Реферат: Металлы и сплавы в химии и технике
Металлы и сплавы в химии и технике.
Химические элементы – это элементы образующие всвободном состоянии простые вещества с металлической связью. Из 110 известныххимических элементов 88-металлы и только 22-неметаллы.
Такие металлы, как золото, серебро и медь, известнычеловеку с доисторических времен. В древние и средние века считали, чтосуществует только 7 металлов (золото, серебро, медь, олово, свинец, железо иртуть). М. В. Ломоносов определял металл как “светлое тело, которое коватьможно” и относил к металлам золото, серебро, медь, олово, железо и свинец” А.Лавуазье в “Начальном курсе химии” (1789) упоминал уже 17 металлов. В началеXIXв. последовало открытие платиновых металлов, а затем щелочных,щелочноземельных и ряда других.
Триумфом периодического закона было открытие металлов,предсказанных на его основе Д. И. Менделеевым, — галлия, скандия и германия. Всередине XX в. с помощью ядерных реакций были получены трансурановые элементы — несуществующие в природе радиоактивные металлы.
Современная металлургия получает свыше 60 металлов ина их основе более 5000 сплавов.
Воснове структуры металлов лежит кристаллическая решетка из положительныхионов, погруженная в плотный газ подвижных электронов. Эти электроныкомпенсируют силы электрического отталкивания между положительными ионами и темсамым связывают их в твердые тела.
Такой тип химической связи называют металлическойсвязью. Она обусловила важнейшие физические свойства металлов: пластичность,электропроводность, теплопроводность, металлический блеск.
Пластичность — это способность металлов изменять форму при ударе,прокатываться в тонкие листы и вытягиваться в проволоку. При этом происходитсмещение атомов и ионов кристаллической решетки, однако связи между ними неразрываются, так как соответственно перемещаются и электроны, образующиесвязь. Пластичность металлов уменьшается в ряду Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn. Fe. Золото, например, можно прокатыватьв листы толщиной до 0,003 мм, которые используют для золочения.
Высокаяэлектропроводность металлов объясняется присутствием свободных электронов,которые под влиянием даже небольшой разности потенциалов перемещаются ототрицательного полюса к положительному С повышением температуры колебанияионов и атомов металлов усиливаются, что затрудняет движение электронов и темсамым приводит к уменьшению электропроводности. При низких же температурахколебательное движение ионов и атомов, наоборот, сильно уменьшается, иэлектропроводность возрастает. Вблизи абсолютного нуля электрическоесопротивление у металлов практически отсутствует. Лучший проводникэлектричества — серебро, за ним идут медь, золото, алюминий, железо. Такжеизменяется и теплопроводность металлов, которая вызвана как высокойподвижностью свободных электронов, так и колебательным движением ионов,благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры в массе металла.Металлический блеск тоже связан с наличием свободных электронов.
Из других физических свойств металлов наибольший практический интереспредставляют плотность, температура плавления и твердость. Самый легкий изметаллов — литий (плотность 0,53 г/см3), самый тяжелый — осмий (22,6г/см3). Металлы с плотностью меньше 5 г/см 3 называютсялегкими, остальные — тяжелыми. Температуры плавления металлов различаютсяочень сильно: цезий и галлий можно расплавить теплом ладоней, а температураплавления вольфрама +3410° С. При обычных условиях единственный жидкий металл- ртуть. В парообразном состоянии все металлы одноатомны, их кристаллическаярешетка разрушается.
Металлы различаются по твердости. Самый твердый из них — хром — режетстекло, а самые мягкие — калий, рубидий и цезий — легко режутся ножом.Прочность, температура плавления и твердость зависят от прочности металлической связи. Она особенно велика у тяжелыхметаллов.
В технике сплавы на основе железа, т.е чугун, сталь, а также само железо,называют черными металлами, все остальные металлы называются цветными.Существуют и другие классификации металлов.
