Михаил Васильев - Металлы и человек

Выделяют в самостоятельные семейства редкоземельные элементы, радиоактивные металлы, заурановые металлы… Мы еще будем встречаться с такими группами или семействами элементов, объединенных по какому-нибудь одному признаку или качеству.

В жизни мы почти не имеем дела с чистыми металлами. Значительно чаще нам приходится встречаться с их самыми различными сплавами. То, что мы называем железом, — это, как правило, сплавы железа с углеродом и многими другими веществами. Медь (если только это не проволока) — обычно или бронза или латунь, то есть сплав с оловом или цинком. Даже золото украшений обычно имеет примесь серебра или меди.

Это понятно: чистые металлы не только трудно получить, но и качества их в большинстве случаев оказываются менее полезными для нас, чем качества сплавов.

Смешайте гречневую крупу и рис. В этой смеси вы легко можете увидеть и отделить отдельные крупинки гречки и риса. Это — механическая смесь.

Возьмите щепотку обыкновенной поваренной соли. Химики давным-давно установили, что в ее состав входят два химических элемента — натрий и хлор. Однако и в самый сильный микроскоп вы не сможете различить и отделить частицы металла натрия и пузырьки газообразного элемента — хлора. Каждый атом хлора непременно связан в кристаллах поваренной соли с атомом натрия. Это — химическое соединение.

В стакан воды всыпьте ложку сахарного песку. Размешайте. Сахарный песок растает, даже намеков на присутствие в воде сахара не сможете вы заметить с помощью увеличительного стекла или микроскопа. Молекулы сахара затерялись среди молекул воды. Это — раствор.

А что же такое сплав?

Если вы зададите этот вопрос специалисту, он ответит вопросом же:

— Какой конкретно сплав вы имеете в виду? Какие элементы и в каких количествах входят в него?

А в некоторых случаях он попросит еще уточнить, как был получен этот сплав. Ибо сплавы могут быть и механической смесью, и химическим соединением, и твердым раствором.

Металлурги брали сурьму и свинец, сливали два расплава и тщательнейшим образом перемешивали. Сплав застывал. Ученые помещали под микроскоп кусочек сплава, и перед ними возникала мозаика крохотных кристаллов. Причем одни из них были образованы сурьмой, другие — свинцом. Типичная механическая смесь кристаллов двух металлов. Механические смеси образуются также при сплавлении алюминия с кремнием, висмута с кадмием и т. д.

Ученые заметили, что, как правило, такие сплавы — механические смеси — при изменении процентного содержания входящих в них компонентов изменяют свою температуру плавления, причем она всегда ниже, чем температура самого тугоплавкого компонента. Сплав с таким процентным содержанием компонентов, при котором он имеет минимальную температуру плавления, называют эвтектическим.

Сплав замещения.

Сплавы — механические смеси — очень широко применяются в технике. Ведь они состоят из кристалликов, имеющих разные физические свойства, и это позволяет получать, казалось бы, немыслимые обычно сочетания полезных качеств.

Возьмем, к примеру, широко распространенные антифрикционные подшипниковые сплавы, представляющие механическую смесь свинца, олова, меди и сурьмы. В мягкой, податливой основной массе свинца и олова располагаются твердые, износостойкие кристаллы сурьмы. Такое сочетание свойств обеспечивает длительную службу, хорошую прирабатываемость и малый коэффициент трения в подшипниках, залитых таким сплавом.

Словно повинуясь беспощадному зову, устремлялось судно к магнитной скале…

Многие металлы обладают неограниченной возможностью растворения друг в друге. Так, в меди может быть растворено неограниченное количество никеля, в алюминии — магния. Однако нередко встречаются и сочетания металлов, обладающих весьма ограниченной растворимостью друг в друге. Так, свинец плохо растворяется в цинке. Если слить расплавленные цинк и свинец, то образуются два слоя: сверху — цинк с растворенным в нем свинцом, снизу — свинец, в котором растворен цинк.

Чтобы разобраться, в чем тут причина, заглянем в кристаллическую структуру сплавов.

Когда сплав находится в жидком состоянии, нам ясно: молекулы одного металла находятся между молекулами другого в хаотическом общем движении.

