ТЕОРИЯ СПЛАВОВ
1. Основные сведения о сплавах
Чистые металлы в большинстве случаев не обеспечивают требуемого комплекса механических и технологических свойств и поэтому редко применяются для изготовления изделий. Некоторое применение имеет, например, медь, главным образом для изготовления проводников электричества. В большинстве случаев в технике применяют сплавы.
Рис.1. Структура и строение элементарной ячейки пространственной
кристаллической решетки различных сплавов из двух металлов А и В:
ф — атомы металла Л; О — атомы металла В
Металлическим сплавом называется вещество, состоящее из двух или более элементов (металлов или мехаллов с металлоидами), обладающее металлическими свойствами. Обычным способом приготовления сплавов является сплавление, но иногда применяют спекание, электролиз или возгонку.
В большинстве случаев входящие в сплав элементы в жидком состоянии полностью растворимы друг в друге, т. е. представляют собой жидкий раствор, в котором атомы различных элементов более или менее равномерно перемешаны друг с другом (рис. 1,а). В твердом виде сплавы способны образовывать твердые растворы, химические соединения, механические смеси.
Твердый раствор. Во многих сплавах при переходе в твердое состояние (при кристаллизации) сохраняется равномерность распределения атомов различных элементов и, следовательно, сохраняется и растворимость. Образовавшийся в этом случае кристалл (зерно) называется твердым раствором.
Микроструктура твердого раствора в условиях равновесия представляет собой совершенно однородные и одинаковые по составу зерна и похожа на структуру чистого металла (рис. 1,6). Твердый раствор, как и чистый металл, имеет одну кристаллическую решетку. Разница заключается только в том, что в кристаллической решетке чистого металла все места заняты атомами одного элемента, а в твердом растворе — атомами различных элементов, образующих этот твердый раствор.
59. Расположение атомов в твердых растворах: а — твердый раствор замещения; б — твердый раствор внедрения; о — атом компонента растворителя; ф — атом
растворимого компонента
Растворимость в твердом состоянии может быть неограниченной и ограниченной. Растворимость твердого раствора, полученного при любом количественном соотношении элементов, называется неограниченной.
Растворимость твердого раствора, полученного при определенном количественном соотношении элементов, называется ограниченной. По расположению атомов в кристаллической решетке различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения.
В твердом растворе замещения атомы растворенного элемента занимают места атомов элемента растворителя, т. е. расположены в узлах общей кристаллической решетки (рис. 59,а).
В твердом растворе внедрения атомы растворенного элемента располагаются внутри кристаллической решетки элемента растворителя между атомами металла-растворителя (рис. 59,6).
При образовании твердых растворов свойства сплавов изменяются плавно и отличаются от свойств элементов, из которых они состоят.
Химическое соединение. Особый характер металлической связи в сплавах приводит к образованию особого вида химических соединений.
В отличие от обычных химических соединений металлические соединения имеют переменный состав, который может изменяться в широких пределах. Характерной особенностью металлического химического соединения является образование кристаллической решетки (см. рис. 58,в), отличной от решеток образующих элементов, и существенное изменение всех свойств. Иногда в металлических сплавах образуются также химические соединения, подчиняющиеся закону валентности (оксиды, сульфиды, а также соединения металлов отдельных групп периодической системы: Mg2Sn, Mg2Pb и т. д.).
Механическая смесь. Если элементы, входящие в состав сплава, не растворяются друг в друге в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения, то при этих условиях из атомов каждого элемента образуется отдельная кристаллическая решетка, и кристаллы (зерна) элементов, входящие в сплав, образуют механическую смесь (см. рис. 58,г). При образовании механической смеси, когда каждый элемент кристаллизуется самостоятельно, свойства сплава будут средними между свойствами элементов, которые его образуют.
Механические смеси получаются также в случаях, когда элементы обладают ограниченной растворимостью, а также когда образуют химическое соединение. Если в сплаве количество элементов превышает их предельную растворимость, то возникает механическая смесь двух насыщенных твердых растворов. При наличии в сплаве химического соединения образуется механическая смесь из зерен твердого раствора и химического соединения и т. д.
При изучении процессов, происходящих в металлах и сплавах при их превращениях, в металловедении пользуются следующими понятиями: система, фаза, компонент.
Системой называется совокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (температуре, давлении). Система может быть простой, если она состоит из одного элемента, и сложной, если она состоит из нескольких элементов.
Фазой называется однородная по химическому составу и кристаллическому строению часть системы, отделенная от других частей системы поверхностью раздела. Фазами могут быть металлы и неметаллы, жидкие и твердые растворы, химические соединения. Однофазной системой будет, например, однородная жидкость, двухфазной — механическая смесь кристаллов двух металлов.
Компонентами называют вещества, образующие систему. Компонентами могут быть элементы (металлы и неметаллы) или устойчивые химические соединения.