Химические свойства металлов определяются слабой связью валентныхэлектронов с ядром атома. Атомы сравнительно легко отдают их, превращаясь приэтом в положительно заряженныеионы. Поэтому металлы являются хорошими восстановителями. В этом ихглавная и наиболее общее химическое свойство.
Очевидно, как восстановители металлы должны вступать в реакции сразличными окислителями, среди которых могут быть простые вещества (неметаллы),кислоты, соли менее активных металлов и некоторые другие вещества. Соединенияметалловскислородом называются оксидами, сгалогенами — галогенидами, с серой — сульфидами, с азотом — нитридами, сфосфором — фосфидами, с углеродом — боридами, с водородом — гидридами и т. д…Многие из этих соединений нашли важное применение в технике.
При взаимодействии металлов с кислотами окислителем является ионводорода Н, который принимает электрон от атома металла:
Mg — 2e=Mg2+
2H+ +2e=H2+
___________________
Mg+2H+=Mg2+H
Металлы, стоящие в ряду стандартных электродных потенциалов (рядунапряжений)левее водорода, обычно вытесняют (восстанавливают) водород изразбавленных кислот типа НС1 или Н2S04, аметаллы, стоящие правее водорода, его не вытесняют.
Взаимодействие металлов с водными растворами солей менее активныхметаллов можно иллюстрировать примером:
Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu
В этом случае происходит отрыв электронов от атомовболее активного металла — цинка и присоединение их ионами менее активного Сu2'. Руководствуясь рядом стандартных электродныхпотенциалов, можно сказать, что металл вытесняет (восстанавливает) израстворов их солей многие следующие за ним металлы.
Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) взаимодействуют и сводой, которая в этом случае выступает в роли окислителя.
Металлы, гидроксиды, которые амфотерны,как правило, взаимодействуют с растворамии кислот, и щелочей.
Металлы могут образовывать химические соединения между собой. Такиесоединения обычно образуют типичные металлы с металлами, обладающими слабымиметаллическими свойствами, например определенные соединения натрия со свинцом:
Nа5РЬ2, NaРЬ, Na2РЬ, Na4РЬ
Соединения одних металлов с другими носят общееназвание интерметаллидов, интерметаллических соединений или металлоидов.
Рассмотренные свойства металлов, связанные с отдачей электронов вхимических реакциях, называют металлическими. В различной степени ими обладаютвсе химические элементы. О металлических свойствах судят, сопоставляяэлектроотрицательности элементов. Эта величина, выраженная в условныхединицах, характеризует способность атома в молекуле притягивать электроны.Относительные значения электроотрицательностей элементов. Чем меньшеэлектроотрицательность, тем сильнее выражены металлические свойства элементов.
ПОСТОЯННЫЕМАГНИТЫ С ВЫСОКОЙ МАГНИТНОЙ ЭНЕРГИЕЙ.
Использование редкоземельныхсоединений дает возможность создавать материалы для постоянных магнитов малоговеса с большой магнитной энергией. Наиболее эффективными для этой цели являютсяинтерметаллические соединения кобальта с легкими редкоземельными металлами,такие как SmCo5, NdCo5, PrCo5.
Присоответствующей технологической обработке (прессование мелких частиц вмагнитном поле и последующее спекание), обеспечивающей возникновениеоднодоменных частиц, появляются огромные коэрцитивные силы. Кроме того, ониобладают высокой намагниченностью насыщения при комнатных температурах и, какследствие этого, высокой остаточной индукцией BR.Все это позволяет создавать из такихматериалов постоянные магниты с очень большой максимальной магнитной энергиейдо 32 млн. Гс-Э, что в несколько раз больше, чем соответствующие энергии длялучших сплавов на основе элементов группы железа.
Подобные материалы открывают большие возможности в создании миниатюрныхавтономных источников постоянного магнитного поля. Соединения типа SmCo5сейчас занимают ведущее место средиматериалов, из которых изготовляются весьма сильные и компактные магниты дляразличных устройств в электротехнике, радиотехнике и автоматике (например, длясоздания миниатюрных электромоторов, магнитных элементов вакуумных приборов —ламп с бегущей волной, магнетронов, магнито — фокусирующих систем, для медицинскихприборов и др.).
