§ 1. Строение металлов и сплавов

Металлы. Все металлы состоят из множества отдельных зерен - кристаллов, плотно прилегающих друг к другу и крепко связанных между собой внутренними силами сцепления. Поэтому металлы относятся к кристаллическим телам.

Образование кристаллов, или кристаллизация металлов, обычно происходит при остывании жидкого расплавленного металла. Этот процесс протекает следующим образом: при охлаждении жидкого металла его затвердение начинается с образования центров кристаллизации, в которых атомы металла располагаются в определенном порядке, образуя кристалл, имеющий правильную форму геометрических фигур - куба, призмы и др.

Однако в процессе кристаллизации металлов одновременно возникает много центров кристаллизации и полногранных кристаллов не образуется или образуется очень мало, так как кристаллизация происходит несвободно и соседние кристаллы мешают друг другу развиваться правильно. В результате наружные очертания кристаллов не получают геометрических форм - их углы закругляются, сдавливаются, и такие кристаллы называются зернами или кристаллитами.

Чем быстрее металл остывает, тем больше возникает центров кристаллизации и тем мельче образовавшиеся кристаллиты. Размеры зерен металлов очень различны - от нескольких сантиметров в литом, медленно охлажденном металле до тысячных долей миллиметра в быстро охлажденном и механически обработанном металле.

Форма и размеры кристаллов зависят не только от условий, при которых происходит их образование, но и от последующей обработки металла. Если литой металл с сравнительно крупными зернами подвергнуть механической обработке - ковке, штамповке, прокатке, чеканке и т. п., то структура металла изменится, произойдет измельчение зерен. Крупные кристаллы раздробятся на множество мелких, изменится их форма - они станут сплющенными или вытянутыми в зависимости от направления действия приложенной силы.

С изменением размеров, формы, расположения кристаллов изменяются и механические свойства металлов. Они становятся более твердыми, хрупкими, упругими, утрачивается пластичность и вязкость.

Путем длительной механической обработки, например чеканкой, вызывающей измельчение кристаллов, можно довести металл до такого состояния, что он из пластичного и мягкого станет жестким, хрупким, легко разрушающимся при дальнейшей деформации. Такой металл называется нагартованным или получившим наклеп.

Если нагартованный металл нагреть до определенной температуры, то структура его вновь изменится, мелкие зерна исчезнут и вместо них появятся более крупные, но уже не такие, как в литом металле. Размеры зерен будут более или менее одинаковые по всем направлениям. Такую структуру называют равноосной.

Сплавы. Чистые металлы в изделиях художественной промышленности применяются редко, обычно применяются их сплавы. Сплавы обладают самыми разнообразными свойствами. Зная теорию сплавов, можно составлять такие сплавы, которые обладают теми или иными желаемыми свойствами.

Под чистыми металлами понимают химически простое вещество, например железо, медь, олово, серебро и т. п. Однако получение абсолютно чистых металлов сопряжено с большими трудностями. Например, получить железо, совершенно свободное от примесей - серы и углерода, до сих пор невозможно. Даже наиболее чистое железо содержит тысячные доли углерода и серы. В художественной промышленности его не применяют из-за трудности получения и высокой стоимости. В то же время сплавы на железной основе - сталь и чугун - применяются здесь чрезвычайно широко.

Тоже можно сказать и о меди. Даже в самой чистой меди всегда присутствуют примеси мышьяка, висмута, сурьмы, железа и других веществ, от которых освободиться чрезвычайно трудно.

Однако интересно отметить, что в 1720 г. заводчик Никита Антуфьев-Демидов подарил Петру I игральный стол, изготовленный из чистой меди, в которой всяких примесей было меньше, чем в самой лучшей меди, выплавляемой в наше время по современной технологии.

В чистом виде медь применяется гораздо реже, чем ее сплавы--латунь и бронза. Это объясняется тем, что эти сплавы обладают важными свойствами, которых нет у чистой меди.

Сплавы образуются путем соединения металлов с металлами или металлов с металлоидами. Например, при соединениях меди с цинком образуется латунь, алюминия с кремнием - силумин.

Сплавы можно получить из двух или нескольких компонентов методом сплавления. Это наиболее древний способ, известный человечеству еще с доисторических времен. Известно также, что уже в Древнем Египте и Китае за четыре тысячи лет до нашей эры выплавляли металл из полиметалических руд и полученными природными сплавами (например, бронзой) пользовались для производства различных предметов, в том числе и художественных изделий.

Рис. 1. Литая бронзовая пластина с головой медведя (скифский период)

Наши предки много веков тому назад умели сплавлять золото с серебром, получая сплав электрум, применявшийся ими для выделки художественных сосудов - кубков, ваз и т. п. На рис. 1 изображена бронзовая пластинка с головой медведя (скифский период).

Разработаны новые способы получения сплавов, например, прессованием и спеканием из смеси металлических порошков, а также путем электролиза или конденсации из паров металлов.

В настоящее время сплавы из двух компонентов применяются сравнительно редко. Это объясняется тем, что двойные сплавы имеют недостаточно высокие механические свойства, а поэтому в технике и художественной промышленности в большинстве случаев применяются сплавы более сложного состава - тройные, четверные и т. д. Добавка третьего или четвертого компонента к двойным сплавам существенно изменяет их свойства, особенно в тех случаях, если новый компонент может вызвать образование химического соединения и тем самым резко изменить кристаллическую решетку.