Основные положения теории сплавов

Металлическими сплавами называют сложные по составу вещества, образовавшиеся в результате взаимодействия двух или нескольких металлов либо металлов с некоторыми неметаллами. Химические элементы или их устойчивые соединения, входящие в сплав, принято называть компонентами. Сплавы могут состоять из двух, трех и более компонентов.

Компонент, преобладающий в сплаве количественно, называется основным. Компоненты, вводимые в сплав для придания ему нуж­ных свойств, называются легирующими. Совокупность компонен­тов сплава называется системой.

Сплавы классифицируют по числу компонентов — на двойные (бинарные), тройные, четвертные и многокомпонентные; по основ­ному элементу — железные, алюминиевые, магниевые, титановые, медные и т.д.; по применению — конструкционные, инструменталь­ные, жаропрочные, антифрикционные, пружинные, шарикопод­шипниковые и т.д.; по плотности — тяжелые (на основе вольфра­ма, рения, свинца и др.), легкие (алюминиевые, магниевые, бериллиевые и др.); по температуре плавления — тугоплавкие (сплавы на основе ниобия, молибдена, тантала, вольфрама и др.), легкоплав­кие (припои, баббиты, типографские сплавы и т.д.); по технологии изготовления полуфабрикатов и изделий — литейные, деформиру­емые, спеченные, гранулированные, композиционные и т.д.

Способность различных металлов образовывать сплавы далеко не одинакова; структура сплавов после их затвердения также может быть самой разнообразной.

Металлические сплавы в жидком состоянии, как правило, одно­родны и представляют одну фазу.

Фазой называют однородную часть неоднородной системы, от­деленную от других ее частей поверхностями раздела. При перехо­де сплавов из жидкого состояния в твердое состояние в них может образоваться несколько фаз. После затвердевания в зависимости от природы ком­понентов сплавы могут состоять из одной, двух и более твердых фаз. Возможно образование твердых растворов, химических соединений и механических смесей, состоящих из двух или нескольких фаз.

Твердыми растворами называют сплавы (из двух или более ком­понентов), в которых атомы растворимого компонента располага­ются в кристаллической решетке компонента растворителя. При образовании твердого раствора растворителем называют тот металл, кристаллическая решетка которого сохраняется как основа. Если оба металла обладают одинаковыми по типу кристаллическими решет­ками и вследствие этого неограниченной взаимной растворимостью в твердом состоянии (образует непрерывный ряд твердых раство­ров), то растворителем является тот из них, концентрация которо­го в сплаве превышает 50% (атомных).

Для образования непрерывного ряда твердых растворов необхо­димы одинаковый тип кристаллических решеток компонентов и небольшая разность их периодов. В твердых растворах могут происходить диффузионные перехо­ды компонентов из мест с большей их концентрацией в места с меньшей концентрацией до тех пор, пока концентрация не станет одинаковой во всем объеме. Однако диффузия в твердых растворах протекает значительно медленнее, чем в жидких и скорость ее уменьшается с понижением температуры.

Различают три типа твердых растворов: замещения, внедрения и вычитания. Рассмотрим только первые два типа твердых раство­ров, так как твердые растворы вычитания встречаются сравнитель­но редко.

Твердый раствор замещения образуется путем замены части атомов растворителя в его кристаллической решетке атомами растворяемого компонента (рис. 6.1, а). Эти растворы могут быть ограниченными и неограниченными.

Рис. 6.1. Схема образования твёрдых растворов

а - раствор замещения; б - раствор внедрения

Обычно компоненты, у которых атомные периоды решетки отличаются не более чем на 8 %, образуют неограниченный ряд твердых растворов замещения; на 8…15% — твердые растворы замещения с ограниченной взаимной растворимостью; более чем на 15% — не образуют твердых растворов.

Твердые растворы внедрения образуются путем размещения атомов растворенного компонента в свободных промежутках меж­ду атомами кристаллической решетки растворителя (рис. 6.1, б).

Химические соединения образуются при строго определенном количественном соотношении компонентов сплава и характеризу­ются кристаллической решеткой, отличающейся от решеток исходных компонентов. Химические соединения, как правило, обладают ха­рактерными физико-механическими свойствами: высокой твердо­стью, повышенной хрупкостью, высоким электросопротивлением. Химические соединения в сплавах образуются между металла­ми (интерметаллические соединения), а также между металлами и неметаллами. Некоторые соединения металлов с неметаллами (карбиды, нитриды, оксиды, фосфиды и др.) получили в технике само­стоятельное применение.

Механические смеси формируются при одновременном выпаде­нии из жидкого расплава при его охлаждении кристаллов состав­ляющих его компонентов (эвтектические смеси). В кристаллах, которые входят в состав механической смеси, сохраняется кристал­лическая решетка исходных компонентов сплава, связь между которыми осуществляется по границам зёрен. Значения свойств сплава будут средними между свойствами элементов, которые его образуют. Механические смеси могут состоять из чистых компонентов, твердых растворов, химических соединений и т.д.

Вопросы для повторения и закрепления:

1. Что называется фазой?

2. Что такое твёрдые растворы? Какие существуют виды твёрдых растворов?

3. Как образовываются механические смеси?