Тема 3. Металлические сплавы

3.1. Основные понятия о металлических сплавах.

В технике в чистом виде металлы практически не применяются, зачастую используют металлические сплавы, под которыми понимаются сложные вещества, состоящие из двух и большего числа компонентов. В состав металлических сплавов, кроме металлов, могут входить и неметаллы – углерод, марганец, кремний, фосфор, сера и др.

Металлические сплавы, как и чистые металлы, имеют характерную кристаллическую решетку, т.е. являются кристаллическими веществами. Однако их свойства (механические, химические, технологические и др.) могут значительно отличаться от свойств чистых (исходных) металлов.

Наиболее распространенным способом получения сплавов является сплавление входящих в него компонентов, в результате чего получают механическую смесь, твердый раствор или химическое соединение.

1

Рис. 3.1. Микроструктура механической смеси (схема)

. Механическая смесь двух компонентов А и В образуется, когда они не вступают между собой в химическую реакцию и не растворяются друг в друге в твердом состоянии. В этом случае сплав будет состоять из кристаллов вещества А и вещества В, отчетливо выявляемых на микроструктуре слитка (рис. 3.1) (пример: свинец-сурьма).

2. Твердый раствор образуется тогда, когда компоненты сплава обладают взаимной растворимостью друг в друге как в жидком, так и в твердом состоянии. Твердый раствор – однородное кристаллическое тело, имеющее один тип кристаллической решетки.

Различают следующие виды твердых растворов:

2.1. Твердый раствор замещения – когда атомы В растворенного элемента замещают атомы А растворителя в его кристаллической решетке (рис. 3.2,а).

2.2. Твердый раствор внедрения – когда атомы В растворенного элемента размещаются между атомами А растворителя в его кристаллической решетке (рис. 3.2,б).

2.3. Твердый раствор вычитания – образуется на базе химического соединения, когда атомы растворенного элемента замещают атомы растворителя в узлах кристаллической решетки, но отдельные узлы остаются не занятыми (пустыми). Примером может служить коррозия железа.

а) б)
Рис. 3.2. Кристаллическая решетка а – твердого раствора замещения; б – твердого раствора внедрения

3. Химическое соединение образуется в том случае, когда составляющие его компоненты (металлы или неметаллы) вступают между собой в химическое взаимодействие (реакцию). В результате образуется сплав, имеющий новый вид кристаллической решетки и обладающий определенными специфическими свойствами, которые в значительной степени отличаются от решеток и свойств исходных компонентов. Пример: Fe- (ГЦК) + С (гексагональная кристаллическая решетка) = Fe₃С (ромбическая кристаллическая решетка).

3.2. Диаграмма состояния двойных сплавов.

3.2.1. Основная информация о диаграмме состояния.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния сплава в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Она позволяет определить температуру начала и конца кристаллизации (перекристаллизации) сплава, его структуру в различных интервалах температур и превращения, которые сплав претерпевает при охлаждении и нагревании.

Двойными называются сплавы, в состав которых входят два компонента.

Компоненты – это вещества, образующие систему, или другими словами, это химические составляющие сплавов.

Различные изменения системы, происходящие в зависимости от внешних условий (температуры, концентрации компонентов), подчиняются правилу фаз (закону Гиббса), которое устанавливает зависимость между числом компонентов, числом фаз и числом степеней свободы системы.

Фазой называется однородная часть системы, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура сплава изменяются скачкообразно. Чаще всего, когда работают с металлами или сплавами, различают твердую или жидкую фазы.

Под числом степеней свободы (вариантность) системы понимают число внешних и внутренних факторов (температура, давление, концентрация), которое можно изменять без изменения числа фаз данной системы.

Правило фаз (закон Гиббса) для металлических систем при постоянном давлении выражается уравнением

С = К + 1 – Ф, (3.1)

где  С – число степени свободы системы;

К – число компонентов, образующих систему;

Ф – число фаз, находящихся в равновесии.

В процессе затвердевания чистого металла (К = 1, Ф = 2) – система нонвариантная (безвариантная), так как, согласно формуле (3.1), С = 0. Т.е. в системе нельзя произвольно изменять внешний фактор (температуру), не изменяя числа фаз и равновесия системы.

Чистый расплавленный металл (К = 1, Ф = 1) представляет моновариантную (одновариантную) систему с одной степенью свободы (С = 1). Сохраняя металл в жидком виде, можно в определенных пределах (выше точки плавления) изменять температуру, не изменяя числа фаз и равновесия системы.

Если двухкомпонентная система (сплав) находится в расплавленном состоянии (К = 2, Ф = 1), то имеем две степени свободы(С = 2), т.е. систему бивариантную (двухвариантную). В этом случае существуют различные температуры и концентрации компонентов, при которых не изменяется число фаз и равновесие системы. Для этой же системы при наличии двух фаз (жидкой, и твердой) имеем К = 2, Ф = 2 и С = 1, т.е. с изменением температуры концентрация должна быть строго определенной.