Сплавы, макроскопические однородные системы, состоящие из двух или более металлов (реже - металлов и неметаллов) с характерными металлическими свойствами. В более широком смысле сплавы - любые однородные системы, полученные сплавлением металлов, неметаллов, неорганических соединений и т.д. Многие сплавы (например, бронза, сталь, чугун) были известны в глубокой древности и уже тогда имели обширное практическое применение. Техническое значение металлических сплавов объясняется тем, что многие их свойства (прочность, твердость, электрич. сопротивление) гораздо выше, чем у составляющих их чистых металлов.
Называют сплавы исходя из названия элемента, содержащегося в них в наибольшем количестве (основной элемент, основа), например сплавы железа, сплавы алюминия. Элементы, вводимые в сплавы для улучшения их свойств, называют легирующими, а сам процесс -легированием.
По характеру металла - основы различают черные сплавы (основа - Fe), цветные сплавы (основа - цветные металлы), сплавы редких металлов, сплавы радиоактивных металлов. По числу компонентов сплавы делят на двойные, тройные и т.д.; по структуре - на гомогенные (однородные) и гетерогенные (смеси), состоящие из нескольких фаз (последние могут быть стабильными и метастабильными); по характерным свойствам - на тугоплавкие, легкоплавкие, высокопрочные, жаропрочные, твердые, антифрикционные, коррозионностойкие, сплавы со специальными свойствами и другие. По технологии производства выделяют литейные (для изготовления деталей методом литья) и деформируемые (подвергаемые ковке, штамповке, прокатке, прессованию и другим видам обработки давлением).
Структура и получение. Физико-химической основой создания сплавов являются диаграмма состав-свойства и диаграмма состояния соответствующих систем, позволяющие определять свойства сплавы в условиях их термической обработки. Диаграммы состояния строят на основании экспериментальных данных или расчетным путем с использованием различных термодинамических моделей. В настоящее время в той или иной степени диаграммы состояния известны для большинства имеющих практических значение двойных и тройных систем.
Сплавы в кристаллическом состоянии представляют собой поликристаллические 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 сплавов представляют собой твердые растворы или химические соединения двух или более металлов (см. Металлические соединения. Интерметаллиды).
Максимальное количество равновесных фаз в сплавы определяется числом составляющих его компонентов (смотри Фаз правило). Форма, размеры и характер взаимного расположения фаз в сплаве характеризуют его структуру. Различают макроструктуру (строение сплава, видимое невооруженным глазом или при увеличении в 30-40 раз) и микроструктуру (строение сплава, наблюдаемое с помощью светового или электронного микроскопа с увеличением в 100 тысяч раз). Макроструктуру обычно исследуют по излому и на специальных макрошлифах. Кристаллические сплавы имеют зернистый (кристаллический) излом. По нему судят о размерах зерна, условиях выплавки и кристаллизации, температуре обработки и свойствах сплава. Микроструктура показывает взаимное расположение фаз, их форму и размеры. Для изучения микроструктуры из сплавов изготовляют микрошлиф, то есть небольшой образец, одну из плоскостей которого тщательно шлифуют, полируют и подвергают травлению. По микроструктуре можно оценить величину некоторых механических свойств сплавов
Основной метод получения сплавов - смешение и расплавление составляющих его компонентов с последующим затвердеванием в кристаллическом или аморфном состоянии. сплавы можно получать и без расплавления основного компонента - методами порошковой металлургии. Другие способы получения - осаждение из растворов и газовой фазы, диффузионное насыщение одного компонента другим, совместное электрохимическое осаждение из растворов и другие. Для получения сплавов в виде тонких пленок и покрытий используют осаждение из газовой фазы, напыление, конденсацию паров, электролиз.
Большинство сплавов, получаемых обычными способами, при затвердевании кристаллизуются. При быстром охлаждении расплава (скорость охлаждения 1-10 млн. градусов в с), например, при контакте расплавленной капли металла с быстровращающейся охлажденной поверхностью, распылении расплава холодной струей газа или конденсации паровметаллов в тонкие пленки на охлаждаемой подложке, получают аморфные сплавы. Мелкодисперсные порошки таких сплавы затем могут быть спрессованы путем горячей экструзии в заготовки или с помощью плазменного факела нанесены на различные детали в виде тонких покрытий. Аморфные сплавы по сравнению с кристаллическими обладают повышенными свойствами - износостойкостью, прочностью, пластичностью. коррозионной стойкостью, сопротивлением усталости.
