Металлические сплавы. Металлические сплавы — это вещества, обладающие металлическими свойствами и состоящие из двух или более элементов, из которых хотя бы один является металлом. Их получают охлаждением расплавленных смесей, совместным осаждением из газовой фазы, электроосаждением из растворов и расплавов, диффузионным насыщением. Свойства сплавов значительно отличаются от свойств металлов. Например, прочность на разрыв сплава меди и цинка (латуни) в три раза выше, чем у меди и в шесть раз по сравнению с цинком. Железо хорошо растворимо, а его сплав с хромом и никелем (нержавеюща сталь) — устойчив в разбавленной серной кислоте. Различают однофазные сплавы (твердые растворы), механические смеси и химические соединения (интерметаллиды).
Твердые растворы — это фазы переменного состава, в которых различные атомы образуют общую кристаллическую решетку. Практически все металлы образуют твердые растворы с другими металлами и неметаллами. Однако, в большинстве случаев растворимость других элементов в металлах невелика, а иногда и пренебрежимо мала. Имеется несколько систем с полной взаимной растворимостью (непрерывные твердые растворы). Примерами таких твердых раство ров служат сплавы серебро — золото, никель — кобальт, медь — никель, молибден — вольфрам. На рис. 6.5 была приведена диаграмма плавкости твердого раствора медь — никель.
Атомы растворяющихся элементов занимают либо узлы кристаллической решетки (растворы замещения), либо места между узлами (растворы внедрения). Растворы замещения образуют компоненты с близкими электронными структурами и размерами атомов. При растворении неметаллов в металлах обычно возникают растворы внедрения. Для твердых растворов характерно постепенное изменение свойств с изменением их состава. Прочность и твердость твердых растворов обычно выше, а электрическая проводимость и теплопроводность ниже, чем у каждого из компонентов в отдельности.
|
|
Многие металлы, взаимно растворимые в расплавленном состоянии, при охлаждении образуют смесь кристаллов с различной кристаллической решеткой. Температура плавления такой смеси ниже температуры плавления отдельных компонентов. Состав, имеющий минимальную температуру плавления, называется эвтектикой. Эвтектический сплав состоит из очень мелких кристаллов индивидуальных компонентов. Эвтектическую смесь обычно образуют металлы, близкие по природе, но существенно отличающиеся по типу кристаллической решетки, например, свинец с оловом, с сурьмой, кадмий с висмутом, олово с цинком. На рис. 11.7 приведены диаграммы плавкости сплавов кадмия с висмутом и олова со свинцом. Эвтектические сплавы характеризуются малыми размерами и однородностью кристаллов и имеют высокие твердость и механическую прочность. Поэтому сплавы свинца с оловом и сурьмой применяются в качестве типографских шрифтов и решеток аккумуляторов. Вследствие легкоплавкости сплавы свинца с оловом также применяются для припоев и подшипников.
Для большинства эвтектических сплавов наблюдается ограничения растворимость компонентов. Например, растворимость олова в свинце и свинца в олове составляет соответственно атомных долей 9,5 и 2,5% (рис. 11.7,6).
При сильном взаимодействии между металлами образуются химические соединения, называемые интерметаллидами. Диаграмма плавкости таких систем имеет максимум (рис. 11.8). Химические соединения могут иметь постоянный (дальтониды, рис. 11.8, а) или переменный состав (бертоллиды; рис. 11.8, б). Наряду с интермеллидами в системе возникают эвтектики ( Е1 и Е2, рис. 11.8). Кроме того, возможна взаимная растворимость компонентов (фазы aиbрис . 11.8). Возможны и более сложные диаграммы плавкости.
Химические соединения обычно возникают между металлами, отличающимися по электроотрицательности и химическим свойствам, например между магнием и медью (MgCu2), никелем (MgNi2), сурьмой (Mg3Sb2), между алюминием и никелем (NixAly), лантаном (LaAl4), кальцием и цинком (CaZn10), лантаном и никелем (LaNi5) и многими другими.
