Отсюда наше предположение – введение иных элементов в расплавленный металл изменяет строение металла, и как результат – изменяются свойства этого металла!

И это мы рассмотрели влияние на железо одного углерода, а если мы добавим хром, никель, то Ваш нож не только не будет ржаветь, но и лезвие будет сохранять свою режущую способность очень долго. Но как «угадать»? Сколько надо добавить того или иного компонента? Это же не суп – попробовал, и добавил! Хотя, когда знают, сколько надо, пробуют – достаточно ли? И добавляют! Но об этом несколько позже.

Мы с Вами уяснили, что от строения вещества (металла) зависят различные свойства. Но как нам их получить – каждый раз гадать, что и сколько добавить? Оказывается, ученые-металлурги это выполнили за нас! Для лучшего понимания сложных процессов в металлах можно обратиться к процессам, происходящим с неметаллами в нашей обыденной жизни.

Следует отметить, что процесс при выплавке сплавов, т. е. когда мы намеренно вводим в сплав (для получения специальных свойств) металлы, такие как хром или никель, или неметаллы – углерод, происходят сложные процессы взаимодействия. Мы уже говорили, что подобие этих процессов можно рассмотреть на знакомых нам примерах!

В быту мы с Вами очень часто пользуемся растворами. Мы любим пельмени с уксусом, кто более крепкий, а кто слабее! И часто при этом, по случаю пельменей, принимаем раствор спирта в воде. И уксус, и спирт растворяются в воде в любом соотношении, т. е. они неограниченно растворяются. Как ни странно, ряд металлов может при сплавлении образовывать неограниченные твердые растворы, т. е. они не только в расплавленном состоянии растворены друг в друге и составляют единое целое, но и в твердом состоянии их нельзя отделить друг от друга! Это возможно тогда, когда у этих металлов подобные кристаллические решетки, они близко расположены в Периодической системе и многое другое.

Рис. 2

На рис. 2 представлены виды твердых растворов. Это могут быть растворы замещения (а, б); подобным образом образуются и неограниченные твердые растворы. Способ распределения атомов на рис. 2, в – внедрение, такой раствор всегда ограниченный. Примеров таких растворов в обыденной жизни много. В качестве таких растворов можно привести: раствор соли или сахара в воде. Эти вещества до определенного содержания растворяются в воде, а далее не растворяются.

Подобные растворы образуются между металлами и неметаллами, так как атом неметалла по сравнению с металлом очень мал, и заместить атом металла без сильного искажения решетки не может. Искажения сильно изменяют энергетическое состояние системы и свойства сплава.

Мы часто пользуемся средствами, которые при употреблении необходимо взбалтывать – это лекарственные препараты, различные эмульсии, известковый раствор. Почему? А потому, что эти вещества не образуют растворов. Они представляют собой смеси растворителя и растворяемого вещества. Всем известен известковый раствор, при побелке его надо постоянно взбалтывать, в противном случае известь (CaCO₃) выпадет в осадок, а вверху останется чистейшая вода. Так же и различные эмульсии.

Так и металлы, отличающиеся типом решетки, размерами атомов, температурой плавления не могут на атомном уровне образовывать единую кристаллическую решетку (твердый раствор). Такие металлы образуют механические смеси. В этом случае в твердом состоянии структура будет представлена двумя типами кристаллов, находящихся в межатомном взаимодействии.

Такие сплавы получили широкое распространение при производстве подшипников скольжения, это так называемые баббиты на оловянной или свинцовой основе.

Рассмотрим следующий тип взаимодействия между компонентами, образующими сплавы. Пользуясь тем же принципом, что и ранее, попробуем разобрать подобное взаимодействие на понятной нам системе. Когда я пришел на первый урок по химии, я не имел ни малейшего представления об этой дисциплине. Время было военное, и мы были скорее уличными мальчишками, нежели интеллектуалами! Не знаю, по какой причине, но учительница начала урок со следующего примера: «Берем газ кислород, который поддерживает горение, и газ водород, который горюч. Поджигаем и получаем воду в результате химической реакции!» Не знаю как на кого, а на меня эти слова произвели неизгладимое впечатление! Совершенно разные агрегатные состояния – газы и вода. Газы, один горит, а другой поддерживает горение! Вода же – только гасит пламя! Так я узнал, что такое химическое взаимодействие!

Элементы, образующие сплавы, могут так же вступать в химическое взаимодействие (но, конечно, без взрыва!), и образовывать химическое соединение.

Наиболее показательным примером может являтся химическое соединение цементит, образующееся при сплавлении железа с углеродом (графит). Железо имеет твердость 70-80 НВ, графит очень мягок (мажет руки), а их химическое соединение цементит имеет твердость > 800 НВ. Поэтому белые чугуны, содержащие много углерода, который образует цементит, имеют очень высокую твердость.

Зимой дворники посыпают лед солью (NaCl), и мы видим, что даже при порядочном морозе лед тает. Казалось бы, почему так? Представленный рядом график (рис. 3) показывает, что соль со льдом образует раствор, и лед плавится. При этом образуется раствор соли в воде; чем больше процент соли, тем при более низкой температуре образуется раствор. Отсюда также видно, что при 25 % NaCl и при –21 °С образуется смесь соли и раствора соли в воде – эвтектика. А далее соль не растворяется. При увеличении содержания соли температура раствора и кристаллов будет повышаться. Также видно, что при температуре –30 °С никакая соль не поможет растопить лед! Ниже горизонтальной линии, проходящей через точку E (линия кристаллизации эвтектики), будет только лёд!

Металлических сплавов многие тысячи, и каждый характеризуется набором определенных свойств и, конечно, имеет свое назначение. Самый простой способ выбора сплава – это обратиться к справочнику! Однако может случиться так, что ни один из предложенных сплавов не удовлетворяет Вашим требованиям, и тогда придется создавать тот или иной сплав экспериментально. Этот способ малопроизводительный и не всегда приводит к желаемым результатам. Зная, какие Вам нужны свойства, с помощью диаграммсостояния системы сплавов, можно гораздо быстрее получить желаемый результат.

Итак, мы с Вами установили, что при образовании сплавов элементы могут образовывать: твердые растворы с неограниченной и ограниченной растворимостью, механические смеси и химические соединения.

Мы с Вами познакомились с графиком изменения температуры льда в зависимости от концентрации соли в этой смеси. Если бы мы захотели эту зависимость представить в виде таблицы, то она была бы бесконечно длинной и малопонятной!