Глава X

ОБЩИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ. СПЛАВЫ

В жидком состоянии большинство металлов растворяются друг в

друге и образуют однородный жидкий сплав. В процессе кристаллизации

жидкого сплава различные металлы ведут себя по-разному.

Можно выделить три основных случая:

1. Сплав представляет собой механическую смесь кристаллов

каждого из компонентов сплава.

2. Сплав представляет собой химическое соединение, образующееся

в результате взаимодействия сплавляемых металлов.

3. Сплав представляет собой однородную фазу переменного состава,

называемую твердым раствором.

Природу сплавов чаще всего устанавливают на основании изучения

диаграмм состояния (фазовых диаграмм), которые показывают,

какие фазы могут Существовать при данных условиях. На диаграммах

состояния по оси ординат откладывают температуру, а по оси

абсцисс — состав сплава.

Если два металла М и N не образуют при сплавлении химических

соединений, то диаграмма состояния имеет в общем случае

вид, изображенный на рис. 7. Точка а показывает температуру

плавления чистого металла М. По мере прибавления к нему металла

N температура плавления вначале понижается, а затем, при

дальнейшем увеличении содержания металла N в сплаве, снова

растет, пока не достигнет точки 6, соответствующей температуре

плавления чистого металла N. Кривая аЬс показывает, что из всех

сплавов, образуемых металлами М и N, самую низкую температуру

плавления имеет сплав, состав которого соответствует точке с

(в данном случае он содержит 37% металла N и, следовательно,

63% металла М). Сплав с самой низкой температурой плавления

называется эвтектикой.

При охлаждении жидкого сплава, имеющего иной состав, чем

эвтектика, из него будет выделяться в виде твердой фазы тот

металл, содержание которого в сплаве превышает его содержание

в эвтектике. Например, при охлаждении сплава, содержащего

70% металла N, вначале будет выделяться металл N. По мере

его выделения температура кристаллизации будет понижаться, а

состав остающейся жидкой части сплава постепенно будет приближаться

к эвтектике. Когда состав жидкой части сплава достигнет

состава эвтектики, а температура — эвтектической температуры,

вся жидкая часть сплава затвердеет, образовав смесь мельчайших

кристаллов обоих металлов.

Содержание металла N, Содержание металла IN,

% (масс.) % (масс.)

Рис. 7. Диаграмма состо- Рис. 8. Диаграмма состояния

системы из двух яния системы из двух

металлов, не образующих металлов, образующих

химических соединений и одно химическое соеди-

твердых растворов. нение.

Если сплавляемые металлы образуют химическое соединение,

то диаграмма состояния имеет характер, показанный на рис. 8.

Здесь две эвтектические точки:- с\ и с2. Максимум (точка d) соответствует

температуре плавления химического соединения, образуемого

металлами М и N, а точка е на оси абсцисс указывает его

состав.

Таким образом, диаграмма состояния системы с химическим

соединением как бы составлена из двух диаграмм первого типа.

Если компоненты образуют между собой два или более химических

соединения, то диаграмма как бы составлена из трех,

четырех и более диаграмм первого

типа.

На рис. 9 приведен пример простейшей

диаграммы состояния сплава,

компоненты которого образуют

твердые растворы (случай неограниченной

взаимной растворимости).

ТОЧКИ а И Ъ Показывают темпе- Содержание металла IN, % (лосе.J

р а т у р ы плавления ЧИСТЫХ метал- Рис. 9. Диаграмма состояния си-

ЛОВ. Вид кривых плавления (НИЖ- стемы из двух металлов, образу-

НЯЯ к р и в а я ) И з а т в е р д е в а н и я (верх- ющих непрерывный ряд твердых

няя кривая) обусловлен . тем, что растворов.

выделяющиеся при охлаждении расплава кристаллы содержат оба

компонента. Области I на диаграмме состояния отвечает расплав,

области II — сосуществование расплава и кристаллов твердого

раствора, области III — твердый раствор.

Диаграммы состояния позволяют решать ряд вопросов, касающихся

природы сплавов: устанавливать строение сплавов; число и

состав соединений, образуемых сплавляемыми металлами; состав

эвтектики и др.

Пример 1. Имеется 400 г сплава олова со свинцом, содержащего (по массе)

30% олова и 70% свинца. Какой из этих металлов и в каком количестве находится

в сплаве в виде кристаллов, вкрапленных в эвтектику, если последняя содержит

64% (масс.) олова и 36% (масс.) свинца?

