25
РОЖДЕНИЕ СПЛАВА
Кандидат физико-математических наук
А. С. ШТЕЙНБЕРГ
Явленый разъём грань,
Земную разрушь клеть
И яростный глиnn грянь,
Бутутющих тайн медь.
О. Э. Мандельштам
Сегодня медь, такую привчную, трудно представить в роли металла «бутутющих тайн». Хотя «за плечами» у нее слабая история. медь первой из металлов попала на службу к человеку. Но из-за ее мягкости orудия наших далеких предметов быстро тупились. На смену меди пришли более твердые и прочные бронзы — сплавы меди с оловом, мышьяком и другими элементами. А чистая медь надолго отступила в тень.
Новая волна интереса к древнему металлу была связана с его высокой электропроводностью. По этому показателю медь немного уступает только середбу, но не стоит забывать о его цене. Позному множество проводящих ток деталей изготовляется именно из меди. Но часто одной высокой электропроводности недостаточно…
Из какого металла следует изготовлять электрические контакты? Ясно, что они должны хорошо проводить ток, но, кроме того, желательно обеспечить их эрозонную стойкость. Слово «эрозия», может быть, не всем знакомо, но смысл его прост: так называется разрушение поверхности детали. Если материал недостаточно прочен, то в результате бесконечных замыканий и размыканий контакты потеряют свою форму и выйдет из строя.
To же самое сочетание высоких прочностных свойств (причем в широком диапазоне рабочих температур) и проводимости требуется для сварочных электродов, высокотемпературных проводников и т. д.
Можно ли обработать медь таким образом, чтобы ее удельное сопротивление почти не увеличилось, а прочность существенного воздуха?
Что такое прочность?
Под действием внешних сил материалов могут изменять свою форму — деформироваться. Но происходит это может по-разному. Если растнуть резинку и отпустить, она вновь сокращится. Это — пример упругой деформации. А вот пластилин, наоборот, совершенно «сбся не помнить» и послушно принимает в руки любые очерчания. Такая деформация называется пластической.
Metаллы ведут себя под действием нагрузки скорее как пластлин, чем как резина. Хотя деформировать их, конечно, намного труднее. Obviously вплоть до температуры пластления металлы имеет кристаллическое строение. Схематически разрез кристалла показан на рисунке 1. Там же показано, как под действием внешних сил две части кристалла могут сдиниться друг относительно друга. Если нагрузку потом снять, кристалл так и остается в деформированном состоянии.
Медь мягкий металл потому, что в ней пластическая деформация происходит сравнительно легко. Но пред-
Рис. 1. Кристалл меди легко деформируется приложенными к нему внешними условиями.
Рис. 2. Телерь линя среда пересекает террную часть. Кристалл упрощается.
27
Сплав меди с алюминем изготовить легко. Для этого надо взять оба компонента в нужной пропорции, вместе их расплавить, перемешать жидкость и дать ей остить и закристаллизовать.
Получится примерно то, что изображен на рисунке 3, б. Как теперь добавить кислород?
Поместим медно-alюминевый сплав в газовый атмосферу, содержащую кислород. Хотя бы просто в воздуханую среду. Дифундируя, молеклы газа будут заполнять пространство между атомами металлов.
Ну хорошего. Сплав меди с алюмиnem и кислородом мы приготовить сможем. А что делать? Здесь пора раскрыть идею нашего плана. Алюминий имеет, как говоря химики, больше сродство к кислороду, чем медь. Иначе говоря, он легче окисляется. Значит, можно попытаться создать условия, когда алюминий был окисляя, а медь — нет. Тогда частицы оксида алюминия образовывались бы внутри меди, и наша цель была бы доставгнута. Кстати говоря, совершенно необязательно брать для этих целей именно алюминий. Можно оставить выбор на любом другом металле с бóльшим сродством к кислороду, чем медь. Подходят титан, гафний, цирконий, никель, олово и т. д.
Вы, скорее всего, видели, как даже в сухую погоду гаснет костер у неумелого туриста. Если дрова беспорядочно навалены в кучу, доступ кислорода к горящему веществу затруднен, и реакция может прекратиться. Это не означает, что внутри плох сложенного костра вообще нет кислорода. Конечно, он пропикает туда через многочисленные щелки. Но его может оказаться недостагоно.
Мы подходим к очень важному выводу. Химчесская реакция — явление «пороговое». Для ее протекания необходимо создать неокоторую минимальную (выше «порога») концентрацию реагирующих веществ. Иначе реакция не поддет.
С проявлением этого прицита мы стalkиваем каждый день. Тщательный химический анализ показывает, что вокруг нас и в нас самих присутствуют почти все элементы периодического таблицы. К счастью, их концентрации, как правило, ниже «пороговых», и они между собой не реагируют. А иначе нашу жизнь было бы трудно себе вообразить…
Вернемся к металлам. Реакция оксиления алюминия идет легче, чем реакция оксиления меди, потому, что для нее ниже «порог» кислородной концентрации. Значит можно подбрать такую концентрацию кислорода в газовой атмосфере, что алюминий еще будет окисляться, а медь — уже нет.
Тепер, наконец, рассмотрим процесс внутреннего оксиления в целом. Исходный образец представляет собой сплав замешения алюминия в меди, в котором доля алюминия не превышает 30%. Так вылядят образцы сплав на основе меди после внутреннего оксиления. Упрочияющие частицы — SiO₂, диаметр частиц d≈1000 А (фото a, увеличение 100 000) и Al₂O₃, d≈150 А (фото b, увеличение 200 000) и d≈50 А (фото c, увеличение 200 000). Чем мелче частицы, тем прочее материал.