4. Фазовые превращения

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.

Фазой называется однородная, отделенная поверхностью часть металла или сплава, имеющая одинаковый состав, строение и свойства. В зависимости от атомно-кристаллической структуры различают твердые растворы и промежуточные фазы. Твердыми растворами называются кристаллы, в которых сохраняется тип кристаллической решетки элемента-растворителя.

Твердые растворы являются кристаллическими фазами переменного состава. Атомы растворенного элемента В размещаются в кристаллической решетке растворителя – элемента А, замещая атомы в узлах решетки или внедряясь между узлами. В первом случае кристаллы называют твердыми растворами замещения, во втором – твердыми растворами внедрения (рис. 6).

а б

Рис. 6. Атомно-кристалли-ческая структура твердого раствора (схема):

а - твердый раствор замещения;

б - твердый раствор внедрения

В промежуточных фазах образуется новый тип кристаллической решетки, отличающийся от решеток элементов, его образующих. Промежуточные фазы обозначаются так же, как и твердые растворы буквами греческого алфавита. Однако допускается обозначение и химическими формулами.

Сведения о свойствах сплава можно получить из анализа диаграммы состояния.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение фазового состава сплавов данной системы в функции температуры и химического состава сплавов. Диаграмму состояния двухкомпонентных систем строят в координатах температура – химический состав сплава.

Положения линий на диаграмме состояния зависит от скорости охлаждения сплавов, поэтому температуры критических точек при построении диаграммы определяют при медленных охлаждениях или нагревах. Такие диаграммы называют равновесными.

Общие закономерности существования устойчивых фаз, отвечающих условиям равновесия, в математической форме выражаются правилом фаз

С = К + 1 – Ф,

где К – число компонентов в системе;

Ф – число фаз;

С – число степеней свободы.

Рассмотрим типовые примеры диаграмм состояния двойных сплавов.

Диаграмма состояния сплавов I типа

Этот тип диаграмм относится к сплавам, компоненты которых неограниченно растворяются друг в друге в жидком состоянии и нерастворимы друг в друге в твердом состоянии (рис. 7). Например диаграмма Pb – Sb.

Диаграмма состояния II типа

По такой диаграмме состояний затвердевают сплавы, компоненты которых неограниченно растворимы друг в друге как в жидком, так и в твердом состояниях. Особенностью диаграмм состояний II типа является отсутствие эвтектического сплава (рис. 8). Полная взаимная растворимость в твердом состоянии возможна тогда, когда оба компонента имеют одинаковые кристаллические решетки и атомные диаметры компонентов мало отличаются по размерам. Например, диаграмма состояний Ni – Cu, Au – Ag.