Понятия о сплавах, компонентах и фазах

Глава 13. ОСНОВЫ ТЕОРИИ СТРОЕНИЯ СПЛАВОВ

Сплавы состоят из двух и более элементов периодической системы. Элементы, образующие сплав, называют компонентами. Свойства сплава зависят от многих факторов, но прежде всего, они определяются составом фаз и их количественным соотношением. Эти сведения можно получить из анализа диаграмм состояния, изучению которых и посвящена данная глава.

Зная диаграмму состояния, можно представить полную картину формирования структуры любого сплава, определить оптимальную температуру заливки сплава для получения литых деталей, оценить жидкотекучесть выбранного сплава и возможность получения химической неоднородности, сделать заключение о возможности и условиях обработки давлением. Диаграммы состояния позволяют определить режим термической обработки, необходимый для данного сплава.

Понятия о сплавах, компонентах и фазах

Металлы обладают низкими прочностными свойствами, хотя имеют высокие значения пластичности. В технике находят применение не металлы, а их сплавы.

Вещество, полученное сплавлением двух (бинарные сплавы) или более (многокомпонентные) исходных веществ (компонентов), называется сплавом.

В сплавах в зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов могут образовываться следующие фазы: жидкие и твердые растворы, химические соединения, смеси из сплавляемых компонентов, промежуточные.

Фазой называется физически и химически однородная часть системы, отделенная от другой части системы (фазы) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура изменяются скачкообразно.

Твердыми растворами называются фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других компонентов располагаются в решетке первого (растворителя), изменяя ее размеры (периоды).

Различают твердые растворы замещения и внедрения.

При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке. Твердые растворы замещения могут быть с ограниченной или неограниченной растворимостью.

При неограниченной растворимости кристаллическая решетка компонента растворителя по мере увеличения концентрации растворенного компонента плавно переходит в кристаллическую решетку растворенного компонента
(Аg – Au), (Ni – Cu), (Mo – W), (V – Ti).

Для образования неограниченных твердых растворов необходимы:

·однотипность кристаллических решеток сплавляемых компонентов;

·близость атомных радиусов компонентов и, например они не должны отличаться больше чем на 8%;

·близость физико-химических свойств компонентов.

В реальных сплавах чаще встречаются твердые растворы с ограниченной растворимостью. В твердых растворах с ограниченной растворимостью растворение вещества возможно лишь до определенного предела. При дальнейшем повышении концентрации твердый раствор распадается, и образуются двухфазные смеси.

При образовании твердого раствора внедрения атомы растворенного компонента располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решетки растворителя. Это возможно, если внедряемые атомы имеют малые размеры. Такими атомами являются атомы элементов, находящихся в начале периодической системы Д.И. Менделеева (H, C, N, B).

Твердые растворы обозначаются малыми буквами греческого алфавита: α, β, γ и др.

Химические соединения. Характерными особенностями химических соединений являются:

·наличие нового типа кристаллической решетки, отличного от типа решеток сплавляемых компонентов;

·постоянство стехиометрической пропорции, которое может быть выражено формулой химического соединения А_mB_n;

·постоянство температуры кристаллизации.

Химические соединения металлов делятся на две группы: соединения с нормальной валентностью, которые дают металлы с типичными неметаллами (Cl, S, O₂ и др.), в сплавах эти соединения присутствуют в виде неметаллических включений; металлические соединения. Из второй группы наиболее важными являются фазы внедрения и электронные соединения.

Фазы внедрения – соединение переходных металлов с углеродом (карбиды), азотом (нитриды), водородом (гидриды), бором (бориды), а с металлами – интерметаллиды. Фазы внедрения имеют формулу MeX, Me₂X, MeX₂, Me₄X. Фазы внедрения являются фазами переменного состава, а соответствующие им химические формулы обычно характеризуют максимальное содержание в них
неметалла. Фазы внедрения имеют большое практическое значение, обеспечивая значительное упрочнение металлических сплавов.

Электронные соединения – чаще образуются между одновалентными (Cu, Ag, Au, Li, Na и т.д.) металлами или металлами переходных групп (Mn, Fe, Co и др.) с одной стороны и простыми металлами с валентностью от 2 до 5 (Be, Mg, Zn, Cd, Al и др.) с другой стороны. Электронные соединения, подобно обычным химическим соединениям, имеют кристаллическую решетку, отличную от решетки образующих элементов. Но в отличие от химических соединений с нормальной валентностью электронные соединения образуют с компонентами, из которых они состоят, твердые растворы в широком интервале концентраций.

Смеси – образуют металлы, отличающиеся атомными объемами и температурой плавления. Металлы, образующие такие сплавы, сохраняют свою кристаллическую решетку, в результате образуется смесь из кристаллов исходных компонентов (сплавы Pb – Sb, Zn – Sn и др.).

Промежуточными фазами в сплавах являются упорядоченные твердые растворы, фазы Лавеса и др.

Упорядоченными называются твердые растворы, в которых атомы компонентов А и В расположены не хаотично, как в обычных твердых растворах, а упорядоченно. Упорядоченные твердые растворы называются также сверхструктурами, образование их сопровождается резким изменением свойств сплава – растет прочность, снижается пластичность. Состав сверхструктур можно выразить химической формулой, например, Cu₃Au.

Фазы Лавеса имеют формулу АВ₂ и образуются между компонентами А и В при отношении их атомных диаметров, равном 1, 2. Фазы Лавеса имеют решетку ГЦК (МgCu₂) или ГПУ (МgZn₂, МgNi₂).

Твердые растворы могут существовать, имея переменный состав, в то время как химические соединения и чистые компоненты существуют только при постоянном составе.