Сплавы, появившиеся тысячи лет назад, стали важнейшим открытием, которое с тех пор изменило наш мир. Сплавы позволяют создавать материалы, не встречающиеся в природе в чистом виде. Но что такое сплавы, почему они так важны, как их создают и какие у них бывают разновидности? В этой статье мы ответим на эти и другие вопросы. Начнем с самого начала.
Что такое сплав?
В самом общем смысле сплав — это металл, состоящий из двух или более элементов, по крайней мере один из которых — металл. Сплавы часто называют «смесью металлов», но если один из компонентов — металл, то вторым может быть неметаллический элемент, например углерод или кремний. Сплавы появились еще в 3500 году до нашей эры, когда была изобретена бронза — сплав меди и олова, который использовался для изготовления более прочных инструментов и оружия. С тех пор мы открыли бесчисленное множество новых сплавов и усовершенствовали их, чтобы придать им не только прочность, но и другие полезные свойства. Сплавы стали более сложными, и их можно разделить на следующие категории:
Сплавы замещения: В сплавах этого типа атомы, составляющие кристаллическую решетку основного металла, замещаются атомами дополнительного элемента. Это возможно только в том случае, если атомы обоих соединений примерно одинаковы по размеру. Примером может служить бронза. Медь и олово имеют примерно одинаковый размер атомов, поэтому при смешивании атомы олова могут встраиваться в структуру металла, замещая атомы меди.
Интерстициальные сплавы: Если атомы легирующего элемента (или элементов) намного меньше атомов основного металла, они проникают между ними. Это позволяет им заполнять промежутки в кристаллической решетке атомов, из которых состоит сплав.
Зачем нужны сплавы?
Как мы уже упоминали выше, сплавы могут обладать привлекательными характеристиками, повышающими прочность, долговечность, электропроводность и другие свойства основного металла. Сплавы не только улучшают характеристики или свойства чистых элементов, но и при смешивании с другими соединениями могут устранять потенциальные недостатки. Благодаря этой универсальности сплавы составляют большую часть металлических изделий, которые мы используем сегодня.
Как изготавливают сплавы?
Самый распространенный способ получения сплавов — самый древний: нужно просто расплавить и смешать компоненты, а затем дать сплаву остыть и затвердеть. Однако сплавы можно получить и другим способом: превратить каждый из компонентов в порошок, смешать их и сплавить при высоком давлении и температуре. Еще один метод получения сплавов — ионная имплантация, при которой ионы внедряются в поверхностный слой металлического изделия.
Является ли сталь сплавом?
Сталь — это сплав, который считается одним из самых прочных. Существует множество его разновидностей, каждая из которых обладает определенными преимуществами для тех или иных областей применения. Это могут быть как интерметаллиды, так и комбинация интерметаллидов и сплавов замещения.
Состав стали
Обычная сталь получается путем добавления углерода (обычно около 0,5% от общего состава сплава) к железу, в результате чего образуется интерметаллид, в котором гораздо более мелкие атомы углерода проникают между гораздо более крупными атомами железа. Несмотря на то, что существует огромное количество марок и разновидностей стали, еще один распространенный пример — нержавеющая сталь, которая обладает более высокой коррозионной стойкостью и не требует гальванизации. Это достигается за счет добавления в сплав хрома и никеля, что делает его одновременно интерстициальным и замещающим сплавом. Атомы углерода намного меньше атомов железа, но хром и никель имеют схожий размер и действуют как замещающий сплав, «заменяя» атомы железа.
Примеры других распространенных сплавов
Хотя сталь — самый распространенный сплав, используемый сегодня, существует множество других популярных примеров:
- Латунь: Сплав меди и цинка, часто используемый для изготовления декоративных элементов, дверных замков и медных музыкальных инструментов.
- Бронза: Сплав меди, олова и марганца, фосфора, алюминия или кремния. Часто используется для изготовления декоративных элементов, музыкальных инструментов, пружин, а также в судостроении, например для изготовления гребных винтов.
- Чугун: Сплав железа, углерода (более 2%) и кремния, часто используемый для изготовления арочных мостов, прочной посуды и автомобильных деталей.
- Пьютер: Сплав олова, меди, свинца и сурьмы, который часто используется для изготовления украшений, посуды (до того, как стекло стало более распространённым материалом), подвесок и других декоративных предметов.
- Стерлинговое серебро: Сплав серебра и меди, который часто используется для изготовления столовых приборов, ювелирных изделий, музыкальных инструментов и медицинских инструментов.
- Алюминий: Алюминий — это чистый элемент, но алюминиевые сплавы получают путём добавления марганца или меди. Они часто используются в электронной промышленности, управлении ветровой и солнечной энергией, автомобильных кузовных панелях и судостроении.
Распространенные легирующие элементы.
Как вы могли заметить из приведенного выше списка, существует ряд легирующих соединений, которые используются в нескольких распространенных сплавах. Есть много других сплавов, менее известных, но не менее важных, многие из которых содержат одни и те же легирующие элементы. Вот некоторые из них и их общие свойства:
- Никель: Повышает ударную вязкость и пластичность
- Медь: Повышает коррозионную стойкость и способствует дисперсионному твердению
- Марганец: Повышает прочность и жаростойкость
- Кремний: Повышает прочность и снижает температуру плавления
- Хром: Повышает коррозионную и абразивную стойкость, твердость и прочность