Что (кто) такое СПЛАВЫ - определение

материалы, имеющие металлические свойства и состоящие из двух или большего числа химических элементов, из которых хотя бы один является металлом. Многие металлические сплавы имеют один металл в качестве основы с малыми добавками других элементов. Самый распространенный способ получения сплавов - затвердевание однородной смеси их расплавленных компонентов. Существуют и другие методы производства - например, порошковая металлургия. В принципе, четкую границу между металлами и сплавами трудно провести, так как даже в самых чистых металлах имеются "следовые" примеси других элементов. Однако обычно под металлическими сплавами понимают материалы, получаемые целенаправленно добавлением к основному металлу других компонентов.

Почти все металлы, имеющие промышленное значение, используются в виде сплавов (см. табл. 1, 2). Так, например, все выплавляемое железо почти целиком идет на изготовление обычных и легированных сталей, а также чугунов. Дело в том, что 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. См. также МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЕ; ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ.

Многие металлы, скажем магний, выпускают высокочистыми, чтобы можно было точно знать состав изготавливаемых из него сплавов. Число металлических сплавов, применяемых в наши дни, очень велико и непрерывно растет. Их принято разделять на две большие категории: сплавы на основе железа и сплавы цветных металлов. Ниже перечисляются наиболее важные сплавы промышленного значения и указываются основные области их применения.

Сталь. Сплавы железа с углеродом, содержащие его до 2%, называются сталями. В состав легированных сталей входят и другие элементы - хром, ванадий, никель. Сталей производится гораздо больше, чем каких-либо других металлов и сплавов, и все виды их возможных применений трудно было бы перечислить. Малоуглеродистая сталь (менее 0,25% углерода) в больших количествах потребляется в качестве конструкционного материала, а сталь с более высоким содержанием углерода (более 0,55%) идет на изготовление таких низкоскоростных режущих инструментов, как бритвенные лезвия и сверла. Легированные стали находят применение в машиностроении всех видов и в производстве быстрорежущих инструментов. См. также СТАНКИ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИЕ
.

Чугун. Чугуном называется сплав железа с 2-4% углерода. Важным компонентом чугуна является также кремний. Из чугуна можно отливать самые разнообразные и очень полезные изделия, например крышки для люков, трубопроводную арматуру, блоки цилиндров двигателей. В правильно выполненных отливках достигаются хорошие механические свойства материала. См. также МЕТАЛЛЫ ЧЕРНЫЕ
.

Сплавы на основе меди. В основном это латуни, т.е. медные сплавы, содержащие от 5 до 45% цинка. Латунь с содержанием от 5 до 20% цинка называется красной (томпаком), а с содержанием 20-36% Zn - желтой (альфа-латунью). Латуни применяются в производстве различных мелких деталей, где требуются хорошая обрабатываемость и формуемость. Сплавы меди с оловом, кремнием, алюминием или бериллием называются бронзами. Например, сплав меди с кремнием носит название кремнистой бронзы. Фосфористая бронза (медь с 5% олова и следовыми количествами фосфора) обладает высокой прочностью и применяется для изготовления пружин и мембран.

Свинцовые сплавы. Обычный припой (третник) представляет собой сплав примерно одной части свинца с двумя частями олова. Он широко применяется для соединения (пайки) трубопроводов и электропроводов. Из сурьмяно-свинцовых сплавов делают оболочки телефонных кабелей и пластины аккумуляторов. Сплавы свинца с кадмием, оловом и висмутом могут иметь точку плавления, лежащую значительно ниже точки кипения воды (?70. C); из них делают плавкие пробки клапанов спринклерных систем противопожарного водоснабжения. Пьютер, из которого ранее отливали столовые приборы (вилки, ножи, тарелки), содержит 85-90% олова (остальное - свинец). Подшипниковые сплавы на основе свинца, называемые баббитами, обычно содержат олово, сурьму и мышьяк.

Легкие сплавы. Современная промышленность нуждается в легких сплавах высокой прочности, обладающих хорошими высокотемпературными механическими свойствами. Основными металлами легких сплавов служат алюминий, магний, титан и бериллий. Однако сплавы на основе алюминия и магния не могут применяться в условиях высокой температуры и в агрессивных средах.

Алюминиевые сплавы. К ним относятся литейные сплавы (Al - Si), сплавы для литья под давлением (Al - Mg) и самозакаливающиеся сплавы повышенной прочности (Al - Cu). Алюминиевые сплавы экономичны, легкодоступны, прочны при низких температурах и легко обрабатываемы (они легко куются, штампуются, пригодны для глубокой вытяжки, волочения, экструдирования, литья, хорошо свариваются и обрабатываются на металлорежущих станках). К сожалению, механические свойства всех алюминиевых сплавов начинают заметно ухудшаться при температурах выше приблизительно 175. С. Но благодаря образованию защитной оксидной пленки они проявляют хорошую коррозионную стойкость в большинстве обычных агрессивных сред. Эти сплавы хорошо проводят электричество и тепло, обладают высокой отражательной способностью, немагнитны, безвредны в контакте с пищевыми продуктами (поскольку продукты коррозии бесцветны, не имеют вкуса и нетоксичны), взрывобезопасны (поскольку не дают искр) и хорошо поглощают ударные нагрузки. Благодаря такому сочетанию свойств алюминиевые сплавы служат хорошими материалами для легких поршней, применяются в вагоно-, автомобиле- и самолетостроении, в пищевой промышленности, в качестве архитектурно-отделочных материалов, в производстве осветительных отражателей, технологических и бытовых кабелепроводов, при прокладке высоковольтных линий электропередачи.