Дальнейшее улучшение материалов для постоянных магнитов на основередкоземельных соединений требует лучшего понимания физики намагничиванияферромагнитных систем RCо5, а также изучения магнитных свойств новых соединений, например,Sm2Co17и различных смешанных систем. Важным также является изучение влияния кристаллической структуры идефектов структуры на магнитные свойства подобных материалов, а такжеотработка технологических приемов получения качественных магнитов из этих соединений.
МАТЕРИАЛЫС ГИГАНТСКОЙ МАГНИТОСТРИКЦИЕЙ
Металлы ТЬ, Dу и ферриты-гранаты этих металловпри низких температурах имеют гигантские магнитострикции, на 2—3 порядкабольшие, чем магнитострикции в металлах,сплавах и ферритах элементов группы железа. Интерметаллические соединения ТЬFе2и DуFe2также обладают огромными магнитострикциями, преимуществомэтих соединений является то, что они имеют огромные магнитострикции прикомнатных температурах. Техническое использование подобных материалов возможнодля получения ультразвука большой мощности, для конструирования приборов,позволяющих с помощью магнитного поля безынерционно управлять различнымиконтактными и сканирующими устройствами, для вибробурения, для геофизическогокарротажа скважин, дефектоскопии.
Для успешного применения редкоземельных магнитострикционных материаловнеобходимо, прежде всего, принимать меры к снижению вредного влияния огромноймагнитной анизотропии, т. е. уменьшать поле НSдля того, чтобы можно было“управлять” этой магнитострикцией с помощью малого поля.
В настоящее время большой интерес к редкоземельныммагнитострикционным материалам проявляют ученые-гидроакустики.В современной гидроакустике в основном применяются пьезокерамические преобразователи звука. Недостатком последнихявляется малая мощность излучения и небольшая механическая прочность. Исследованияпоказывают, что магнитострикционные излучатели, в которых используютсясоединения типа RFe2, могут быть более эффективными, чемпьезокерамические излучатели. Эффективность работы магнитострикционногопреобразователя характеризуется рядом параметров, наиболее важными из которыхявляются: константа динамической магнитострикции Л и коэффициент полезногодействия преобразователя или, как его еще называют, коэффициентэлектромеханической связи k.
НОВЫЕМАГНИТЫ ИЗ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВС КОБАЛЬТОМ
Основой первых спеченных постоянных магнитов изредкоземельных металлов с кобальтом (R—Со) было соединение SmСо5, и сегодня большинство R—Со магнитов все еще получают из спеченного порошкасоединения SmСо5. Популярность SmСо5объясняется тем, что из него довольно легко можно изготовитьмагниты с прекрасными магнитными свойствами.Тем не менее становится все болееочевидным, что в конкретном случае применения не 'все свойства в равнойстепени важны, так что потенциальные возможности магнитов из SmСо5не всегда полностью используются.Вследствие этого стало желательным расширить разнообразие R—Со магнитов путем разработки новых типов сосвойствами, ориентированными на конкретное применение.В данной статье мы представляем триновых типа R—Со магнитов: СеММ0,8Sm0,2Co5, типа 2 :17 и магниты с пластичнымисвязками.
Магнитыиз СеММ0,8Sm0,2Co5
Сегодня большинствопостоянных магнитов из редкоземельных металлов с кобальтом изготовляют наоснове SmСо5. Для уменьшения стоимости сырьевых материаловSmможет быть частично или целикомзамещен более дешевым цериевым мишметаллом (СеММ), представляющим собойприродную смесь легких редкоземельных элементов, содержащую, %(ат.): 45— 60Се, 23—25 Lа, 9-20 Ndи 3—7 Рг .