Обычно составы интерметаллидов не соответствуют формальным валентностям металлов. Кристаллические структуры интерметаллидов, как правило непохожи на структуры индивидуальных компонентов. Свойства химических соединений существенно отличаются от свойств исходных металлов. Они характеризуются меньшими значениями теплопроводности и электрической проводимости, чем образующие их компоненты. Некоторые интерметаллиды являются даже полупроводниками.
Интерметаллиды характеризуются хрупкостью, но становятся пластичными при температурах, близких к температурам плавления. Многие из них имеют высокую химическую стойкость.
Жак, металлические сплавы существуют в виде твердых растворов, механических смесей, интерметаллидов и их сочетаний.
Композиционные материалы. Керметы. Композиционные материалы (композиты) получают объемным сочетанием химически разнородных компонентов при сохранении границы раздела между ними. Свойства композитов существенно отличаются от свойств входящих в них компонентов.
Композиционные материалы состоят из основы (матрицы) и добавок (порошков, волокон, стружки и т.д.). В качестве основы применяют металлы, полимеры, керамику и другие материалы. Если основой служат металлы, то добавками являются металлические нитевидные кристаллы, неорганические волокна и порошки (оксиды алюминия, кварц, алюмосиликаты и др.). Композиты, матрицей которых служит керамика, а добавками — металлы, называются керамико-металлическими материалами или керметами. В качестве матрицы керметов обычно применяют оксиды алюминия, хрома, магния, циркония, карбиды вольфрама, кобальта, бориды циркония и хрома. Добавками могут служить металлы, сродство которых соответственно к кислороду, углероду, бору меньше, чем сродство к этим элементам металлов основы. Наиболее распространены сочетания оксидов алюминия с молибденом, вольфрамом, танталом, никелем, кобальтом, оксида хрома с вольфрамом, оксида магния с никелем, диоксида циркония с молибденом, карбидов титана и хрома с никелем и кобальтом.
Композиты получают различными методами: порошковой металлургии, пропитки расплавленным металлом, химического и электрохимического осаждения металлов на основу. Метод порошковой металлургии включает операции смешения компонентов, их формирования прессованием или прокаткой и спекания. В методе пропитки расплавленный металл заполняет поры в керамической матрице или в сетке из другого металла.
Композиты характеризуются высокой прочностью, твердостью, износостойкостью. Например, предел прочности на растяжение композита, состоящего из железного порошка и нитевидных кристаллов оксида алюминия в три раза выше, чем у неармированного железа. В пять раз возрастает усталостная прочность меди при ее армировании волокнами вольфрама. Композиты широко используются в качестве конструкционных материалов, материалов износостойких контактов, подшипников, штампов и инструментов. Многие из них обладают жаростойкостью, поэтому служат огнеупорами, материалами чехлов термопар, испарителей металлов, тепловыделяющих элементов, аварийных стержней в атомной энергетике и др.
Химически стойкие керамические матрицы защищают металлы-добавки от коррозии и воздействия агрессивных сред, поэтому многие керметы устойчивы в морской воде, растворах солей, щелочей и даже кислот.
Итак, металлические композиты представляют собой гетерогенное сочетание металлов и сплавов с другими металлами и керамическими фазами. Свойства композитов существенно отличаются от свойств входящих в них компонентов.
Вопросы и задачи для самоконтроля
В каком случае больше разница между свойствами металла и сплава: а)
твердого раствора; б) интерметаллида?
Уменьшится или увеличится температура плавления вещества при образо
вании сплава: а) эвтектики; б) интерметаллида?
Рассчитайте молярную долю кадмия (%) в эвтектике кадмий-висмут (см.
рис. 11.7, а).
11.19. Могут ли оксиды: a) Fe2Oj; б) А12О3 быть основами матриц керметов с
армирующей добавкой хрома, если стандартная энергия Гиббса образования оксидов
ДС/. 298 (кДж/моль) — 1576 (А12О3), — 1058 (Сг2О3) и — 740 (Fe2O3)?
11.20. Ксрмст, состоящий из оксида алюминия и никеля, можно изготовить хи
мическим восстановлением никеля из солей на матрицу А12Оз. Напишите реакцию
восстановления карбоната никеля водородом при повышенной температуре.
Ваша оценка?