Но вот сплав застывает. Атомы начинают образовывать кристаллы.

И оказывается, что в таком растворе атомы растворенного металла просто-напросто становятся на места атомов растворителя в образуемой ими кристаллической решетке.

Сплав внедрения.

Но так происходит только в тех случаях, когда величины атомов растворенного металла и металла-растворителя близки по размерам, не отличаются друг от друга диаметром, скажем, больше чем на 15 процентов. Такие сплавы и называют твердыми растворами замещения.

Таких сплавов современная металлургия знает множество. К ним относятся сплавы железа с хромом и никелем, кобальта с железом, меди с никелем.

Наши монеты, которые мы называем никелевыми, в действительности представляют собой раствор меди в никеле. Медь добавляется, чтобы монета меньше истиралась, изнашивалась. Медные монеты — тоже раствор, но уже алюминия в меди. Качество такого сплава также лучше, чем чистой меди.

В тех случаях, когда в металле со сравнительно крупными атомами растворяется вещество со значительно меньшими атомами, последние внедряются в кристаллическую решетку металла-растворителя на свободные места. Так же в ящике, в котором уложены крупные футбольные мячи, может между ними разместиться значительное количество крохотных мячиков для настольного тенниса. Такие сплавы называются растворами внедрения. К этому виду сплавов относится, например, сплав железа с азотом.

Иногда компоненты сплава вступают между собой в химическую реакцию. Таков, например, сплав вольфрама с углеродом. В этом сплаве возникает новое химическое вещество — кристаллы карбида вольфрама— со своими собственными и химическими и физическими свойствами. Оно образует с остальным металлом сплава механическую смесь.

Таким образом, один и тот же сплав может сочетать в себе и механическую смесь элементов и химическое соединение их — раствор друг в друге. Причем не только состав определяет ту или другую форму состояния сплава, но и то, как происходила его кристаллизация, каким термообработкам он был подвергнут, и так далее.

Вот почему не сразу можно ответить на вопрос, что же такое представляют собой сплавы. Вот почему требуются дополнительные конкретные данные.

Сплавов, применяемых в технике и промышленности, сегодня огромное количество.

Мы уже говорили, что сплавами железа с углеродом является все то, что мы в общежитии называем железом, чугуном сталью.

Бронзы — это сплавы меди с оловом, или алюминием, или свинцом.

Латуни — это сплавы меди с цинком.

Твердые сплавы, которыми токари-скоростники режут металл, — также сплавы вольфрама, углерода, кобальта.

Спиралька вашей электроплитки — это тоже сплав никеля с хромом.

И так далее и так далее.

Как и металлы, сплавы также объединяют нередко в своеобразные семейства. Так, существуют семейства легких, антифрикционных, магнитных, проводниковых, типографских сплавов, сплавов с высоким электрическим сопротивлением… Со многими из них нам еще придется встречаться.

А теперь поговорим и о чистых металлах.

Что же они, дающие жизнь гигантским семействам сплавов, ничем и не могут быть полезны человеку в чистом виде? Если уже первобытные металлурги предпочитали сплав меди с оловом чистым меди й олову то, наверное, нам вообще не могут быть полезны чистые металлы?

Едва ли прошло больше пятнадцати лет с того времени, когда о сверхчистых металлах не имели понятия. Знали только технически чистые металлы, содержащие примесей не больше 0,5–0,05 процента, и химически чистые, не содержащие больше 0,001 процента примесей. Почти не учитывалось при оценке чистоты металла наличие растворенных в нем газов. Ученые едва догадывались о том, какое гигантское влияние могут оказывать на некоторые свойства веществ примеси, находящиеся в буквально микроскопических количествах, как изменяет качества металла растворенный в нем тот или иной газ.

Требования на сверхчистые металлы были выдвинуты развитием новых отраслей техники — атомной энергетикой, использованием полупроводников, производством жаропрочных материалов.

…Уран. Взрывается — физики говорят: расщепляется — его ядро. В разные стороны разлетаются два нейтрона — два снаряда, способных вызвать расщепление еще двух ядер урана, по… нейтроны попадают в ядра примесей — бора и лития и исчезают там, поглощенные этими ядрами. Реакция прекратилась.