Металл — один из самых фундаментальных материалов, сформировавших современную цивилизацию, однако чистые формы большинства металлов редко используются в сложных областях применения.Легирование — это процесс в материаловедении, в ходе которого создаются новые вещества с металлическими свойствами, превосходящими свойства их базовых компонентов.Этот процесс предлагает индивидуальные решения для промышленных и технологических нужд.Подавляющее большинство металлических предметов, с которыми мы сталкиваемся ежедневно, от зданий до смартфонов, — это тщательно подобранные сплавы, а не чистые металлы.
Определение сплавов и процесса легирования.
Сплав — это вещество, обладающее металлическими свойствами, но состоящее из двух или более элементов, по крайней мере один из которых — металл. Легирующими элементами могут быть другие металлы или неметаллические элементы, например углерод или кремний. Основной металл называется базовым. Полученный материал представляет собой не простую физическую смесь, а гомогенный твердый раствор или соединение с новой, единой внутренней структурой.
Процесс легирования обычно начинается с нагрева основного металла до состояния расплава. Затем в жидкий металл в точных пропорциях добавляют легирующие элементы и тщательно перемешивают для равномерного распределения. После этого жидкий раствор охлаждают и затвердевают, в результате чего образуется конечный сплав с измененными свойствами.
Зачем нужно легирование (изменение свойств)?
Основная цель создания сплавов — улучшить определенные свойства, которых не хватает чистым металлам, чтобы сделать их пригодными для практического применения. Например, чистое железо мягкое и подвержено коррозии, но при добавлении углерода оно превращается в сталь — гораздо более прочный материал. Легирование эффективно повышает прочность и твердость материала, делая его менее подверженным деформации или износу.
Легирование также повышает устойчивость к коррозии, что часто достигается за счет добавления таких элементов, как хром. В нержавеющей стали не менее 11% хрома образует на поверхности тонкий защитный слой оксида хрома, предотвращающий коррозию железа. Легирование также позволяет точно контролировать температуру плавления материала, что полезно при пайке. Например, добавление свинца к олову создает эвтектический состав с температурой плавления намного ниже, чем у чистого металла, что позволяет ему растекаться и соединять материалы без чрезмерного нагрева.
Как взаимодействуют компоненты на атомном уровне?
Изменения макроскопических свойств происходят из-за нарушения регулярной повторяющейся кристаллической структуры чистого металла. В чистом металле атомы образуют упорядоченную кристаллическую решетку, благодаря чему слои атомов легко скользят относительно друг друга при приложении напряжения, что делает металл мягким и ковким. Присутствие чужеродных атомов создает препятствия в этой упорядоченной структуре, что затрудняет движение этих слоев и повышает прочность материала. Этот процесс известен как дисперсионное твердение.
Чужеродные атомы встраиваются в кристаллическую решетку основного материала двумя основными способами, в зависимости от их относительного размера. В твердом растворе замещения атомы легирующего элемента имеют тот же размер, что и атомы основного материала, и замещают их непосредственно в кристаллической структуре. Распространенным примером является латунь — сплав меди и цинка, в котором атомы цинка замещают атомы меди. В твердом растворе внедрения атомы легирующего элемента намного меньше и помещаются в крошечные промежутки между более крупными атомами основного материала. Сталь, в которой маленькие атомы углерода располагаются в промежутках между более крупными атомами железа, является наиболее ярким примером такого механизма.
Легирующие элементы.
Основными легирующими элементами являются медь, марганец, магний, литий и цинк. Для достижения определенных свойств в небольших количествах могут добавляться такие элементы, как никель, хром, титан, цирконий и скандий. Другие элементы также могут присутствовать в небольших количествах в качестве нежелательных примесей. Эти элементы, известные как «паразитные» или остаточные элементы, не оказывают положительного влияния на механические свойства, и производители алюминия стараются избавиться от них в своей продукции. Основные эффекты легирующих элементов заключаются в следующем:
• Магний (Mg) повышает прочность за счет твердорастворного упрочнения и улучшает способность к деформационному упрочнению.
• Марганец (Mn) повышает прочность за счет твердорастворного упрочнения и улучшает способность к деформационному упрочнению.
• Медь (Cu) значительно повышает прочность, способствует дисперсионному твердению, снижает коррозионную стойкость, пластичность и свариваемость.
• Кремний (Si) повышает прочность и пластичность, а в сочетании с магнием вызывает дисперсионное твердение.
• Цинк (Zn) существенно повышает прочность, способствует дисперсионному твердению, может вызывать коррозионное растрескивание под напряжением.
• Железо (Fe) повышает прочность чистого алюминия, обычно является остаточным элементом.
• Хром (Cr) повышает устойчивость к коррозионному растрескиванию под напряжением.
• Никель (Ni) повышает прочность при повышенных температурах.
• Титан (Ti) используется в качестве элемента, измельчающего зерно, особенно в присадочных металлах.
• Цирконий (Zr) используется в качестве элемента, измельчающего зерно, особенно в присадочных металлах.
• Литий (Li) существенно повышает прочность и модуль Юнга, обеспечивает дисперсионное твердение, снижает плотность.
• Скандий (Sc) существенно повышает прочность за счет дисперсионного твердения, является элементом, измельчающим зерно, особенно в металле сварного шва.
• Свинец (Pb) и Висмут (Bi) способствуют образованию стружки при свободной механической обработке сплавов.
Легирующие элементы в стали.
Наличие в железе более 0,1 % углерода по массе является основой современных конструкционных сталей. Атомы углерода располагаются между атомами железа и обеспечивают эффект упрочнения, препятствуя относительным перемещениям рядов атомов, которые происходят при разрушении материала. Другие легирующие элементы с атомами большего размера, чем у углерода, могут замещать некоторые атомы железа и повышать прочность по сравнению с простой углеродистой сталью; относительный эффект упрочнения, оказываемый этими различными элементами, может меняться в зависимости от температуры. Распространенными легирующими элементами являются марганец, хром, никель и молибден, которые в любом случае могли быть добавлены по другим причинам. Например, марганец вступает в реакцию с серой, предотвращая охрупчивание, хром придает устойчивость к окислению при высоких температурах, никель повышает твердость, а молибден предотвращает хрупкость.
Примеры сплавов в повседневной жизни.
Практический успех легирования очевиден в том, что сплавы широко используются в повседневной жизни и часто полностью заменяют чистые металлы. Сталь, сплав железа и углерода, является самым распространенным сплавом в мире. Она обладает твердостью и прочностью на разрыв, необходимыми для строительства, создания инфраструктуры и изготовления инструментов. Нержавеющая сталь отличается от обычной добавлением хрома и никеля, что обеспечивает превосходную устойчивость к коррозии для посуды и хирургических инструментов.
Латунь, состоящая из меди и цинка, ценится за свой золотистый цвет, акустические свойства и отличную обрабатываемость, что делает ее идеальным материалом для изготовления музыкальных инструментов и декоративных элементов. Бронза, древний сплав меди и олова, тверже и прочнее чистой меди, поэтому ее используют для изготовления скульптур, медалей и корабельной фурнитуры. Даже золото, используемое в ювелирных изделиях, сплавляют с медью или серебром для повышения прочности, поскольку чистое 24-каратное золото слишком мягкое для повседневного ношения.
