Что получится, если сплавить все металлы сразу?

Сложно сказать, откуда вообще появилась идея сплавления всего и вся и как она могла возникнуть у кого-то в голове. Возможно, на каком-то форуме или в околонаучном обсуждении сказали, что если сплавить все металлы сразу, то получится сплав с невероятными свойствами. Он будет обладать такими характеристиками, которых пока еще не видели на нашей планете. Возможно получится что-то типа материала для щита Капитана Америка или какой-нибудь супер-пупер металл, который будет уметь как Т-1000, проходить через стены. Но поспешу испортить вам веселье.

Физически такой сценарий мало полезен и, самое главное, не всегда вероятен. Так почему же с точки зрения физик материалов всё это похоже больше на бесполезное хулиганство?

Понятие о металлических сплавах

Начнем с самого простого. Металлический сплав — это некоторая стандартная система, которая состоит из, как минимум, двух компонентов Это обычно металлический компонент и, возможно, компонент неметаллический. Многие ошибочно считают, что металлическим сплавом является обязательное объединение пары металл-металл.

Но возьмем самый известный сплав, который называется сталью. Он будет состоять из железа и углерода. Как вы наверное знаете, углерод уже не является металлом.

Для того, чтобы понимать, что такое сплав, нам нужно хорошо уметь разбираться в структуре металла. А для того, чтобы разбираться в структуре металла, надо иметь представление о том, как организуются атомы металла. Именно взаимное расположение атомов металла и их взаимодействие во многом определяет возможность компонентов сплавиться. Это ключевой момент.

Компоненты сплава должны взаимодействовать на атомном уровне, образовать устойчивое соединение и сформировать гомогенное физическое состояние.

Немного про кристаллические решётки

В общем случае большинство металлов в твёрдом агрегатном состоянии имеют кристаллическое строение. Это означает, что атомы расположены в некоторой последовательности и она закономерна. Для получения сплавов металлы обычно расплавляют совместно. Проследим этот процесс и оценим поведение структуры.

Когда металл расплавлен, его атомы находятся в некоторой связи, но при этом связи довольно-таки подвижные. Именно это позволяет металлу быть жидким. Для того, чтобы получить жидкий металл, очевидно, что его нужно нагреть. Пока система имеет высокую температуру, она жидкая.

Теперь если отнимать у системы тепловую энергию, или, говоря понятным всем языком, охлаждать этот расплав, мы увидим, что атомы начинают двигаться медленнее и выстраиваются в упорядоченную систему, которая станет кристаллической решеткой металлического материала.

Пока в системе у нас только один компонент и есть атомы лишь одного типа, то кристаллизация из расплава логична и линейна.

Добавим разнообразия

Сделаем пакость. Возьмем какой-то другой материал, состоящий из атомов другого химического элемента, и добавим его в расплав металла. Что должно произойти?

На стадии расплава атомы просто начнут взаимно существовать в одной системе. Связи между ними довольно мягкие и будут существовать как взаимные отношения разных атомов, так и обычные сцепки. Могут ожидаться разные паразитные эффекты типа расслоения системы по плотностям, но для простоты положим, что мы идеально выбрали компоненты и расплав остаётся стабильным.

Начнём охлаждать этот взаимный расплав. Атомы начинают двигаться менее интенсивно и им нужно где-то зацепиться. При образовании твёрдого состояния всё строится на балансе — атомы не жёстко закреплены в точках размещения, а находятся в равновесии между взаимным притяжением и отталкиванием. В случае, когда два металлических компонента совместимы, атомы образуют общую структуру. Например, примесный атом окажется внутри другой кристаллической решётки и получится равновесное состояние.

Элементы системы должны организовываться таким образом, чтобы идеально совпадать друг с другом, что выразится в формировании гомогенной и связанной общей системы.