Примесь железа, от которой трудно избавиться, повышает прочность алюминия при высоких температурах, но снижает коррозионную стойкость и пластичность при комнатной температуре. Кобальт, хром и марганец ослабляют охрупчивающее действие железа и повышают коррозионную стойкость. При добавлении лития к алюминию повышаются модуль упругости и прочность, что делает такой сплав весьма привлекательным для авиакосмической промышленности. К сожалению, при своем превосходном отношении предела прочности к массе (удельной прочности) сплавы алюминия с литием обладают низкой пластичностью.

Магниевые сплавы. Магниевые сплавы легки, характеризуются высокой удельной прочностью, а также хорошими литейными свойствами и превосходно обрабатываются резанием. Поэтому они применяются для изготовления деталей ракет и авиационных двигателей, корпусов для автомобильной оснастки, колес, бензобаков, портативных столов и т.п. Некоторые магниевые сплавы, обладающие высоким коэффициентом вязкостного демпфирования, идут на изготовление движущихся частей машин и элементов конструкции, работающих в условиях нежелательных вибраций.

Магниевые сплавы довольно мягки, плохо сопротивляются износу и не очень пластичны. Они легко формуются при повышенных температурах, пригодны для электродуговой, газовой и контактной сварки, а также могут соединяться пайкой (твердым), болтами, заклепками и клеями. Такие сплавы не отличаются особой коррозионной стойкостью по отношению к большинству кислот, пресной и соленой воде, но стабильны на воздухе. От коррозии их обычно защищают поверхностным покрытием - хромовым травлением, дихроматной обработкой, анодированием. Магниевым сплавам можно также придать блестящую поверхность либо плакировать медью, никелем и хромом, нанеся предварительно покрытие погружением в расплавленный цинк. Анодирование магниевых сплавов повышает их поверхностную твердость и стойкость к истиранию. Магний - металл химически активный, а потому необходимо принимать меры, предотвращающие возгорание стружки и свариваемых деталей из магниевых сплавов. См. также СВАРКА
.

Титановые сплавы. Титановые сплавы превосходят как алюминиевые, так и магниевые в отношении предела прочности и модуля упругости. Их плотность больше, чем всех других легких сплавов, но по удельной прочности они уступают только бериллиевым. При достаточно низком содержании углерода, кислорода и азота они довольно пластичны. Электрическая проводимость и коэффициент теплопроводности титановых сплавов малы, они стойки к износу и истиранию, а их усталостная прочность гораздо выше, чем у магниевых сплавов. Предел ползучести некоторых титановых сплавов при умеренных напряжениях (порядка 90 МПа) остается удовлетворительным примерно до 600. C, что значительно выше температуры, допустимой как для алюминиевых, так и для магниевых сплавов. Титановые сплавы достаточно стойки к действию гидроксидов, растворов солей, азотной и некоторых других активных кислот, но не очень стойки к действию галогеноводородных, серной и ортофосфорной кислот.

Титановые сплавы ковки до температур около 1150. C. Они допускают электродуговую сварку в атмосфере инертного газа (аргона или гелия), точечную и роликовую (шовную) сварку. Обработке резанием они не очень поддаются (схватывание режущего инструмента). Плавка титановых сплавов должна производиться в вакууме или контролируемой атмосфере во избежание загрязнения примесями кислорода или азота, вызывающими их охрупчивание. Титановые сплавы применяются в авиационной и космической промышленности для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах (150-430. C), а также в некоторых химических аппаратах специального назначения. Из титанованадиевых сплавов изготавливается легкая броня для кабин боевых самолетов. Титаналюминиевованадиевый сплав - основной титановый сплав для реактивных двигателей и корпусов летательных аппаратов.

Бериллиевые сплавы. Пластичный бериллиевый сплав можно получить, например, вкрапляя хрупкие зерна бериллия в мягкую пластичную матрицу, такую, как серебро. Сплав этого состава удалось холодной прокаткой довести до толщины, составляющей 17% первоначальной. Бериллий превосходит все известные металлы по удельной прочности. В сочетании с низкой плотностью это делает бериллий пригодным для устройств систем наведения ракет. Модуль упругости бериллия больше, чем у стали, и бериллиевые бронзы применяются для изготовления пружин и электрических контактов. Чистый бериллий используется как замедлитель и отражатель нейтронов в ядерных реакторах. Благодаря образованию защитных оксидных слоев он устойчив на воздухе при высоких температурах. Главная трудность, связанная с бериллием, - его токсичность. Он может вызывать серьезные заболевания органов дыхания и дерматит. См. также КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ и статьи по отдельным металлам.

