1. Фазовый состав сплавов

      Чистые металлы после кристаллизации всегда состоят из кристаллитов одного типа, т.е. из зерен одинакового химического состава. Совокупность зерен (кристаллитов) одинакового химического состава называется фазой. Все чистые металлы являются однофазными.

       В отличие от чистых металлов процесс образования сплавов намного сложнее. Результат кристаллизации редко бывает однозначным, поскольку  определяется несколькими факторами: взаимной растворимостью компонент, условиями охлаждения, последующей термообработкой. Если сплав состоит из зерен одного химического состава, то он является однофазным (гомогенным). Если образуются кристаллы разного химического состава, то сплав считается многофазным (гетерогенным), а разновидности образующихся кристаллов определяют его фазовый состав.

        Зерна разных фаз могут по-разному сосуществовать друг с другом. Невооруженным глазом зёренное строение не видно, оно доступно только при  микроскопическом исследовании полированных, предварительно протравленных шлифов. Строение сплава, наблюдаемое через микроскоп, называется микроструктурой (на практике очень часто говорят просто «структура»). 

     Участки микроструктуры, которые одинаково выглядят при рассмотрении через микроскоп, называются структурными составляющими. Они имеют однообразную форму, дисперсность (размеры) и взаимное расположение зерен. Структурные составляющие могут состоять из а) кристаллов одной фазы  или б) из смеси зерен нескольких фаз.

     Свойства сплавов определяются их микроструктурой, т.е. видом и составом структурных составляющих, которые, в свою очередь, определяются фазовым составом.

Возможные фазы в сплавах

         Твердый раствор

     Твердые растворы составляют основу большинства промышленных сплавов. Например, стали – многокомпонентные твердые растворы на основе железа, латуни и бронзы - твердые растворы на основе меди.

   Твердый раствор это кристаллическое образование, состоящее из атомов разного сорта, которые обровали общую кристаллическую решетку. Важно, что эта решетка того же типа,  что и решетка основного металла (растворителя), хотя имеет искажения, степень которых возрастает с увеличением доли растворенной компоненты. Свойства твердого раствора изменяются по отношению к свойствам основного металла пропорционально доле атомов, вошедших в раствор. В частности,  увеличивается прочность. По этой причине сплавы на основе твердого раствора всегда прочнее "базового" металла. Такой "металлургический" способ упрочнения называют растворным упрочнением.

      По степени концентрации растворенной компоненты твердый раствор может быть ненасыщенным, насыщенным и пересыщенным.   

     Чаще всего растворимость одного металла в другом не только ограничена, но и зависит от температуры. Например, максимальная растворимость хрома в меди при 1072^оС составляет 0.65%, а при 400^оС только 0.05%.  Если концентрация хрома в сплаве меньше 0.05%, то всегда образуются кристаллы ненасыщенного твердого раствора.

     При большей концентрации возможны варианты. Медленное охлаждение приведет к тому, что при комнатной температуре будут существовать кристаллы насыщенного твердого раствора с предельной концентрацией хрома 0.05%, а остальная часть хрома выделится в виде избыточных кристаллов хрома. При быстром же охлаждении (закалка) образуются зерна пересыщенного твердого раствора (с концентрацией хрома выше предельной). Кристаллы пересыщенного раствора содержат больше растворенной компоненты, чем кристаллы насыщенного раствора. Поэтому закаленный сплав имеет большую прочность, чем медленно охлажденный (при этом уровень плостичность сохраняется).

     Ненасыщенный раствор устойчив к изменениям температуры, являясь стабильной фазой. Пересыщенный раствор является метастабильной, т.е. неустойчивой фазой. При определенных условиях он распадается на насыщенный раствор и избыточные кристаллы растворенной компоненты (или химического соединения, образованного компонентами сплава). Этот процесс лежит в основе термоупрочнения сплавов с переменной растворимостью.

     Некоторые пары металлов (Cu-Ni, Au-Ag) растворяются друг в друге в любых соотношениях, их растворимость является неограниченной и они всегда образуют  ненасыщенные твердые растворы.

      Твердый раствор, образованный основным металлом сплава,  называется α-твердым раствором (α-фаза).   В многокомпонентных  сплавах в α-раствор могут входить не одна, а несколько компонент. Обычно введение одной компоненты изменяет растворимость другой.         

     Твердый раствор может образоваться и на основе легирующей компоненты. Например, в бронзе БрАЖ9-4, кроме α-раствора на основе меди, имеется γ_Fe – твердый раствор на основе железа.

      Кроме этого твердые растворы могут образоваться на основе некоторых химических соединений. Они имеют обозначения β, δ, ε – фазы.

           По характеру распределения атомов растворенной компоненты различают неупорядоченные и упорядоченные твердые растворы.

    Если атомы растворенной компоненты распределяются в решетке растворителя случайным образом, то такой твердый раствор является неупорядоченным. Если же они занимают в решетке строго определенные места, то такой раствор является упорядоченным. При его упорядочении тип кристаллической решетки не меняется, но свойства меняются скачком.

     Большинство твердых растворов являются неупорядоченными. Примером упорядоченного раствора является β – фаза в латуни при температуре ниже 460^оС (выше 460^оС раствор является неупорядоченным).