Тема 3. Основы теории сплавов. Диаграммы состояния

Сплавом называется твердое вещество, обладающее всеми признаками металлов и состоящее из двух и более химических элементов. Компонентами сплава могут быть металлы и неметаллы, но основу всегда составляет металлический элемент.

Структура сплавов, формирующаяся в результате кристаллизации,  более сложная, чем у чистых металлов, и зависит от того, как взаимодействуют друг с другом компоненты. Для описания структуры используют понятие структурной составляющей. Структурная составляющая – это обособленная часть сплава, которая при рассмотрении под микроскопом имеет однообразное строение. К однофазным структурным составляющим (однородным по составу, строению и свойствам) относятся кристаллы чистых компонентов, твердых растворов и химических соединений. Кроме однофазных структур в сплавах часто встречаются двухфазные составляющие, которые представляют собой хорошо перемешанную смесь разных кристаллов: двух чистых компонентов, чистого компонента и твердого раствора, двух твердых растворов и т. д.

Кристаллы чистых компонентов образуются в том случае, когда химические элементы, входящие в состав сплава, практически не взаимо-действуют друг с другом. Если же между компонентами сплава происходит диффузия, то есть взаимное проникновение атомов, то кристаллы чистых компонентов не образуются, а возникают новые фазы – твердые растворы и (или) химические соединения.

Твердый раствор – это кристаллическая фаза, имеющая решетку элемента-растворителя, в узлах или междоузлиях которой располагаются атомы растворенного элемента. Соответственно различают твердые растворы замещения и внедрения.

Твердые растворы замещения могут быть неограниченными, например, медь–золото, либо ограниченными, например, алюминий–медь. Предел растворимости для ограниченных твердых растворов может изменяться при изменении температуры; обычно при нагреве растворимость увеличивается. Твердые растворы внедрения образуются в системах металл–неметалл при соотношении атомных радиусов r_A / r_B < 0.59 и всегда являются ограниченными из-за больших искажений кристаллической решетки. Твердые растворы – – основные фазы в сплавах, так как они пластичны, хорошо обрабатываются давлением и резанием, а прочность их выше, чем у чистых металлов.

Химические соединения относятся к промежуточным фазам, характерным признаком которых является собственная кристаллическая решетка, и отличаются от других соединений этой группы постоянным химическим составом (концентрацией). В соединении всегда сохраняется простое кратное весовое соотношение элементов, что позволяет выразить их состав формулой А_nВ_m, где А и В – соответствующие элементы; n и m – – простые числа. В отличие от твердых растворов химические соединения обычно образуются между элементами, имеющими большое различие в строении атомов или кристаллических решеток. Химические соединения, как правило, обладают высокой температурой плавления, большой твердостью и прочностью, но значительной хрупкостью, так как в них преобладает ионный или ковалентный тип связи, а не металлический.

Наглядное представление о превращениях, протекающих в металлических сплавах, дают экспериментально построенные диаграммы состояния (рис. 8), которые характеризуют процессы затвердевания и структурные изменения сплавов данной системы.

По диаграммам можно получить представление о структуре любого сплава в равновесном состоянии. Рассмотрим в качестве примера диаграмму состояния сплавов системы висмут–кадмий (рис. 9), компоненты которой не взаимо-действуют друг с другом в твердом состоянии. Область существования жидкой фазы (расплава) ограничена верхней ломаной линией диаграммы, соединяющей точки плавления висмута и кадмия через точку Е. В этой точке сплав, содержащий 60 % Cd и 40 % Bi, имеет одинаковые температуры ликвидуса и солидуса. Все остальные сплавы данной системы плавятся и затвердевают в пределах температурного интервала, который снизу ограничен горизонтальной линией солидуса. Сплав, отвечающий составу точки Е, называется эвтектическим («эвтектика» в переводе с греческого означает «легкоплавкая»). В общем случае эвтектикой называют смесь двух и более видов кристаллов, одновременно кристаллизующихся из расплава. В системе Bi–Cd структура эвтектического сплава представляет собой смесь

очень мелких кристаллов висмута и кадмия, находящихся в определенном взаимном расположении. Доэвтектические сплавы, содержащие менее 60 % кадмия, состоят из кристаллов висмута и эвтектики, а заэвтектические – – из кристаллов кадмия и эвтектики. Чем ближе состав конкретного сплава к эвтектическому, тем больше количество эвтектики в его структуре. Аналогичные диаграммы состояния имеют сплавы систем Zn–Sn, Pb–Ag, Ni–Cr, Cr–Mn, Cu–Bi, Al–Si, Pb–Sb.