Sự ra đời của hợp kim

25

Sự ra đời của hợp kim

Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học
A. S. STEINBERG

Cạnh kết nối lộ ra,
Phá hủy lồng đất
Và đất sét giận dữ
Những bí mật sủi bọt của đồng.

O. E. Mandelstam

Ngày nay, đồng đã quá quen thuộc nhưng khó có thể tưởng tượng nó là một kim loại có “bí mật sủi bọt”. Mặc dù đằng sau cô ấy có một lịch sử yếu kém. Đồng là kim loại đầu tiên được con người sử dụng. Nhưng vì sự mềm mại của nó nên các công cụ của các vật thể ở xa của chúng ta nhanh chóng trở nên buồn tẻ. Đồng đã được thay thế bằng đồng thau cứng hơn và bền hơn - hợp kim của đồng với thiếc, asen và các nguyên tố khác. Và đồng nguyên chất đã ẩn mình trong bóng tối một thời gian dài.

Một làn sóng quan tâm mới đến kim loại cổ có liên quan đến tính dẫn điện cao của nó. Về chỉ số này, đồng chỉ kém hơn bạc một chút, nhưng đừng quên giá của nó. Pozny, nhiều bộ phận dẫn điện được làm từ đồng. Nhưng thường chỉ độ dẫn điện cao thôi là chưa đủ…

Các tiếp điểm điện nên được làm bằng kim loại gì? Rõ ràng là chúng phải dẫn dòng điện tốt, nhưng ngoài ra, chúng còn phải đảm bảo khả năng chống xói mòn. Từ “xói mòn” có thể không quen thuộc với mọi người, nhưng ý nghĩa của nó rất đơn giản: đây là tên gọi sự phá hủy bề mặt của một bộ phận. Nếu vật liệu không đủ bền thì do đóng mở liên tục, các tiếp điểm sẽ mất hình dạng và hỏng.

Sự kết hợp tương tự của các đặc tính cường độ cao (trong phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng) và độ dẫn điện là cần thiết cho các điện cực hàn, dây dẫn nhiệt độ cao, v.v.

Có thể xử lý đồng sao cho điện trở suất của nó hầu như không tăng nhưng cường độ của không khí lại đáng kể?

Sức mạnh là gì?

Dưới tác dụng của ngoại lực, vật liệu có thể bị biến dạng - biến dạng. Nhưng điều này có thể xảy ra theo những cách khác nhau. Nếu bạn kéo căng sợi dây thun và thả nó ra, nó sẽ lại co lại. Đây là một ví dụ về biến dạng đàn hồi. Nhưng ngược lại, plasticine hoàn toàn “không thể nhớ” và ngoan ngoãn nhận bất kỳ đường nét nào vào tay nó. Biến dạng này được gọi là dẻo.

Kim loại hoạt động dưới tải giống chất dẻo hơn là cao su. Tất nhiên, mặc dù việc làm biến dạng chúng khó khăn hơn nhiều. Rõ ràng, ở nhiệt độ nóng chảy, kim loại có cấu trúc tinh thể. Một phần sơ đồ của tinh thể được hiển thị trong hình 1. Nó cũng cho thấy dưới tác dụng của ngoại lực, hai phần của tinh thể có thể trở nên gần nhau hơn như thế nào. Nếu tải được loại bỏ, tinh thể vẫn ở trạng thái biến dạng.

Đồng là kim loại mềm vì nó dễ bị biến dạng dẻo. Nhưng trước đó

Hình 1. Tinh thể đồng dễ bị biến dạng bởi các điều kiện bên ngoài tác động lên nó.

Hình 2. Môi trường lãnh thổ đi qua phần lãnh thổ. Tinh thể được đơn giản hóa.

27

Một hợp kim đồng và nhôm rất dễ sản xuất. Để làm điều này, bạn cần lấy cả hai thành phần theo tỷ lệ cần thiết, làm tan chảy chúng lại với nhau, trộn chất lỏng và để nguội và kết tinh.

