Сплавы

I

Спла́вы

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.

II

Спла́вы

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