Строение металлических сплавов

В технике чистые металлы находят ограниченное применение. Основными конструкционными материалами, которые широко применяются в промышленности, являются металлические сплавы, которые часто обладают более высокими свойствами, чем чистые металлы.

Сплавом называется вещество, полученное сплавлением двух и более элементов. Металлические сплавы получают сплавлением металлов или преимущественно металлов с неметаллами. При этом металлический сплав сохраняет комплекс характерных металлических свойств.

В теории сплавов основными понятиями являются компонент, фаза и система. Системой называют металлы и металлические сплавы. Компонентами называют вещества, образующие систему. Ими могут быть элементы (металлы и неметаллы) и химические соединения элементов. Например: чистый металл является однокомпонентной системой, сплав двух металлов – двухкомпонентной системой.

Фазой называется однородная часть системы, отделенная от другой части системы (то есть другой фазы) поверхностью раздела. При переходе через эту поверхность раздела сильно (скачком) изменяются химический состав или структура. Например, при кристаллизации чистого металла в системе имеются только две фазы: жидкая – из расплавленного металла; твёрдая – из закристаллизовавшихся зерен этого же металла.

Фазы в металлических сплавах.В твердых в агрегатном состоянии сплавах фазами могут быть: зёрна чистого металла, зёрна твёрдого раствора, зёрна химического соединения.

Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого компонента располагаются в решетке первого компонента, изменяя ее размеры. Все твердые растворы однофазны и имеют металлический тип связи. Различаются твердые растворы внедрения и твердые растворы замещения (рис. 2.14).

Рис.2.14. Схема формирования твердых растворов

Твердые растворы внедрения возникают при сплавлении металлов с неметаллами, имеющими малый атомный радиус – C, N, B, H. Такие твердые растворы всегда имеют ограниченную растворимость второго компонента в первом. Например, с углеродом железо образует твердые растворы: феррит с ОЦК-решеткой и аустенит с ГЦК-решеткой.

Твердые растворы замещения образуются, когда атомные радиусы металлов отличаются менее, чем на 15%. Такие твердые растворы могутбыть ограниченными и неограниченными. Чем больше различие в атомных радиусах компонентов, тем меньше растворимость. Неограниченные твердые растворы образуют компоненты, имеющие одинаковый тип кристаллической решетки, например: Cu –Au, Si – Ge, Cu – Ni, Co – Ni, Ti – V.

Химические соединения образуются при химическом взаимодействии компонентов. В химическом соединении элементы находятся в строгом соотношении друг с другом, то есть соблюдается соответствие стехиометрической пропорции, выраженной формулой вида AmBn. Химические соединения имеют свою кристаллическую решетку, отличную от решеток компонентов. Химические соединения имеют постоянную температуру плавления, как и чистые металлы, и играют роль самостоятельного компонента.

Свойства химического соединения сильно отличаются от свойств исходных элементов. Как правило, оно обладает высокой твёрдостью и хрупкостью.

Примерами химических соединений являются:

1. соединения металлов с металлами, так называемые интерметаллиды, например, CuAl2, Ni3Al, MoFe2, Mg2Sn.

2. соединения металлов с неметаллами, так называемые металлические соединения, например: карбиды Fe3C, VC, WC, TiC; нитриды TiN, Cr2N, Fe2N; бориды CrB, Ni3B, TiB2, а также гидриды элементов. Такие соединения очень тугоплавки и обладают высокой твердостью.

Некоторые химические соединения могут формировать твердые растворы. В этом случае сохраняется решетка химического соединения AmBnс замещенными в ее узлах атомами А или В, а так же замещенными или внедренными атомами третьего компонента С.

Рис 2.15 Схема структуры механической смеси

При образовании сплавов в процессе затвердевания или полиморфного превращения в структуре может формироваться особая структурная составляющая, называемая механическая смесь (рис. 2.15). Механическая смесь не является фазой, это смесь двух фаз, сформированная при определенной постоянной температуре и определенном постоянном химическом составе сплава. Фазами, входящими в механическую смесь, могут быть чистые компоненты, твердые растворы и химические соединения.

Если механическая смесь формируется при одновременной кристаллизации зерен двух фаз из жидкости – она называется эвтектика, а такое превращение называется эвтектическим. Если механическая смесь формируется из твердой фазы при ее полиморфном превращении из высокотемпературной модификации в низкотемпературную модификацию с выделением второй фазы – такая механическая смесь называется эвтектоидом, а такое превращение называется эвтектоидным.