металлов, металлические сплавы, твёрдые и жидкие системы, образованные главным образом сплавлением двух или более металлов (См. Металлы), а также металлов с различными неметаллами. 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. С. даже при сравнительно простой кристаллической структуре часто обладают более высокими механическими и физическими свойствами, чем составляющие их чистые металлы, например твёрдые растворы Cu-Sn (Бронза) или Fe-C (Чугун, Сталь). 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 пр. 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 (См. Физическая химия) 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 (см. Металловедение, Металлография, Металлофизика, Физико-химический анализ). Были построены диаграммы состояния (См. Диаграмма состояния) и диаграммы состав - свойство (См. Диаграмма состав - свойство) для всевозможных комбинаций металлических систем, как двойных, так и многокомпонентных. Раскрываемый диаграммой состояния характер взаимодействия компонентов системы (образование твёрдых растворов (См. Твёрдые растворы), 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 (См. Периодическая система элементов), успехи теории химической связи (См. Химическая связь), 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 (См. Конструкционные материалы). 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 (См. Легирование) известных и создания новых С. с целью расширения диапазона свойств и областей применения.

Большое число всевозможных С. требует их классификации. Для неё существует теоретический и практический подход. В первом случае с точки зрения термодинамики химической (См. Термодинамика химическая) (и фаз правила (См. Фаз правило)) 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 α-, β-, γ-, ε-латуни (См. Латунь), β-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 (см. Дисперсноупрочнённые материалы, Старение металлов); 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 (см. 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 (См. Порошковая металлургия) (см. Спечённые материалы).

Для обозначения качественного состава выпускаемые в СССР С. маркируются (см. на примере медных сплавов (См. Медные сплавы), легированных сталей (См. Легированная сталь)). 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 большинства С. определяются как составом, так и структурой С., зависящей от условий кристаллизации (См. Кристаллизация) и охлаждения, термической и механической обработки. При нагреве и охлаждении изменяется структура С. (см. Макроструктура, Микроструктура), 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 ("точка A₁"); закалка позволяет сохранить аустенитную структуру (т. н. 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 (См. Кристаллическая решётка), 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 (См. Термомеханическая обработка), химико-механическую обработку (См. Химико-механическая обработка) и химико-термическую обработку (См. Химико-термическая обработка). 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 (см. Механические свойства материалов), а также испытания на стойкость против коррозии(см. Коррозия металлов, Жаростойкость и др.), и неразрушающего (измерения твёрдости, электрических, оптических, магнитных и др. свойств). Состав С. определяется химико-аналитическими методами (см. Качественный анализ, Количественный анализ), с помощью спектрального анализа (См. Спектральный анализ), 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. (см. Дефекты в кристаллах, Дефекты металлов).

Подавляющее большинство промышленных С. существует в мелкозернистом (в виде Поликристаллов) состоянии; свойства таких С. практически изотропны (см. Изотропия). 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 (см. Полупроводниковые материалы).

Современные успехи науки о С. в значительной мере связаны с совершенствованием классических и разработкой новых физических методов исследования твёрдого тела (См. Твёрдое тело) (см. Рентгеновский структурный анализ, Электронная микроскопия, Нейтронография, Электронография и др. методы).Подробнее о методах получения С., их свойствах, значении и применении см. также статьи о различных С.

Лит.: Д. К. Чернов и наука о металлах, под ред. Н. Т. Гудцова, Л. - М., 1950; Бочвар А. А., Металловедение, 5 изд., М., 1956; Смирягин А. П., Промышленные цветные металлы и сплавы, 2 изд., М., 1956; Курнаков Н. С., Избр. труды, т. 1-2, М., 1960-61; Колачёв Б. А., Ливанов В. И., Елагин В. И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов, М., 1972; Бокштейн С. З., Строение и свойства: металлических сплавов, М., 1971; Курдюмов Г. В., Явления закалки и отпуска стали, М., 1960; Штейнберг С. С., Металловедение, М., 1961; Хансен М., Андерко К., Структуры двойных сплавов, пер. с англ., 2 изд., т. 1-2, М., 1962; Диаграммы состояния металлических систем, в. 1-17, под ред. Н. В. Агеева, М., 1959-73; Савицкий Е. М., Бурханов Г. С., Металловедение тугоплавких металлов и сплавов, М., 1967; Эллиот Р. П., Структуры двойных сплавов, пер. с англ., т. 1-2, М., 1970; Шанк Ф. А., Структуры двойных сплавов, пер. с англ., М., 1973; Физическое металловедение, под ред. Р. Кана, пер. с англ., т. 1-3, М., 1967-68; Горелик С. С., Дашевский М. Я., Материаловедение полупроводников и металловедение, М., 1973; Новиков И. И., Теория термической обработки металлов, М., 1974.

С. А. Погодин, Г. В. Инденбаум.

с особыми физическими свойствами, металлические сплавы с заданными значениями некоторых физико-механических свойств (магнитных, электрических, тепловых, упругих); то же, что Прецизионные сплавы.