Металлические сплавы и композиты

8.4. Металлические сплавы и композиты

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).

Рекомендуемые материалы

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 (Ni_xAl_y), 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?

Рекомендация для Вас - 11 Человек в светской культуре Нового времени.

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.