ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СПЛАВАХ

Чистые металлы характеризуются низким пределом прочности, поэто­му в технике применяют главным образом их сплавы. Метал­лическим сплавом называют сложное вещество, полученное сплавлением (или спеканием) нескольких металлов или металлов с неметаллами. Например, мягкая медь с добавлением олова превращается в более твер­дую бронзу. При этом улучшаются эксплуатационные и технологичес­кие свойства металлического материала.

Для изучения процессов, происходящих в сплавах при их превра­щениях, а также для описания строения сплавов в металловедении ис­пользуют понятия: компонент, фаза, система.

Компонентами называ­ют вещества, образующие систему. Чистый металл представляет со­бой однокомпонентную систему, сплав двух металлов - двухкомпо­нентную систему и т.д. Компонентами могут быть металлы и неме­таллы, а также устойчивые, т.е. не диссоциирующие на составные части в рассматриваемых интервалах температур вещества — химиче­ские соединения. Так, для цветных металлических сплавов компонен­тами могут быть металлы (например, медь с цинком образует латунь), а для черных— металлы с небольшим содержанием неметаллов (желе­зо с углеродом — чугун, сталь).

Фазой называют однородную часть системы, имеющую одинаковый состав, одно и то же агрегатное состояние и отделенную от остальных частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую хими­ческий состав или структура вещества изменяются скачкообразно.

Со­вокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (давлении, температуре), называют системой. Например, од­нородная жидкость (расплавленный металл) является однофазной сис­темой, при кристаллизации чистого металла система состоит из двух фаз: жидкой (расплавленный металл) и твердой (зерна закристаллизовавше­гося металла). Другой пример: механическая смесь двух видов кристал­лов образует двухфазную систему, так как каждый кристалл отличен по составу или строению и отделен один от другого поверхностью раздела. Сплав называют однородным (гомогенным), если его структура одно­фазна, и разнородным (гетерогенным), если его структура состоит из нескольких фаз. Под структурой сплава понимают видимое в микроскоп взаимное расположение фаз, их форму и размеры Компоненты в сплавах могут составлять (рис. 13) жидкие и твердые растворы, химические соединения и механические смеси.

Однородные жидкие растворы (рис. 13, а) характерны почти для всех металлов, растворяющихся друг в друге в жидком состоянии в любых соотношениях. В однородном жидком растворе атомы 1 растворимого металла (компонента) А равномерно распределены среди атомов ме­талла В - растворителя. Лишь немногие металлы растворяются в жид­ком состоянии ограниченно. И только очень немногие металлы из-за большой разницы в размерах своих атомов не растворяются друг в друге в жидком состоянии. В процессе кристаллизации и затвердевания спла­вов взаимодействие компонентов может быть различным.

Твердые растворы образуются в результате перехода в твердое состоя­ние однородных жидких растворов. В твердом растворе одно из веществ, входящих в состав сплава, сохраняет присущую ему кристаллическую решетку, а другое в виде отдельных атомов распределяется в кристалли­ческой решетке первого вещества. Твердые растворы бывают двух типов:

твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения. Независи­мо от типа твердые растворы однофазны.

. Структура и строение элементарной ячейки различных сплавов из двух металлов А и В: 1- атомы металла А, 2- атомы металла В, 3 - твердый раствор замеще­ния, 4 — твердый раствор внедрения

В твердых растворах замещения часть атомов в кристаллической решет­ке одного из компонентов замещена атомами другого(рис. 13, б). Твер­дые растворы замещения образуются, например, в сплавах железа с хромом, никелем и с другими элементами. Твердые растворы замещения называют неупорядоченными твердыми растворами, поскольку атомы растворимого элемента могут замещать атомы растворителя в любых узлах решетки.

В твердых растворах внедрения атомы растворенного компонента вне­дряются в межатомное пространство кристаллической решетки другого компонента-растворителя(см. рис. 13, б). Твердые растворы внедрения образуются, например, в сплавах железа с водородом, азотом, бором.

Химические соединения (рис. 13, в) образуются при сплавлении различных металлов или металла с неметаллом. Соотношение чисел атомов элементов химического соединения может быть выражено фор­мулой вида АnBm. Химическое соединение — однородное кристалличес­кое тело, имеет кристаллическую решетку с упорядоченным расположе­нием атомов, которая отлична от решеток элементов, образующих это соединение. Химические соединения, как и чистые металлы, имеют по­стоянную температуру плавления и, как правило, обладают большой твер­достью и значительной хрупкостью.

Механическая смесь(рис. 13, г) двух компонентов А и В образуется тогда, когда при кристаллизации компоненты сплава не способны к взаимно­му растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реак­цию с образованием соединения. Механическая смесь может состоять из зерен двух насыщенных твердых растворов или зерен твердого раствора и химического соединения. В этом случае сплав состоит из кристаллов А иВ, которые, если они достаточно крупны, отчетливо выявляются на микроструктуре. Рентгенограмма сплава отчетливо показывает наличие двух решеток компонентов А и В.

Температуры, при которых изменяется строение металлов и сплавов, называют критическими точками. При плавлении и затвердевании чис­тые металлы имеют одну критическую точку, а сплавы — две. В интерва­ле между этими точками в сплавах существуют две фазы — жидкий сплав и кристаллы.