4. МЕТАЛЕВІ СПЛАВИ

Металевими сплавами називають речовини, які складаються не менше ніж із двох компонентів і одним із них обов'язково має бути метал.

Вивчивши матеріали цього розділу, учні знатимуть:

• поняття металевого сплаву і його значення;

• умови утворення твердих розчинів;

• умови утворення механічної сполуки;

• умови утворення хімічних сполук.

1. Чисті метали як конструкційні матеріали майже не використовують через те, що їхні фізико-хімічні властивості рідко відповідають вимогам інженерів. Якщо до чистих металів додати (легувати) інші метали або металоїди, то можна отримати сплав з іншими властивостями, часто кращими, ніж у чистого металу.

2. Металевий сплав - це складна речовина, яка має властивості металів і здебільшого отримана шляхом сплавлення двох або більше хімічних елементів (компонентів), переважно металевих. Залежно від кількості компонентів, що утворюють сплави, їх відповідно називають подвійними, потрійними або багатокомпонентними. Компонентами сплаву найчастіше є інші метали, а також неметали (наприклад, вуглець у сталях і чавунах) і тривкі хімічні сполуки.

3. Одні й ті самі елементи можуть утворювати різні за властивостями сплави. Наприклад, залізо і вуглець утворюють чавун і сталь - сплави з неоднаковими властивостями: чавун містить більше вуглецю, ніж сталь, а сталь має більшу міцність.

4. Для отримання сплаву потрібно нагріти відповідні компоненти до температури плавлення, а потім утворений рідкий розчин закристалізувати. Слід зазначити, що більшість металів у рідкому стані необмежено розчинні один в одному. Однак у деяких випадках спостерігається їхня обмежена розчинність і навіть повна нерозчинність.

5. Хімічні сполуки найчастіше утворюються елементами, що не розчиняються один в одному у твердому стані, але вступають між собою в хімічну взаємодію з утворенням сполуки. Такі елементи, як правило, розміщені далеко один від одного в періодичній системі, тобто істотно відрізняються за будовою і властивостями (наприклад, карбід заліза Fe₃C).

6. Механічна суміш компонентів А і Б утворюється тоді, коли компоненти сплаву повністю нерозчинні у твердому стані. Зазвичай, механічні суміші утворюють метали, що мають різні типи кристалічних решіток, а при однаковому типі кристалічних решіток - велику різницю в атомних діаметрах. Метали, що утворюють такі сплави, зберігають свою кристалічну решітку. Таку будову має, наприклад, сплав свинцю із сурмою. Якщо розглянути шліф цього сплаву під мікроскопом, побачимо кристалики свинцю і сурми.

7. Як правило, механічні суміші утворюють метали, які різко відрізняються атомними об'ємами і температурою плавлення. Наприклад, температура плавлення свинцю - 327 °С, а сурми - 631 °С, їхні кристалічні решітки неоднакові: у свинцю ГЦК, а в сурми ромбоедрична. Властивості сплавів механічних сумішей залежать від співвідношення кількості їхніх компонентів.

8. Твердий розчин утворюється, коли компоненти сплаву взаємно розчиняються один в одному і в рідкому, і в твердому станах, а атоми в просторі розміщені закономірно, утворюючи кристалічну решітку. При цьому один із компонентів, який входить до складу сплаву, зберігає характерну для нього кристалічну решітку, а другий компонент, втрачаючи свою кристалічну будову, у вигляді окремих атомів розміщується в кристалічній решітці першого. Першу речовину називають розчинником, а другу - розчиненою речовиною. Залежно від характеру розміщення атомів розчиненої речовини розрізняють тверді розчини проникнення, заміщення і вилучення.

9. Твердий розчин заміщення - це розчин, у якому атоми Б розчинного елемента заміщають атоми розчинника А у його кристалічній решітці. При цьому параметри решітки розчинника замінюються залежно від різниці атомних діаметрів розчиненого елемента і розчинника.

10. Твердий розчин проникнення - це розчин, у якому атоми Б розчиненого елемента розміщуються між атомами А розчинника в його кристалічній решітці. Для утворення твердого розчину проникнення необхідно, щоб відношення атомного радіуса розчиненого елемента до атомного радіуса розчинника було < 0,59. При утворенні твердих

розчинів проникнення параметр решітки завжди збільшується, що призводить до значних спотворень решітки. Тверді розчини проникнення, як правило, отримують тоді, коли у металі розчиняють неметалевий елемент: водень, кисень, вуглець, бор тощо.

11. Твердий розчин вилучення (вирахування) утворюється на базі хімічного з'єднання, атоми розчиненого елемента заміщують атоми розчинника у вузлах кристалічної решітки, але окремі її вузли залишаються незайнятими (порожніми). Це роблять тоді, коли на базі хімічного з'єднання (наприклад, закису заліза FeO) отримують твердий розчин розчиненням одного з елементів (кисню), що складають хімічну сполуку (FeO). Розчинення відбувається внаслідок не заміщення атомів заліза атомами кисню, а витягання певної кількості атомів заліза з вузлів кристалічної решітки хімічної сполуки FeO, в результаті чого утворюються порожні місця (дірки).

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Чим відрізняються сплави від чистих металів?

2. Які типи сплавів можуть утворюватися залежно від фізико-хімічної взаємодії компонентів, що їх утворюють?

3. Як називаються сплави залежно від кількості компонентів?

4. Який сплав отримують із компонентів, які суттєво відрізняються атомним об'ємом і температурою плавлення?

5. Чи можна отримати сплав металу з неметалом?

Це матеріал з підручника "Матеріалознавство та технологія металів" Власенко 2019