. данных или расчетным путем с использованием разл. термодинамич. моделей. В настоящее время в той или иной степени диаграммы состояния известны для большинства имеющих практич. значение двойных и тройных систем.

С. в кристаллич. состоянии представляют собой поли-кристаллич. тела, состоящие из большого числа мелких (10^-3-10-⁷ м), различно ориентированных по отношению друг к другу кристаллов, называемых кристаллитами или зернами. Фазы кристаллических С. представляют собой твердые растворы или хим. соед. двух или более металлов (см. Металлические соединения , Интерметаллиды ).

Макс. кол-во равновесных фаз в С. определяется числом составляющих его компонентов (см. Фаз правило ). Форма, размеры и характер взаимного расположения фаз в С. характеризуют его структуру. Различают макроструктуру (строение С., видимое невооруженным глазом или при увеличении в 30-40 раз) и микроструктуру (строение С, наблюдаемое с помощью светового или электронного микроскопа с увеличением в 100 тыс. раз). Макроструктуру обычно исследуют по излому и на спец. макрошлифах. Кристаллические С. имеют зернистый (кристаллич.) излом. По нему судят о размерах зерна, условиях выплавки и кристаллизации, термин, обработке и св-вах С. Микроструктура показывает взаимное расположение фаз, их форму и размеры. Для изучения микроструктуры из С. изготовляют микрошлиф, т. е. небольшой образец, одну из плоскостей к-рого тщательно шлифуют, полируют и подвергают травлению. По микроструктуре можно оценить величину нек-рых мех. св-в С.

Осн. метод получения С.-смешение и расплавление составляющих его компонентов с послед. затвердеванием в кристаллич. или аморфном состоянии. С. можно получать и без расплавления осн. компонента-методами порошковой металлургии . Др. способы получения - осаждение из р-ров и газовой фазы, диффузионное насыщение одного компонента другим, совместное электрохим. осаждение из р-ров и др. Для получения С. в виде тонких пленок и покрытий используют осаждение из газовой фазы, напыление, конденсацию паров, электролиз.

Большинство С., 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 быстро-вращающейся охлажденной пов-стью, распылении расплава холодной струей газа или конденсации паров металлов в тонкие пленки на охлаждаемой подложке, получают аморфные С. Мелкодисперсные порошки таких С. затем м. б. спрессованы путем горячей экструзии в заготовки или с помощью плазменного факела нанесены на разл. детали в виде тонких покрытий. Аморфные С. по сравнению с кристаллическими обладают повыш. св-вами-износостойкостью, прочностью, пластичностью, коррозионной стойкостью, сопротивлением усталости.

Свойства. Различают структурно-нечувствит. и структур-но-чувствит. св-ва С. Первые определяются силами межатомного взаимод., т. е. природой составляющих С. элементов и их концентрацией. К ним относят плотность, т-ру плавления, теплоту испарения, тепловые и упругие св-ва, коэф. термич. расширения. Структурно-чувствит. св-ва помимо природы элементов и их концентрации зависят от характеристик структуры: формы и размера зерен, наличия разл. вида дефектов кристаллич. структуры и концентрации этих дефектов; к ним относят прочность, пластичность, твердость, хрупкость, ползучесть, усталость, ударную вязкость.

Структурно-чувствит. св-ва формируются в процессах получения и обработки С. При изготовлении полуфабрикатов и изделий из С. методом плавки, литья и послед. мех., термич., хим. и др. обработки структура С. претерпевает ряд изменений. Характер этих изменений и условия управления ими подробно разработаны в теориях жидкого состояния, кристаллизации, термич. и термомех. обработки металлов и сплавов.

Уже в процессе плавки исходных компонентов м. б. созданы условия для получения после затвердевания С. с разл. структурой. Величина перегрева расплава, время выдержки при высокой т-ре влияют на кол-во и степень дисперсности нерастворимых в расплаве примесей тугоплавких соединений. При кристаллизации частицы этих примесей служат центрами зарождения зерен, поэтому чем больше примесных частиц (перед затвердеванием), тем мельче зерно в затвердевшем С. В процессе кристаллизации в слитке возникает хим. микронеоднородность-дендритная ликвация, вызванная неравновесной кристаллизацией твердых р-ров. Эта неоднородность устраняется отжигом, в результате к-рого путем диффузии в твердой фазе происходит выравнивание концентрации по всем участкам С. (гомогенизирующий отжиг).

Способы обработки. Структура и св-ва С. 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 С. 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 С. 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 С., повышает их пластичность. Закалка-нагрев и выдержка С. при определенной т-ре с послед. быстрым охлаждением-приводит к получению нестабильных состояний в С., способствует, как правило, повышению их твердости и хрупкости. Отпуск осуществляют обычно после закалки, нагревая С. до определенной т-ры с послед. охлаждением с заданной скоростью на воздухе или в воде; повышает пластичность закаленного С., уменьшает хрупкость. Старение-самопроизвольное изменение структуры С. в результате длит. выдержки при определенной т-ре (комнатной или при нагреве)-способствует увеличению прочности и твердости С. с одновременным уменьшением пластичности и ударной вязкости.

При произ-ве С. 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 С. 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 С. разл. соединениями - борирование (насыщение бором), азотирование (насыщение азотом), силицирование (насыщение кремнием), оксидирование (насыщение кислородом), цементация (насыщение углеродом, науглероживание).

Применение. По назначению С. разделяют на большое число видов.