Замещение самария СеММ ведет к уменьшению как магнитной энергии, так икоэрцитивной силы. Но магниты СеММСо5, несодержащие самарий, все еще обладают хорошими свойствами. Снижение магнитныхсвойств, вызванное замещением самария СеММ, до некоторой степени отражаетсопутствующее понижение первичных магнитных свойств.
Магниты СеММ0,8Sm0,2Co5изготавливают по той же технологии,что и магнитыSmСо5.
Технологические этапы процесса производства магнитовиз редкоземельных металлов скобальтом.
Сплавы редкоземельных металлов с кобальтом получают или плавкой металловв атмосфере инертного газа, или кальциетермическим восстановлением окислов РЗМв присутствии кобальта или окиси кобальта.
Затемcплавы R—Со подвергаютразмолу в порошок с частицами размером менее 0,5 мм, смешиваниюс целью корректировки состава и дальнейшему измельчению в струе газообразногоазота до получения тонкого порошка с размером частиц в несколько микрон. Размерзерен и их распределение тщательно контролируют. кроме того окисление порошкаследует сводить до минимума. На следующем этапе порошок ориентируют вмагнитном поле и прессуют до получения полуфабрикатов с плотностьюприблизительно 70% от теоретической. Можно применять гидростатическоепрессование или прессование через матрицу. При прессовании через матрицуполучают магниты желаемой формы и размеров, совсем или почти не требующиедополнительной механической обработки. Заготовки магнитов затем опекают в атмосфереинертного газа для достижения высокой плотности (свыше 92% от теоретической).Процесс спекания -наиболее ответственный технологический этап, где требуется точный контрольтемпературы, чтобы обеспечить отсутствие открытой пористости и сохранениевысокой коэрцитивной силы. Вслед за процессом спекания с целью дальнейшегоувеличения коэрцитивной силы проводят термическую обработку. Затем магнитыподвергают механической обработке для получения изделий заданных размеров.Поскольку магниты из редкоземельных металлов с кобальтом довольно хрупки, тоследует применять шлифование, резку алмазными кругами, сверление ультразвуком,электроискровую обработку. Используя эти ды, легко достичь допусков порядка10 мкм. Затем магниты намагничивают в сильном магнитном поле.
Для достижения максимальной долговременной стабильности магнитыподвергают температурной стабилизации.
R-Co
Плавка сплавов
Измельчение
Кальциетермическое восстановление
Сплавы R-Co
(грубый порошок)
Окисел кальция
Смешивание
Помол
Ориентирование и прессование
Спекание
Термическая обработка
Механическая обработка
Намагничивание
Стабилизация
Окислы R-Coи/или окисел Co+Ca
<img src="/cache/referats/2317/image001.gif" v:shapes="_x0000_s1026 _x0000_s1028 _x0000_s1036 _x0000_s1030 _x0000_s1037 _x0000_s1038 _x0000_s1040 _x0000_s1042 _x0000_s1044 _x0000_s1047 _x0000_s1048 _x0000_s1050 _x0000_s1054 _x0000_s1052 _x0000_s1033 _x0000_s1034 _x0000_s1035 _x0000_s1029 _x0000_s1032 _x0000_s1031 _x0000_s1039 _x0000_s1041 _x0000_s1043 _x0000_s1045 _x0000_s1046 _x0000_s1049 _x0000_s1051 _x0000_s1053 _x0000_s1027">МЕХАНИЧЕСКАЯПАМЯТЬ МЕТАЛЛОВ
Это свойство металлов открыто сравнительно недавно и оно получилоназвание “память формы”.Примером этого может служить лезвие, если его согнуть,то оно сразу же разогнется, значит метал помнит исходную форму, находясь подлюбым напряжением, не превышающем предела упругости. Такая память металла имеетдва важных недостатка.
Во-первых, ее “объем” мал: она хорошо работает только при небольшихотклонениях от исходной формы, когда деформации измеряются долями процента,однако при деформации около 10SYMBOL37 f «Symbol» s 12%поведение металла ужехарактеризуется практически полной забывчивостью.
