2.2.2. Образование химического соединения

Химические соединения и родственные им по природе фазы в металлических сплавах многообразны. Характерные особенности химических соединений, образованных по закону нормальной валентности, таковы:

а) Кристаллическая решётка отличается от решёток компонентов, образующих соединение.

б) В соединении всегда сохраняется простое кратное соотношение компонентов, что позволяет выразить состав простой формулой А_mB_n.

в) Свойства соединения резко отличаются от свойств образующих его компонентов.

г) Температура плавления (диссоциации) постоянная.

В отличие от твёрдых растворов химические соединения обычно образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решёток.

В качестве примера типичных химических соединений с нормальной валентностью можно назвать Mg₂Sn, Mg₂Pb, Mg₃Bi₂ и др.

Соединения одних металлов с другими называются интерметаллическими соединениями или интерметаллидами.

Большинство химических соединений, образующихся в металлических сплавах, отличаются по некоторым особенностям от типичных химических соединений, т.к. не подчиняются законам валентности и не имеют постоянного состава.

2.2.3. Образование механической смеси компонент

Механическая смесь образуется тогда, когда компоненты не способны к взаимному растворению и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. В этом случае сплав будет состоять из смеси зёрен компонентов, т.е. не будет однофазным, как твёрдый раствор или химическое соединение.

Механическая смесь может состоять из зерен разных чистых металлов; из зёрен разных твёрдых растворов; из зёрен металла и твёрдого раствора; из зёрен металла и химического соединения; из зёрен твёрдого раствора и химического соединения; из зёрен разных химических соединений.

2.3. Диаграмма состояния. Правило фаз

Процесс кристаллизации сплавов и связанные с ним многие закономерности строения сплавов описывают с помощью диаграмм состояния или диаграмм фазового равновесия.

Диаграмма состояния – это графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от его состава и температуры.

На практике ДС необходима при разработке технологии получения сплавов и термической обработки деталей из заданных сплавов.

Впервые теоретические основы для разработки ДС дал Дмитрий Константинович Чернов. Большой теоретический и практический вклад в изучение ДС внёс Николай Семёнович Курнаков со своими учениками.

В любой системе количество фаз, находящихся в равновесии, зависит от внутренних и внешних факторов. Закономерности всех изменений, происходящих в системе, подчинены общему закону равновесия, который называется правилом фаз или законом Гиббса.

Правило фаз выражает зависимость между числом степеней свободы С (или вариантностью), числом компонентов К и числом фаз Ф системы, находящихся в равновесии.

С = К – Ф + 2

Число 2 обозначает количество внешних факторов (температура и давление).

Для конденсированных (без учёта давления и паровой фазы) систем, какими являются почти все металлические системы, правило фаз записывается:

С = К – Ф + 1

Под числом степеней свободы системы понимают число внешних и внутренних факторов (температура, состав), которые можно изменять без изменения числа фаз в системе.

Если С = 2, то би- или дивариантная система; если С = 1 – моновариантная; если С = 0 (нонвариантная система), то данное число фаз будет находиться в равновесии только при строго определённой температуре и для строго определённого состава, и это число фаз будет максимальным для системы с данным числом компонентов. Его можно определить по формуле Ф = К + 1.

Правило фаз позволяет контролировать правильность построения ДС.