Теория металлических сплавов

Металлическое состояние типично для большинства элементов. Из 104 известных элементов 76 представляют металлы, а большинство неметаллических элементов при плавлении, высоких давлениях и растворении в металлах также переходят в металлическое состояние.

Говоря о металлах, нельзя не говорить о сплавах и металлических соединениях и о состоянии теории их разработки. В природе существует около 80 металлов, но могут быть созданы миллионы сплавов. Сплавы и соединения металлов дают возможность ослабить нежелательные и усилить положительные свойства металлов, или даже получить отсутствующие у данных металлов физические свойства (сверхпроводимость, ферромагнетизм и др.).

Все применяемые в технике важнейшие металлические материалы — чугун, сталь, латунь, бронза и другие — это, как известно, сплавы, состоящие из 2—10 и более металлов и примесей к ним. Необходимо подчеркнуть, что при конструировании сплавов все элементы таблицы Менделеева равноправны между собой. Нет «плохих» и «хороших» элементов. Есть влияние одного элемента на другой. Это влияние может улучшать один и ухудшать другие свойства основного компонента. Нет «плохих» и «хороших» примесей к металлу. Все дело в природе, форме нахождения и количестве примесей, их физико-химическом взаимодействии с компонентами сплава и между собой.

Между тем разработка сплавов ведется у нас, да, пожалуй, и всюду, пока «ручным» способом, эмпирическими методами прошлого века без фундаментальной физической теории и без привлечения автоматики и механизации. Просто берется один металл, к нему по каким-либо соображениям прибавляется другой и т. д. Если так вести дело дальше, то, учитывая всевозможные сочетания из 104 элементов, на такое «ползучее» исследование сплавов не хватит металла, превышающего массу Земного шара. С 1875 по 1950 г. от общего количества сочетаний элементов было исследовано 25% двойных систем, 0,25%—тройных, 0,0015%—четверных и 0,00001%—пятерных. Как видим, дело идет очень медленно. Даже невозможно представить себе, какую огромную совокупность композиций сплавов с выдающимися свойствами человечество не использует, потому что не дошла очередь до их исследования.

Правда, в процессе разработки сплавов, особенно же при исследовании диаграмм состояния и диаграмм состав— свойство, установлен ряд полуэмпирических закономерностей в изменении механических, электрических и некоторых технологических свойств в зависимости от их состава (законы Курнакова), структуры, температуры, схемы действующих сил, окружающей среды и т. д. Обнаружены факторы, определяющие значительную растворимость металлов друг в друге в твердом состоянии, такие, как изоморфизм кристаллических решеток, небольшая разница в величинах атомных радиусов компонентов и электроотрицательности.

Необходимо признать большие успехи советских металловедов и физико-химиков, экспериментально построивших более 40% известных в мировой литературе равновесных диаграмм состояния и диаграмм состав — свойство металлических систем, в которых в краткой и наглядной форме запрограммированы все возможные соотношения между составом, структурой и свойствами сплавов и которые поэтому служат основным научным документом для сравнительно рационального выбора сплава. Большую помощь металловедам и физико-химикам при прогнозировании строения и свойств металлов и сплавов оказывает использование периодического закона Д. И. Менделеева как фундаментального закона неорганической природы.