Значение даже такой “куцей” памяти металлов очень велико. Достаточносказать, что не будь ее, не работала бы ни одна пружина. Кроме того, естьспособ увеличения памяти путем использования сплавов, обладающихсверхупругостью.
Гораздо интереснее иметь дело с металлом, обладающим полноценной памятью,когда фазы хранения и извлечения независимы и когда хранение не связанно сучастием посторонних сил.
Здесь мы можем сказать прямо, что удалось получить сплавы обладающиеименно такой памятью. Они могут хранить исходную форму в своей памяти оченьдолго, а вспоминают ее при нагреве, так что в наших силах “взывать к памяти”металла в тот момент и в той обстановке, когда нам это потребуется.
Сотрудники лаборатории военно-морской артиллерии США, вели планомерныйпоиск сплавов никеля с титаном с приблизительно равным содержанием этих двухкомпонентов. Каждый из двух металлов хорошо сопротивляется коррозии, и сплавполучится в этом отношении отличным. Кроме того, оказалось, что он имеетвысокую прочность и пластичность. Но вовсе неожиданным и замечательным было то,что он проявлял ярко выраженную способность к запоминанию формы. Это былоредчайшей удачей. Никель и титан значительно дешевле и доступней, чем, например,сплав Оландера, в котором около половины — золото. Сочетание же свойств новогосплава было удивительно благоприятным и этот сплав был назван нитинол.
КОСМИЧЕСКИЕИ ЗЕМНЫЕ ПРОФЕССИИ ЗАПОМИЕАЮЩИХ СПЛАВОВ
Возможности практического применения сплавов, обладающих уникальнымсвойством запоминать форму, исключительно разнообразны и заманчивы. Здесь передконструкторами – широкое поле деятельности, усеянное принципиально новымиинженерными решениями. Например, в космической технике с помощью этих сплавовэффектно решается традиционная проблема экономии места. Свернутые илискрученные в компактную форму и уложенные в небольших нишах космическогокорабля антенны, механизмы стабилизации, солнечные батареи распрямляются иливыдвигаются от действия солнечного тепла.
Созданы соединения способами, заменяющими сварку, пайку и другиетрансформационные методы. Для соединения двух трубок в топлевном двигателесамолета, берут втулку из низкотемпературного запоминающего сплава, внутреннийдиаметр которой на 4% меньше наружного диаметра соединительных трубок. В жидкомазоте деформируем втулку методом раздачи, так что ее внутренний диаметрстановится на 4% больше наружного диаметра трубок. Теперь концы трубок мы можемввести внутрь втулки, которая, отогреваясь до комнатной температуры, сжимается и сжимает концы трубок,обеспечивая прочное и герметичное соединение.
В авиации и кораблестроении уже установлены сотни тысяч таких соединений.Они показали высокую надежность и работают безотказно. Это значительно проще,чем сваривать или паять. Можно легко выполнять такие соединения втруднодоступных местах, когда сварка или пайка вообще невозможны, — например,на дне моря.
Интересны возможности использования этих сплавов в медицине. Их применяютпри операциях, связанных со сращиванием костных переломов. В организм больногооперативным путем вводят стержень, изогнутый так, что он повторяет неправильнуюформу кости. Стержень помнит заранее заданную ему форму правильной кости иначинает вспоминать ее при небольшом превышении температуры.
Другой пример – фильтры для улавливания тромбов в сосудах. Слегкаохлажденная прямая тонкая проволочка вводится в нужное место кровеносногососуда, там, отогреваясь до температуры тела принимает ранее заданную ейпричудливо запутанную форму. Фильтр пропускает кровь, но задерживает тромб,который, добравшись до сердца или мозга, мог бы привести к смертельному исходу.
