Про те, що властивості металів змінюються при їх сплавлюванні з іншими металами, стало відомо ще в давнину. \(5\) тисяч років тому наші предки навчилися робити бронзу — сплав олова з міддю. Бронза за твердістю перевершує обидва метали, що входять до її складу.
Властивості чистих металів, як правило, не відповідають необхідним вимогам, тому практично у всіх сферах людської діяльності найчастіше використовують не чисті метали, а їх сплави.
Сплав — це матеріал, який утворюється у результаті затвердіння розплаву двох або кількох окремих речовин, хоча б одна з яких — обов'язково метал.
До складу сплавів, крім металів, можуть входити також неметали, наприклад, такі, як вуглець або силіцій.
Додаючи в певній кількості домішки інших металів і неметалів, можна отримати багато тисяч матеріалів з найрізноманітнішими властивостями, у тому числі і такими, яких немає в жодного зі складових елементів сплаву.
Сплав, у порівнянні з вихідним металом, може бути:
- механічно міцніше і твердіше,
- зі значно вищою або нижчою температурою плавлення,
- стійкішим до корозії,
- стійкішим до високих температур,
- практично не змінювати своїх розмірів при нагріванні або охолодженні, тощо.
Наприклад, чисте залізо — порівняно м'який метал. При додаванні до заліза вуглецю, твердість сплаву істотно зростає. За кількістю вуглецю, а, отже, і за твердістю, розрізняють сталь (уміст вуглецю менше \(2\) % за масою), чавун (\(С\) — більше \(2\) %). Проте не тільки вуглець змінює властивості стали. Доданий до сталі хром робить її нержавіючою, вольфрам робить сталь набагато твердішою, додавання мангану робить сплав зносостійким, а ванадію — міцним.
Застосування сплавів, як конструкційних матеріалів
Сплави, що використовуються для виготовлення різних конструкцій, повинні бути міцними і легко піддаватися обробці.
У будівництві та у машинобудуванні найширше використовуються сплави заліза та алюмінію.
Такі сплави заліза, як сталі, відрізняються високою міцністю і твердістю. Їх можна кувати, пресувати, зварювати.
Чавуни використовують для виготовлення масивних і дуже міцних деталей. Наприклад, раніше з чавуну відливали радіатори центрального опалення, каналізаційні труби, досі виготовляють котли, перила і опори мостів. Вироби з чавуну виготовляються з використанням лиття.
Сплави алюмінію, які використовуються у конструкціях, наряду з міцністю, повинні відрізнятися легкістю. Дюралюміній, силумін — сплави алюмінію, які є незамінними у літако-, вагоно- і суднобудуванні.
У деяких вузлах літаків використовуються сплави магнію — дуже легкі і жаростійкі.
У ракетобудуванні застосовують легкі і термостійкі сплави на основі титану.
Для поліпшення ударостійкості, корозійної стійкості, зносостійкості, сплави легують — вводять спеціальні добавки. Додавання мангану, робить сталь ударостійкою. Щоб отримати нержавіючу сталь, до складу сплаву вводять хром.
 |
 |
 |
|
Конструкція зі сталевих
балок
|
Радіатори центрального опалення
|
Ажурні перила, відлиті з чавуну
|
Інструментальні сплави
Інструментальні сплави призначені для виготовлення ріжучих інструментів, штампів і деталей точних механізмів. Такі сплави повинні бути зносостійкими і міцними, причому при розігріванні їх міцність не повинна істотно зменшуватися. Таким вимогам відповідають, наприклад, нержавіючі сталі, які пройшли спеціальну обробку (загартування).
Додавання до сплавів речовин, що поліпшують їх властивості, називають легуванням.
Для отримання необхідних властивостей, інструментальні сталі, як правило, легують вольфрамом, ванадієм або хромом.
Застосування сплавів в електротехнічній промисловості, електроніці та приладобудуванні
Сплави служать незамінним матеріалом при виготовленні особливо чутливих і високоточних приладів, різного роду датчиків і перетворювачів енергії.
Наприклад, для виготовлення серцевини трансформаторів і деталей реле використовують сплав нікелю. Окремі деталі електромоторів виготовляються зі сплавів кобальту.
Сплав нікелю з хромом — ніхром, що відрізняється високим опором, використовується для виготовлення нагрівальних елементів печей і побутових електроприладів.
Зі сплавів міді в електротехнічній промисловості і в приладобудуванні найширше застосування мають латуні і бронзи.
Латуні незамінні при виготовленні приладів, деталями яких є опорні крани. Такі прилади використовуються в мережах подачі газу і води.
Бронзи використовуються при виготовленні пружин і пружних контактів.
 |
 |
 |
| Нагрівальні елементи побутових електроприладів | Запірні крани для водопроводів і газопроводів |
Пружні контакти електричних розеток
|
Застосування легкоплавких сплавів
Головною необхідною властивістю легкоплавких сплавів є задана низька температура плавлення. Це властивість, зокрема, використовується для пайки мікросхем. Крім того, ці сплави повинні мати певну густину, міцність на розрив, хімічну інертність, теплопровідність, тощо.
Легкоплавкі сплави виготовляють з вісмуту, свинцю, кадмію, олова та інших металів. Такі сплави використовують у термодатчиках і термометрах пожежної сигналізації, наприклад, сплав Вуда. У ливарній справі для виробництва виплавлюваних моделей, для фіксації кісток і протезування у медицині.
Сплав натрію з калієм (температура плавлення \(-12,5 °С\)) використовується як теплоносій для охолодження ядерних реакторів.
 |
 |
 |
|
Припой (сплав для паяння)
має невисоку температуру плавлення
|
Легкоплавкі сплави використовуються у
ливарній справі
|
Легкоплавкі сплави незамінні у датчиках пожежної сигналізації |
Застосування сплавів у ювелірній справі
Застосування в чистому вигляді дорогоцінних металів у ювелірній справі не завжди виправдано і доцільно через їх дороговизну, фізичні і хімічні особливості.
Для надання ювелірним виробам із золота більшої твердості і зносостійкості використовуються сплави з іншими металами.
Найкраща добавка — це срібло (знижує температуру плавлення) і мідь (підвищує твердість). Чисте золото використовують дуже рідко, оскільки воно занадто м'яке, легко деформується і дряпається.
Зі сплавів золота з \(10-30\) % інших благородних металів (платини або паладію) виготовляють форсунки лабораторних приладів, а зі сплаву з \(25-30\) % срібла — ювелірні вироби та електричні контакти.
 |
 |
| Ювелірні вироби зі сплавів золота | Позолочені електричні контакти |
Сплави у мистецтві
Олов'яна бронза (сплав міді з оловом) — один з перших освоєних людиною сплавів металів. Вона має більшу, у порівнянні з чистою міддю, твердість, міцність і більш легкоплавка. Бронзи успішно застосовують для отримання складних за конфігурацією виливків, включаючи художнє лиття. Класичною маркою бронзи є дзвонова бронза.
Одне з нових напрямків у мистецтві — виробництво художніх литих виробів із чавуну. Литі вироби з чавуну істотно перевершують за якістю ковані вироби.
Чавун — метал набагато крихкіший і не такий ковкий, як сталь. Але, навіть з такого, здавалося б, грубого матеріалу, можна отримувати справжні витвори ливарного мистецтва способом лиття, наприклад, такі, як литі сходи або решітки на вікна. Такі вироби піддаються лише поверхневій корозії і не потребують ретельного догляду.
 |
 |
 |
|
Бронзова скульптура
|
Дзвони відливають із спеціального сорту бронзи |
Чавунні сходи.
Практично і дуже гарно
|