Kết quả sẽ xấp xỉ những gì được hiển thị trong hình 3, b. Làm thế nào để bổ sung oxy bây giờ?

Hãy đặt một hợp kim đồng-nhôm trong môi trường khí có chứa oxy. Ít nhất là chỉ vào không khí. Khi chúng khuếch tán, các phân tử khí sẽ lấp đầy khoảng trống giữa các nguyên tử kim loại.

Vâng, tốt. Chúng ta có thể điều chế một hợp kim đồng với nhôm và oxy. Tôi nên làm gì? Bây giờ là lúc tiết lộ ý tưởng đằng sau kế hoạch của chúng tôi. Theo các nhà hóa học, nhôm có ái lực với oxy lớn hơn đồng. Nói cách khác, nó bị oxy hóa dễ dàng hơn. Điều này có nghĩa là chúng ta có thể cố gắng tạo điều kiện khi nhôm bị oxy hóa, còn đồng thì không. Sau đó, các hạt oxit nhôm sẽ hình thành bên trong đồng và mục tiêu của chúng tôi sẽ đạt được. Nhân tiện, hoàn toàn không cần thiết phải sử dụng nhôm cho những mục đích này. Bạn có thể chọn bất kỳ kim loại nào khác có ái lực với oxy lớn hơn đồng. Titan, hafni, zirconi, niken, thiếc, v.v. đều phù hợp.

Rất có thể bạn đã từng thấy ngọn lửa của một khách du lịch kém năng lực tắt như thế nào ngay cả khi thời tiết khô ráo. Nếu củi được chất bừa bãi, oxy sẽ khó tiếp cận với chất cháy và phản ứng có thể dừng lại. Điều này không có nghĩa là hoàn toàn không có oxy bên trong ngọn lửa được xây dựng kém. Tất nhiên, nó xuyên qua đó qua nhiều vết nứt. Nhưng nó có thể không đủ.

Chúng ta đang đi đến một kết luận rất quan trọng. Phản ứng hóa học là một hiện tượng “ngưỡng”. Để điều đó xảy ra, cần phải tạo ra một nồng độ tối thiểu nhất định (trên “ngưỡng”) của các chất phản ứng. Nếu không phản ứng sẽ không hoạt động.

Chúng ta gặp phải những biểu hiện của giá trị này hàng ngày. Phân tích hóa học cẩn thận cho thấy hầu hết tất cả các nguyên tố trong bảng tuần hoàn đều có mặt xung quanh chúng ta và trong chính chúng ta. May mắn thay, theo quy luật, nồng độ của chúng nằm dưới “ngưỡng” và chúng không phản ứng với nhau. Nếu không, cuộc sống của chúng ta sẽ khó tưởng tượng…

Hãy quay trở lại với kim loại. Phản ứng oxy hóa của nhôm dễ dàng hơn phản ứng oxy hóa của đồng vì “ngưỡng” nồng độ oxy đối với nó thấp hơn. Điều này có nghĩa là có thể chọn nồng độ oxy trong khí quyển sao cho nhôm vẫn bị oxy hóa, nhưng đồng thì không.

Cuối cùng, bây giờ chúng ta hãy xem xét toàn bộ quá trình oxy hóa bên trong. Mẫu ban đầu là hợp kim nhôm trộn với đồng, trong đó tỷ trọng nhôm không vượt quá 30%. Đây là hình dạng của các mẫu hợp kim làm từ đồng sau quá trình oxy hóa bên trong. Các hạt tăng cường là SiO₂, đường kính hạt d≈1000 A (ảnh a, độ phóng đại 100.000) và Al₂O₃, d≈150 A (ảnh b, độ phóng đại 200.000) và d≈50 A (ảnh c, độ phóng đại 200.000). Các hạt càng nhỏ thì vật liệu càng khác nhau.