Нитинол не ржавеет, он легок и прочен. Не исключено, что в будущем изнего будут, например, делать корпусы автомобилей. Такой автомобиль, даже послесерьезного дорожного происшествия, восстановит форму кузова просто в результателегкого подогрева поврежденных мест.
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СТЕКЛА
В самом начале этого реферата мывыяснили, что при обычных условиях затвердевания жидкого металла его атомы образуюткристаллическую решетку того или иного типа. Строгую периодичность системыионов называют “дальним порядком”. Например, при многократном повторении впространстве той комбинации ионов воспроизводится объемно-центрированная кубическая решетка.При наличии дальнего порядка мы можем точно указать координаты любого иона,если знаем его порядковый номер по отношению к произвольно выбранному исходномуиону. Все позиции ионов, все межатомные расстояния четко определены.
Возвращаясь к системе атомов, мы назовем такую ситуацию “ближнимпорядком”. Можно довольно точно указать координаты и количество атомов,окружающих данный атом, но более далеких прогнозов делать уже нельзя. Но вприроде существует и другая категория веществ, которые называются аморфными. Приохлаждении, когда энергия тепловых колебаний атомов становится столь низкой,что они уже не могут свободно путешествовать, эти вещества сохраняют структуружидкости. Здесь может идти речь только о ближнем порядке в расположении атомов.Движение “толпы” как бы постепенно затихает, люди все менее энергично толкаютдруг друга и, наконец, застывают на своих случайных местах, слегка покачиваясьиз стороны в сторону.
Обычное стекло, смола, парафин, асфальт — это примеры природно аморфныхматериалов, не имеющих правильного кристаллического строения. Такие материалыпри нагревании и охлаждении лишь изменяют свою вязкость, но никакихпринципиальных изменений во взаимном расположении составляющих их атомов непроисходит.
У кристаллических тел подобные изменения свойств при нагреве происходятгораздо более резко, а само плавление — у чистых металлов — идет при строгоопределенной температуре, так что температура плавления металла является однойиз его фундаментальных физических характеристик (констант). Если не меняетсявнешнее давление и металл хорошо очищен от примесей, то по появлению первойкапли при нагреве можно определить температуру с точностью до десятых долейградуса.
Возникает вопрос: нельзя ли и в металлическом сплаве “заморозить” туатомную структуру которая характерна для жидкости, нельзя ли лишить металлдальнего порядка в твердом состоянии. Ведь тогда можно ожидать значительногоизменения всех тех его свойств, которые определяются правильным строениемкристаллов.
В принципе способ, с помощью которого можно решить такую задачу, ясен — надо пытаться резко увеличить скорость охлаждения жидкого металла, чтобы быстроспуститься в ту область температур, где атомы уже не могут менять своихсоседей. Расчеты и эксперименты показали, что подавить процесс кристаллизациидействительно удается, но для этого нужны скорости охлаждения порядка миллионовградусов в секунду. Один из разработанных способов заключается в разбрызгиваниимелких капель жидкого металла на хорошо отпалированную поверхность быстровращающегося холодного медного диска. Капля на поверхности диска размазываетсяочень тонким слоем (несколько микрометров), а хорошая теплопроводность медиобеспечивает высокую скорость теплоотвода.
В настоящее время уже налажен промышленный выпуск десятков сплавов ваморфном состоянии. Оказалось, что легче всего аморфизуются сплавы переходных иблагородных металлов с металлоидами (неметаллами, углеродом, бором, фосфором идр.), причем есть сплавы, в которых удается подавить кристаллизацию прискорости охлаждения порядка тысяч и даже сотен градусов в секунду.
