Структурные составляющие сплавов

Структурная составляющая сплава — обособленная часть сплава, имеющая одинаковое строение, с присущими ей характерными особенностями.

1. Химическое соединение

Цементит (Ц) — химическое соединение железа с углеродом, содержание углерода = 6,67%

3Fe+C→Fe₃C (карбид железа)

Цементит обладает низкой пластичностью и высокой твёрдостью, хрупкий.

2. Твёрдый раствор

Твёрдыми растворами называются фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решётку, а атомы других компонентов располагаются в решётке первого компонента, изменяя её размеры.

Феррит (Ф) — твёрдый раствор углерода в α-железе.

Содержание углерода до 0,02 %.

Составляющая стали, имеющая минимальную прочность, но максимальную деформативность

Аустенит (А) — твёрдый раствор углерода в γ-железе.

Содержание углерода до 2,14 %.

Обладает высокой пластичностью, низким пределом прочности при растяжении.

3. Механические смеси

Перлит (П) — высоко дисперсная эвтектоидная смесь феррита и цементита.

Содержание углерода = 0,8 %.

Ледебурит (Л) — эвтектическая смесь аустенита и цементита.

Содержание углерода 4,3 %.

Механические смеси образуются путем срастания кристаллов между собой при раздельной кристаллизации компонентов. В механической смеси каждый из компонентов сохраняет свои специфические свойства. Структура сплава в этом случае будет состоять из кристаллов веществ А и Б, связь между которыми осуществляется по границам зерен. Значения свойств сплава могут быть средними между свойствами элементов, которые его образуют.

Твердые растворы (рис. 5) образуются в результате проникновения в кристаллическую решетку основного металла атомов другого металла или неметалла. В зависимости от характера размещения атомов различают твердые растворы замещения и внедрения. При образовании твердого раствора замещения атомы одного из компонентов, например Б, частично замещают атомы компонента А в узлах его кристаллической решетки. Твердый раствор внедрения образуется, когда атомы одного из компонентов размещаются в междоузлиях кристаллической решетки другого (рис. 5.в). Твердые растворы замещения могут образоваться при совместной кристаллизации металлов, а твердые растворы внедрения – при совместной кристаллизации металла с неметаллом. Твердые растворы принято обозначать буквами греческого алфавита , , и т.п.

В растворе внедрения атомы растворимого элемента внедряются между атомами металла, искажая его решетку. К таким элементам относятся – углерод, водород, азот, бор и другие, концентрация которых в твердом растворе может составлять 1-2%. В растворе замещения атомы растворимого элемента занимают места атомов растворителя в кристаллической решетке. При этом размеры атомов основного металла и примеси должны отличаться не более чем на 15%. Например, хорошо замещаются атомы Fe и Cr, Cu и Ni, Ti и V и т.д.

Рис. 5. Схема твердого раствора:

а – замещения неупорядоченного; б – замещения упорядоченного; в – внедрения

Химические соединения образуются в результате химического взаимодействия компонентов, при этом атомы располагаются в строгом порядке и количественном соотношении. Например, в сплавах железа с углеродом образуется карбид железа, называемый цементитом: 3FeC+C=Fe C. В сплавах алюминия с медью образуется интерметаллическое соединение CuAl . Как Fe C так и CuAl - твердые, прочные, но очень хрупкие вещества. Наличие их в сплаве ведет к его упрочнению с одновременным понижением пластичности и ударной вязкости.