Розділ ііі Основи теорії сплавів

Тема 3.1. Основні поняття із теорії сплавів

1. Поняття про сплав.*

2. Структурні утворення: твердий розчин, механічна суміш, хімічна сполука, їх характеристики.*

3. Поняття про компонент, фазу, систему.**

4. Правило фаз.***

Сплав – речовина, що складається з двох або кількох елементів, що зберігає металічні властивості.

В рідкому стані більшість металів необмежено розчиняються один в одному.

В твердому стані елементи, з яких складається сплав, утворюють такі структурні утворення:

1) твердий розчин; 2) хімічна сполука; 3) механічна суміш.

Твердий розчин–фаза, в якій один з компонентів сплаву зберігає свою криста-лічну решітку, а атоми іншого розташовуються в ній, трохи змінюючи її розміри. Розрізняють тверді розчини заміщення (рис.3.1, а) – атоми розчиненого компонента заміщають частину атомів розчинника в його кристалічній решітці та тверді розчини проникнення (рис.3.1, б) – атоми розчиненого компонента розташовуються в пустотах між атомами розчинника (утворюються тоді, коли розміри атомів розчиненого елементу невеликі і мають близьку до розчинника будову валентної оболонки електронів). Тверді розчини можуть бути необмежені і обмежені. Розчинність елементів в твердому стані залежить від типу кристалічної решітки та її параметрів. Необмежену розчинність можуть мати елементи, у яких однаковий тип кристалічної решітки, атомні розміри відрізняються не більше, як на 8-15%, які належать до однієї групи або до споріднених груп в періодичній системі елементів. Наприклад, Ag i Au; Ni i Cu; Mo i W; V i Ti.

a) б) Рисунок 3.1. Твердий розчин заміщення (а) та твердий розчин проникнення (б).

Хімічні сполуки в сплавах утворюються, коли компоненти вступають в хімічну взаємодію. Кристалічна решітка і властивості хімічної сполуки значно відрізняються від решіток і властивостей її компонентів; утворення її супроводжується значним тепловим ефектом. Утворюється хімічна сполука при певному співвідношенні компонентів, які майже завжди значно відрізняються своїми кристалічними решітками і електронною будовою атомів.

Наприклад: Fe + C → Fe₃C

Cu + Al → CuAl₂

Mg + Sn → Mg₂Sn

Механічна суміш (рис.3.2) утворюється, коли компоненти сплаву не розчиняються один в одному і не вступають в хімічну взаємодію; представляє собою найдрібнішу суміш кристалів компонентів (кожен зберігає свій тип кристалічної решітки). Наприклад: Pb-Sb; Sn-Zn

Рисунок 3.2. Схема мікроструктури механічної суміші.

Компоненти – елементи, які утворюють сплав (метали, неметали, хімічні сполуки).

Фаза – однорідна частина системи (сплаву), відокремлена від інших частин поверхнею розділу.

Фазами можуть бути хімічні елементи, тверді і рідкі розчини, хімічні сполуки.

Система – сукупність речовин в твердому, рідкому і газоподібному стані (сукупність фаз), які знаходяться в рівновазі при певних умовах.

Правило фаз встановлює можливе число фаз і умови, за яких вони можуть існувати в даній системі.

Залежність між числом ступенів свободи, числом компонентів і числом фаз:

С = К + 2 – Ф,

де С – число ступенів свободи,

К – число компонентів, що утворюють систему,

2 – число зовнішніх факторів (температура, тиск),

Ф – число фаз, що знаходяться в рівновазі.

По відношенню до металів тиском можна знехтувати. Тоді рівняння приймає вигляд:

С = К + 1 – Ф

Розглянемо правило фаз для 1-компонентної системи.

1 На ділянці 0-1 існує одна фаза – рідина, тобто Ф=1, тоді С=1+1–1 =1 – за даних умов метал знаходиться в рідкому стані в певному інтервалі температур. 2 На ділянці 1-1’ відбувається кристалізація, в рівновазі існує дві фази – рідина і твердий метал, тоді С=1+1–2 =0 – перетворення відбувається при сталій температурі. 3 На ділянці 1’-2 існує одна фаза – твердий метал, тоді С=1+1–1 =1 – твердий метал може існувати в певному інтервалі температур.

Рисунок 3.3. Крива охолодження чистого металу.

Число ступенів свободи – це число незалежних факторів (температура, концентрація, тиск), які можна змінювати, зберігаючи число фаз, що знаходяться в рівновазі.