Какие же свойства аморфных сплавов особо ценны для техники? Как иожидалось, аморфные металлы во многих отношениях отличаются от своихкристаллических собратьев. Хотя модули упругости при аморфизации снижаются всреднем на 30<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">%
(силы межатомной связи уменьшаются), но прочность итвердость резко возрастают. Отсутствие дислокации приводит к тому, чтометаллические стекла по прочности превосходят самые лучшие легированные стали.Высокая твердость определяет их великолепную износостойкость. Правда, пластичность аморфных сплавовнизкая, что даже можно было ожидать, так как “носителями” пластичности являютсядислокации. Все же металлические стекла не так хрупки — как обычное стекло. Ихможно, например, прокатывать при комнатной температуре.Другое важнейшее преимущество аморфных металлических сплавов — ихисключительно высокая коррозионная стойкость. Во многих весьма агрессивныхсредах (морской воде, кислотах) металлические стекла вообще не корродируют.Например, скорость коррозии аморфного сплава, содержащего железо, никель ихром, в растворе соляной кислоты практически равны нулю. Для сравнения можносказать, что скорость коррозии “классического” коррозионностойкого сплаважелеза с никелем и хромом (знаменитая нержавеющая сталь, которую так и называют- “нержавейка”) в той же среде превышает 10мм/год. Основная причина такойвысокой коррозионной стойкости аморфных сплавов, по-видимому, состоит в том,что, не имея кристаллической решетки, они лишены и характерных “дефектов”кристаллов — дислокации и, главное, границ между зернами. Высокая плотностьупаковки атомов в кристалле в близи этих “дефектов” уменьшается столь резко,что вдоль них легко проникают в металл “вражеские агенты”. Важно, что бездефектнаяструктура аморфного сплава передается той тонкой окисной пленке, котораяобразуется на его поверхности на начальных стадиях коррозионного процесса и вдальнейшем защищает металл от прямого контакта с “агрессором”.
Весьма интересным показалось и сочетание некоторых физических свойстваморфных сплавов, в частности, магнитных и электрических. Выяснилось, чтосплавы на основе ферромагнитных металлов (железа, никеля) в аморфном состояниитак же ферромагнитны.
Если вернуться сердечникам трансформаторов то будет видно, что заменаобычной трансформаторной стали аморфным сплавом даст огромную экономию энергии.В США подсчитано, что потери на вихревые токи уменьшается при этом в 4 раза.Необычное сочетание магнитных и электрических свойств металлических стекол позволяетс большим эффектом использовать их и для других преобразователей тока,датчиков, сердечников и разного рода реле.
Количество компонентов в сплавахвозрастает вместе с требованиями. Уже не редкость сплавы с десятком и болеекомпонентов. Их составление — большое искусство, так как компоненты должныработать в гармонии и согласии. Недаром создателей новых сплавов металлургиназывают композиторами.
Изготовить такие композиции в промышленности частотруднее, чем составить. У компонентов разные температуры плавления,химические свойства, плотность. Если при плавке еще удается управлятьмножеством процессов, используя вакуум или защитные атмосферы, флюсы,разделяя плавку на этапы, то при кристаллизации влиять на ход событий можнотолько режимом охлаждения. Здесь-то компоненты и проявляют свой характер.Одни упрямо не хотят растворяться в общей массе сплава и выделяютсяпрослойками, другие жадно поглощают все загрязнения и примеси, образуястойкие и вредные соединения, третьи кристаллизуются в слишком крупные илислишком мелкие зерна, нарушая структурную однородность сплава. И чем большекомпонентов, тем больше подобных проблем.
Чтобы избавиться от трудностей, связанныхс кристаллизацией, можно изготовить металл из смеси компонентов в виде частиц,гранул или волокон, спрессовав и сварив их в сплошную массу. Так возниклатехнология композитных металлов, а затем порошковая металлургия. Это былапервая попытка начать революцию в металлургии, но она удалась лишь частично.
Порошковая металлургия и композиты занимают хотя и важную, но довольноограниченную область в выпуске металлических изделий. Это прежде всегопроизводство твердых сплавов для инструмента, затем изготовление изделий изтугоплавких металлов — вольфрама, молибдена и других, плавление которыхсопряжено с техническими трудностями, наконец, получение деталей с особойструктурой — пористых, волокнистых, чешуйчатых.