Все мы разные

Вот только атомы отличаются по множеству параметров. Совпасть им не так просто. Подбор такой пары подразумевает тщательную работу. Когда элементов больше, чем два, проблема ещё больше усугубляется.

Атомы всегда будут стараться вступить в какую-то реакцию. Реакций может быть много и они могут быть разными. Процессы тоже могут быть совершенно разными.

Представьте себе конструктор Лего. Есть детали, которые обладают зацепами одной конструкции, и есть детали, которые обладают, скажем так, устройством для фиксации этих зацепов, подходящих для конкретной детали. Детальки могут сходиться друг с другом, а могут и нет. Такая же ситуация с атомами.

Каждый раз, когда мы смешиваем разные элементы внутри одного коктейля, нужно исходить из того, что элементы должны друг с другом взаимодействовать, причём правильным и ожидаемым образом. Всё это проверяется экспериментально и имеет теоретическую базу. Исходя из знаний про устройство атомов разных элементов, ученые могут прикинуть их взаимное поведение внутри системы. Всё это отражается в литературе и выносится на диаграммы состояния.

Так, а что, если смешивать кислое и горячее?

Мы должны исходить из того, что любой металлический сплав — это сложная система компонентов, которые специально подобраны для того, чтобы сосуществовать вместе и обладать специальными регулируемыми свойствами. Это значит, что любой сплав разрабатывается.

И теперь пришло время сказать, что если мы возьмем все химические элементы, которые у нас есть, то не сможем объединить их в сплав. Все элементы обладают разными свойствами. Эти свойства многочисленны, перечислять их сейчас будет очень долго.

Внутри сплава должен получиться или твёрдый раствор, или какое-то другое устойчивое характерное состояния.

Что такое, например, твёрдый раствор? Это когда один атом стороннего легирующего элемента проникает в основную кристаллическую решётку основного элемента и замещает там какой-то атом или внедряется между ними.

Мы не случайно расписали чуть выше, что в твёрдом состоянии расположение атомов подразумевает постоянный баланс между притяжением и отталкиванием. Представьте, что атом, который вы подмешали в систему, обладает значительно большим атомным радиусом, чем исходная система. Теперь попробуйте его внедрить. Кристаллическая решетка может компенсировать некоторое различие в размерах основной матрицы и примесного атома, но это не безгранично. В какой-то момент атом примеси просто останется вне игры. Мы увидим при этом, что система развалилась на гетерогенную смесь, вместо единого состояния. Это только самый простой пример. Взаимодействий больше и вариантов не соответствия тоже.

Вместо заключения

Когда мы пытаемся сплавить все элементы таблицы Менделеева или все существующие металлы, то у нас не получится ничего, а получится непонятный сплошной кишмиш.

Какие-то химические элементы смогут вступить, например, в химическую реакцию и образуют устойчивое соединение. Какие-то смогут вытеснить другие элементы. Некоторые элементы смогут образовать стабильную смесь. Но большинство атомов не смогут взаимодействовать друг с другом в том виде, как мы это хотим увидеть в сплаве.

Технически оно может быть похоже на какое-то стабильное состояние, но если вы разрежете брусок из такой гадости, то внутри это будет что-то непонятное. Технически такой материал не обладает никакими свойствами вообще. Он, конечно обладает массой, объемом, плотностью, но использовать такой материал как конструкционный в принципе бесполезно. Наша с вами попытка получить космический материал, которого не существовало до сегодняшнего дня, полностью проваливается.

Это мы ещё не рассматриваем прочие сложные факторы. Представьте, что два разных компонента с разными температурами плавления находятся в одном расплаве. Если даже вывести все это на общую точку какого-то более-менее гомогенного состояния, эта штука будет кристаллизоваться с разной скоростью и разной интенсивностью. Получится неоднородная смесь. Но скорее всего если температуры плавления сильно отличается, то один из компонентов даже успеет выкипеть, образуя в будущей заготовке множество газовых раковин из пузырей газов от кипения.