Основные сведения о металлах и их сплавах.
Металлы (название происходит от лат. metallum — шахта, рудник) — группа элементов, обладающая характерными металлическими свойствами, такими как высокая тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск. Металлы являются кристаллическими телами, атомы которых располагаются в геометрически правильном порядке, образуют кристаллы.
Все металлы, за исключением ртути, находятся в первично твердом состоянии. Если металл нагреть до определенной температуры (температуры плавления), то он переходит из твёрдого состояния в жидкое с разрушением кристаллической решетки, т. е. начинает плавиться. Такое агрегатное состояние металла характеризуется хаотическим, неупорядоченным расположением атомов, находящихся в непрерывном движении. При остывании происходит кристаллизация, т. е. переход из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической решётки. При этом атомы металла занимают в пространстве строго определённые места.
Благодаря способности большинства металлов к взаимному растворению и образованию соединений различного типа, существует большое количество сплавов металлов с требуемым комплексом механических и технологических свойств. Таким образом, сплавом называют вещество, полученное путём сплавления двух и более элементов. Для придания особых свойств сплавам, осуществляют легирование, т. е. вводят другие металлы (элементы) в определенных концентрациях. Добавляемые элементы называются легирующими.
В жидком состоянии металлы взаимно растворяются с образованием гомогенного жидкого сплава. При кристаллизации сплава могут образоваться три вида взаимодействия между металлами, входящими в сплав: механическая смесь, твёрдый раствор и химическое соединение.
Сплав в виде механической смеси возникает в тех случаях, когда металлы в твердом состоянии обладают полной взаимной нерастворимостью и не образуют химических соединений. Атомы каждого металла образуют отдельные кристаллические решетки, и затвердевший сплав состоит из механической смеси зерен каждого компонента. При образовании механической смеси, когда каждый элемент кристаллизуется самостоятельно, свойства сплава зависят от преобладания какого-нибудь металла. Эти сплавы обладают минимальной температурой плавления и затвердевания. Примером являются легкоплавкие сплавы на основе олова, свинца, кадмия и висмута.
Типы химических соединений разнообразны. Характерной особенностью металлического химического соединения являются образование металлической решетки, отличающейся от решеток образующих элементов, и существенное изменение всех свойств. Примерами этого типа являются: Fe-W, Fe-Mo, Fe-Ti, Ti-Al, Cu-Zn и др.
Сплавы группы твёрдых растворов образуются металлами, которые взаимно растворимы. Твёрдым раствором называется однородное кристаллическое тело, в котором в решетку основного металла – растворителя, входят атомы растворяемого. Примерами такого типа соединений являются широко применяемые в ортопедической стоматологии сплавы на основе золота, хромоникелевые, хромокобальтовые и др. сплавы. Однако при затвердевании сплава в ряде случаев может возникнуть неоднородность. Данное явление получило название – ликвация.
Основными факторами, приводящими к ней, являются разность в плотностях компонентов сплава и скорость его охлаждения. При охлаждении сплава первыми начинают выпадать кристаллы тугоплавкого компонента. Далее при медленном понижении температуры формирование структуры кристаллов будет происходить более однородно и неоднородно при быстром. Ликвация снижает прочностные свойства, коррозийную стойкость, уменьшает пластичность.