Конструкционные С. предназначены для изготовления деталей машин, строит. конструкций и др. сооружений. Такие С. обладают целым комплексом св-в, обеспечивающих надежную и долговечную работу в условиях высоких мех. напряжений - высокой прочностью, ударной вязкостью, хорошим сопротивлением к усталости, динамич. и ударным нагрузкам. Основную (по объему) часть выпускаемых во всем мире конструкционных С. составляют разл. марки сталей и чугунов. В авиац., судостроит. и космич. технике, где кроме перечисленных выше св-в необходимо учитывать плотность материала, находят применение конструкционные С. на основе А1 и Ti, к-рые по уд. прочности во мн. случаях не уступают, а иногда даже превосходят наиб. прочные стали.

Из инструментальных С. изготовляют гл. обр. измерит. и металлообрабатывающие инструменты. Первые изготовляют в осн. из углеродистых или легированных сталей, вторые - из быстрорежущих, штамповых сталей (см. Железа сплавы ) и твердых сплавов . Изделия из быстрорежущих и штамповых сталей получают традиц. методами литья с послед. мех. и термич. обработкой. Инструменты из твердых С. обладают более высокой твердостью, чем инструменты из стали, и способны работать при более высоких т-рах и с более высокой производительностью.

В группу электротехнических входят С. с особыми магн. (см. Магнитные материалы ) и электрич. св-вами.

К С. с особыми электрич. св-вами относят: электроконтактные С. (размыкающие, скользящие); с высоким, слабо зависящим от т-ры электрич. сопротивлением; термоэлектродные; резисторные; С. для нагреват. элементов и др. Размыкающие контакты должны обладать высокой тепло-и электропроводностью, эрозионной стойкостью, сопротивлением свариваемости. Их изготовляют из С. благородных металлов, С. систем W-Ni-Cu, W-Ni-Ag, Ag-CuO(CdO). Скользящие контакты, кроме того, должны обладать низким коэф. трения и высокой износостойкостью. Для их изготовления используют С. на основе систем Сu-С, Ag-Ni, Ag-Pd с добавками MoS₂ , Sb и др., получаемые методами порошковой металлургии. С. с высоким электрич. сопротивлением и малым температурным коэф. для реостатов, измерит. и др. приборов изготовляют на основе систем Cu-Ni (константан), Cu-Mn-Ni (манганин). С. для нагреват. элементов обладают высоким электрич. сопротивлением, достаточной прочностью и стойкостью против окисления при высоких т-рах, напр. С., содержащие Ni и Сr (нихромы), Fe, Сr и А1 (фехраль), Ni и Сг (хромаль). Для изготовления термопар используют С. на основе систем Pt-Ph, Ni-Cr (хромель), Ni-Аl-Мn-Si (алюмель), Cu-Ni (копель).

Триботехнические С., предназначенные для работы в узлах трения, подразделяют на фрикционные (увеличивающие трение) и антифрикционные (снижающие трение). Первые должны обладать высокими и стабильными в широком интервале т-р коэф. трения, износостойкостью, теплопроводностью, сопротивлением схватыванию, достаточной прочностью; вторые-низким коэф. трения, высокой износостойкостью. Фрикционные С. получают в осн. методами порошковой металлургии на основе Fe и Си с добавками асбеста, оксидов и карбидов (увеличивающих трение), Pb, Sn, графита, сульфидов, солей (улучшающих износ и предотвращающих схватывание). Антифрикционные С.-чугуны, бронзы и баббиты-С. на основе Pb, Sn, Zn или Аl (см. Антифрикционные материалы ). Методами порошковой металлургии получают антифрикционные С. на основе системы Fe-графит и бронза—графит.

О жаропрочных и коррозионностойких С. см. соотв. Жаропрочные сплавы , Коррозионностойкие материалы .

Большую группу составляют С. со специфич. св-вами: тугоплавкие, легкоплавкие, пористые, с постоянным коэф. термич. расширения, с особыми ядерными св-вами, с эффектом памяти формы и др. Тугоплавкие С. 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 С. 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 С. создают в осн. методами порошковой металлургии. С. со сквозными порами используют в качестве фильтров, самосмазывающихся подшипников, пламегасителей; с изолир. порами (пеноматериалы)-в качестве теплозащиты. В атомной технике используют С. 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., С. 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 С. с эффектом памяти формы, напр. на основе никелида Ti. Изделия определенной формы из таких С., будучи многократно деформированы, после нагрева восстанавливают свою первоначальную форму.

Анализ. Для установления и проверки св-в С. применяют разл. методы контроля, в т.ч. разрушающего-испытания на мех. прочность и пластичность, жаропрочность, на прочность против коррозии, и неразрушающего (измерения твердости, электрич., оптич., магн. св-в). Хим. и фазовый состав С. определяют хим.-аналит. методами (см. Качественный анализ , Количественный анализ ), с помощью спектрального анализа (в т.ч. рентгеновского), рентгеновского структурного анализа и др. методов. Весьма эффективны для практич. применения методы быстрого ("экспрессного") хим. анализа, используемые в процессе произ-ва С., полуфабрикатов и изделий. Для исследования самой структуры С. и ее дефектов используют методы хим. металловедения.

Лит.: Захаров М. В., Захаров A.M., Жаропрочные сплавы, М., 1972; Гуляев А. П., Металловедение, 5 изд., М., 1977; Ульянин E. А., Коррозионностойкие стали и сплавы, М., 1980; Колачев Б. А., Ливанов В. А., Елагин В. И., Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов, 2 изд., М., 1981; Рахштадт А. Г., Пружинные стали и сплавы, 3 изд., М., 1982; Геллер Ю. А., Инструментальные стали, 5 изд., М., 1983; Новиков И. И., Теория термической обработки металлов, 4 изд., М., 1986; Аморфные металлические сплавы, пер. с англ., под ред. Ф.Е. Люборского, М., 1987.

Ю. В. Левинский.