Свойства. Различают структурно-нечувствительными и структурно-чувствительными свойства сплавов. Первые определяются силами межатомного взаимодействия, то есть природой составляющих сплавы элементов и их концентрацией. К ним относят плотность, температуру плавления, теплоту испарения. тепловые и упругие свойства, коэффициент термического расширения. Структурно-чувствительные свойства помимо природы элементов и их концентрации зависят от характеристик структуры: формы и размера зерен, наличия различного вида дефектов кристаллической структуры и концентрации этих дефектов; к ним относят прочность, пластичность, твердость. хрупкость, ползучесть, усталость, ударную вязкость.
Структурно-чувствительные свойства формируются в процессах получения и обработки сплавы При изготовлении полуфабрикатов и изделий из сплавы методом плавки, литья и последующей механической, термической, химической и другой обработки структура сплавы претерпевает ряд изменений. Характер этих изменений и условия управления ими подробно разработаны в теориях жидкого состояния, кристаллизации, термической и термомеханической обработки металлов и сплавов.
Уже в процессе плавки исходных компонентов могут быть созданы условия для получения после затвердевания сплавы с различной структурой. Величина перегрева расплава, время выдержки при высокой температуре 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 сплаве. В процессе кристаллизации в слитке возникает химическая микронеоднородность - дендритная ликвация, вызванная неравновесной кристаллизацией твердых растворов. Эта неоднородность устраняется отжигом, в результате которого путем диффузии в твердой фазе происходит выравнивание концентрации по всем участкам сплава (гомогенизирующий отжиг).
Способы обработки. Структура и свойства сплавов поддаются изменению. В результате различных видов механической 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 некоторых случаях (после прокатки, прессования) образуется волокнистая текстура; на несколько порядков увеличивается плотность дефектов кристаллической решетки.
Термическая обработка сплавов приводит к существенному изменению их физико-механических свойств. По температуре нагрева, длительности выдержки, скорости охлаждения, а также по назначению термическая обработка подразделяется на отжиг, закалку (с полиморфным превращением или без него), отпуск и старение.
Отжиг заключается в нагреве сплава до определенной температуры, выдержке при этой температуре и медленном (непрерывном или ступенчатом) охлаждении; приводит к получению равновесно-устойчивых структур, уменьшает остаточное напряжение в сплавы, повышает их пластичность. Закалка - нагрев и выдержка сплавы при определенной температуре с последующим быстрым охлаждением - приводит к получению нестабильных состояний в сплавы, способствует, как правило, повышению их твердости и хрупкости. Отпуск осуществляют обычно после закалки, нагревая сплавы до определенной температуры с последующим охлаждением с заданной скоростью на воздухе или в воде; повышает пластичность закаленного сплава, уменьшает хрупкость. Старение - самопроизвольное изменение структуры сплава в результате длительной выдержки при определенной температуре (комнатной или при нагреве) - способствует увеличению прочности и твердости сплава с одновременным уменьшением пластичности и ударной вязкости.
При производстве сплавов термическую обработку чаще всего чередуют с механической или совмещают с ней. Если при этом приобретенные в процессе механической обработки пластической деформация и плотность дефектов кристаллической решетки влияют на формирование структуры при термическом воздействии, то такая обработка называется термомеханической. Применяя разнообразные виды термической и механической обработки, можно одному и тому же сплаву придавать существенно различающиеся свойства. Например, углеродистая сталь после пластической деформации становится тверже и прочнее, в результате последующего отжига - мягче и пластичнее; если затем применить закалку, то сталь станет еще более твердой и прочной, чем первоначально.
Химико-термическая обработка сочетает одновременное тепловое и химическое воздействие, в результате чего изменяется состав и структура поверхностных слоев, а иногда и всего изделия. Наиболее распространено насыщение поверхностных слоев сплавы различными соединениями - борирование (насыщение бором), азотирование (насыщение азотом), силицирование (насыщение кремнием), оксидирование (насыщение кислородом), цементация (насыщение углеродом, науглероживание).
Применение. По назначению сплавы разделяют на большое число видов.
Конструкционные сплавы предназначены для изготовления деталей машин, строительных конструкций и других сооружений. Такие сплавы обладают целым комплексом свойств, обеспечивающих надежную и долговечную работу в условиях высоких механических напряжений - высокой прочностью, ударной вязкостью., хорошим сопротивлением к усталости, динамическим и ударным нагрузкам. Основную (по объему) часть выпускаемых во всем мире конструкционных сплавы составляют различные марки сталей и чугунов. В авиации, судостроительной и космической технике, где кроме перечисленных выше свойств необходимо учитывать плотность материала, находят применение конструкционные сплавы на основе Аl и Ti, которые по удельной прочности во многих случаях не уступают, а иногда даже превосходят наиболее прочные стали.