Р е ш е н и е . Вычислим массу каждого из металлов 400 г сплава:

400 • 0,30 = 120 г (олова); 400 • 0,70 = 280 г (свинца).

Поскольку процентное содержание олова в сплаве меньше, чем его содержание

в эвтектике, то, очевидно, что все олово входит в состав эвтектики. Исходя из

этого, определяем массу эвтектики:

120 : х = 64 : 100; х = 120 • 100/64 = 187,5 г.

Остальная часть сплава представляет собой кристаллы свинца, вкрапленные в

эвтектику. Масса их равна: 400 — 187,5 = 212,5 г.

Пример 2. При сплавлении олова с магнием образуется интерметаллическое

соединение Mg2Sn. В какой пропорции нужно сплавить указанные металлы, чтобы

полученный сплав содержал 20% (масс.) свободного магния?

Р е ш е н и е . Определяем процентное (по массе) содержание магния и олова в

Mg2Sn. Получаем: 28,7% магния и 71,3% олова.

Согласно условию задачи, в 100 г сплава должно содержаться 20 г магния и

80 г Mg2Sn. Вычисляем, сколько граммов каждого из металлов входит в состав

80 г Mg2Sn:

80 • 0,287 = 23 г Mg; 80 • 0,713 = 57 г Sn..

Следовательно, для приготовления 100 г сплава указанного в задаче состава

на 57 г олова надо взять 23 + 20 = 43 г магния, т. е. олово и магний должны быть

взяты в отношении 57:43.

З а д а ч и

757. Чем обусловлена общность физических свойств металлов?

Охарактеризовать эти свойства.

758. На основе метода молекулярных орбиталей (МО) объяснить

особенности строения металлов в кристаллическом состоянии.

759. Указать важнейшие способы добывания металлов из руд.

760. Пользуясь данными табл. 5 приложения, определить, какая

из приведенных ниже реакций может происходить при стандартных

условиях:

W 0 3 (к.) + 3 С О (г.) = W (к.) + 3 С 0 2 (г.);

W 0 3 (к.) + 3 С (графит) = W (к.) + 3 С О (г.);

W03 (к.) + ЗСа (к.) = W (к.) + ЗСаО (к.).

761. Возможно ли получение металлического титана по реакции:

Ti С14 (ж.) + 2 Mg (к.) = Ti (к.) + 2 MgС12 (к.).

Ответ подтвердить расчетом AG^gg.

762. По диаграмме плавкости системы Cd — Bi (рис. 10) определить,

какой из металлов и при какой температуре начнет выделяться

первым при охлаждении жидких сплавов, содержащих:

а) 20% Bi; б) 60% Bi; в) 70% Bi?

Рис. 10. Диаграмма состо- Рис. 11. Диаграмма состоя-

яния системы Cd — Bi. ния системы Mg — Sb.

763. Какой металл будет выделяться при охлаждении жидкого

сплава меди и алюминия, содержащего 25% (масс.) меди, если эвтектика

включает 32,5% (масс.) меди? Какую массу этого металла

можно выделить из 200 г сплава?

764. Сплав олова со свинцом содержит 73% (масс.) олова. Найти

массу эвтектики в 1 кг твердого сплава, если эвтектика включает

64% (масс.) олова?

765. Серебряные монеты обычно чеканят

из сплава, состоящего из равных

масс меди и серебра. Сколько граммов

меди находится в 200 г такого сплава

в виде кристаллов, вкрапленных в эвтектику,

если последняя содержит 28%

(масс.) меди?

766. По диаграмме плавкости системы

Mg — Sb (рис. 11) установить формулу

интерметаллического соединения, образуемого

этими металлами. Каков будет

состав твердой фазы, которая выделяется

первой при охлаждении жидкого

сплава, содержащего 60% (масс.) сурьмы?

Что будет представлять собой за- Рис- 12- Диаграмма состоя-

твердевший СПлав? ния системы Си — Mg.

767. По диаграмме плавкости системы Си — Mg (рис 12) найти

формулы интерметаллических соединений, образуемых этими

металлами.

768. При сплавлении магния и свинца образуется интерметаллическое

соединение, содержащее 81% (масс.) свинца. Установить

формулу соединения и рассчитать, сколько граммов этого соединения

находится в 1 кг сплава, образованного равными массами

магния и свинца.