Порошковаятехнология ограничена прежде всего стоимостью продукции, которая пока раз вдесять выше, чем продукция, полученная традиционными металлургическимиприемами. Кроме того, хотя при спекании происходит диффузия компонентов ипротекают некоторые химические реакции, композиты все же обладают свойствамисмеси, а не сплава.
Вторая попытка состоялась сравнительно недавно, когда новая наука — физикаметаллов — обнаружила, что теоретическая прочность металла на полтора-двапорядка выше реальной. Оказалось, что низкая прочность металла объясняетсядефектами кристаллической решетки. Количество дефектов в металле может бытьсоизмеримо с числом атомов, поэтому в расчетах используют плотность, иликонцентрацию дефектов в единице объема. Если эта величина близка к нулю, чтосоответствует идеальному кристаллу, то прочность такого кристалла близка ктеоретической. С повышением концентрации дефектов прочность сначаластремительно снижается, а затем начинает снова возрастать, но значительномедленнее. Минимум обычно соответствует реальной прочности чистого металла. Примеси, легирующие добавки,деформация увеличивают концентрацию дефектов и повышают прочность материала.
Была поставлена задача получить бездефектные и достаточно крупные металлическиемонокристаллы. Однако она не решена до сих пор. Правда, удалось выраститьтонкие, в несколько десятков микрон, и длиной до полутора сантиметров почтибездефектные кристаллы некоторых металлов. Их прочность действительнооказалась во много раз выше обычной. Из таких “усов” были даже изготовленывысокопрочные композиты. Но дальше лабораторий дело пока не пошло: скоростьроста “усов” оказалась слишком низкой, а потому цена — слишком высокой.
Третья попытка совершитьреволюцию в металлургии делается сегодня.
Четверть веканазад эксперименты по быстрому охлаждению металлических расплавов которыепроводились с целью получения субмикроскопической структуры металла,обнаружили, что в некоторых случаях кристаллическая решетка в металлевообще отсутствует, а расположение атомов характерно для бессструктурного, аморфного тела. Это не было неожиданностью: твердые аморфные тела — стекла получают путем переохлаждения жидкого расплава. Правда, для образованияобычных стекол достаточно очень небольшой скорости охлаждения. Для металлов же,чтобы опеределить кристаллизацию, необходимы громадные скорости охлаждения — миллионы градусов в секунду. Такая скорость была достигнута, когда порциирасплавленного металла выстреливали в воду, — получались частицы с аморфной,стеклообразной структурой.
Неожиданным оказалось другое: у аморфного металла совсем другие, несходные свойства с металлом кристаллическим. Нет, металл остается металлом, совсеми характерными для него свойствами – блеском, электропроводностью и т.д. Ноон становится в несколько раз прочнее, повышается стойкость к коррозии,меняются электоромагнитные характеристики и даже одна из самых устойчивых констант — модуль упругости. Но главноедостоинство нового материала заключается в том, что в нем прекрасносоединяются, уживаются все необходимые компоненты. При сверхбыстром охлаждениисплав затвердевает, прежде чем компоненты- антагонисты успевают проявить свойантагонизм.
Аморфные сплавы получили название металлических стекол. Интерес к нимстремительно возрастает Сейчас ставитсязадача не только получать сплавы с новыми свойствами, но и создавать ихпромышленную технологию. А здесь еще очень много нерешенных проблем. Первым изполученных металлических. стекол был сплав Аu—Si.Затем удалось получить в аморфном состоянии не толькосплавы, но и, некоторые чистые металлы — от Gе, Те и Вiдо ярко выраженных А1, V, Сг, Fе, Niи других. Для этого потребовалисьфантастические скорости охлаждения — до 1010 К/с. Однако аморфное состояние металла оставалосьне устойчивым – при нагреве начиналась кристаллизация. Необходимо было найтисплавы с разумными скоростями охлаждения и температурой, с устойчивой аморфнойструктурой.
На основании этих теоретических представл