Из инструментальных сплавы изготовляют главным образом измерительные и металлообрабатывающие инструменты. Первые изготовляют в основном из углеродистых или легированных сталей, вторые - из быстрорежущих, штамповых сталей (смотри Железа сплавы) и твердых сплавов. Изделия из быстрорежущих и штамповых сталей получают традиционными методами литья с последующей механической и термической обработкой. Инструменты из твердых сплавов обладают более высокой твердостью, чем инструменты из стали, и способны работать при более высоких температурах и с более высокой производительностью.
В группу электротехнических входят сплавы с особыми магнитными и электрическими свойствами.
К сплавы с особыми электрическими свойствами относят: электроконтактные сплавы (размыкающие, скользящие); с высоким, слабо зависящим от температуры электрическим сопротивлением; термоэлектродные; резисторные; сплавы для нагревательных элементов и другие. Размыкающие контакты должны обладать высокой тепло- и электропроводностью, эрозионной стойкостью, сопротивлением свариваемости. Их изготовляют из сплавов благородных металлов, сплавов систем W-Ni-Cu, W-Ni-Ag, Ag-CuO(CdO). Скользящие контакты, кроме того, должны обладать низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью. Для их изготовления используют сплавы на основе систем Сu-С, Ag-Ni, Ag-Pd с добавками MoS2, Sb и др., получаемые методами порошковой металлургии. Сплавы с высоким электрическим сопротивлением и малым температурным коэффициентом для реостатов, измерительных и других приборов изготовляют на основе систем Cu-Ni (константан), Cu-Mn-Ni (манганин). Сплавы для нагревательных элементов обладают высоким электрическим сопротивлением, достаточной прочностью и стойкостью против окисления при высоких температурах, например сплавы, содержащие Ni и Сr (нихромы), Fe, Сr и Аl (фехраль), Ni и Сг (хромаль). Для изготовления термопар используют сплавы на основе систем Pt-Ph, Ni-Cr (хромель), Ni-Аl-Мn-Si (алюмель), Cu-Ni (копель).
Триботехнические сплавы, предназначенные для работы в узлах трения, подразделяют на фрикционные (увеличивающие трение) и антифрикционные (снижающие трение). Первые должны обладать высокими и стабильными в широком интервале температур коэффициентом трения, износостойкостью, теплопроводностью, сопротивлением схватыванию, достаточной прочностью; вторые - низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью. Фрикционные сплавы получают в основном 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 сплавы-чугуны, бронзы и баббиты-сплавы на основе Pb, Sn, Zn или Аl. Методами порошковой металлургии получают антифрикционные сплавы на основе системы Fe-графит и бронза-графит.
Большую группу составляют сплавы со специфическими свойствами: тугоплавкие, легкоплавкие, пористые, с постоянным коэффициентом термического расширения, с особыми ядерными свойствами, с эффектом памяти формы и др. Тугоплавкие сплавы для нагревательных элементов и других деталей, работающих при температуре > 1500њС, изготовляют на основе переходных металлов IV-VI гр., a также тугоплавких карбидов, нитридов, силицидов, боридов различных металлов. Легкоплавкие сплавы на основе Sn, Pb, Cd, Bi (напр., сплав Вуда), Та, Hg, Zn имеют температуры плавления ниже отдельных компонентов и используются в качестве предохранительных вставок, пробок, легкоплавких припоев. Пористые сплавы создают в основном методами порошковой металлургии. сплавы со сквозными порами используют в качестве фильтров, самосмазывающихся подшипников, пламегасителей; с изолированными порами (пеноматериалы) - в качестве теплозащиты. В атомной технике используют сплавы с особыми ядерными свойствами: высоким или низким сечением захвата (вероятностью поглощения) нейтронов, g-лучей; способностью замедлять и отражать нейтроны; способностью передавать тепло, выделившееся в результате ядерных реакций (например, сплавы 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 сплавы с эффектом памяти формы, например на основе никелида Ti. Изделия определенной формы из таких сплавов, будучи многократно деформированы, после нагрева восстанавливают свою первоначальную форму.
Анализ. Для установления и проверки свойств сплавов применяют различные методы контроля, в том числе разрушающего - испытания на механическую прочность и пластичность, жаропрочность, на прочность против коррозии, и неразрушающего (измерения твердости, электрических, оптических, магнитных свойств). Химический и фазовый состав сплавы определяют химико-аналитическими методами, с помощью спектрального анализа (в т.ч. рентгеновского), рентгеновского структурного анализа и других методов. Весьма эффективны для практического применения методы быстрого ("экспрессного") химического анализа, используемые в процессе производства сплавы, полуфабрикатов и изделий. Для исследования самой структуры сплава и ее дефектов используют методы химического 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.
