2. Основные положения теории сплавов

2.1. Виды сплавов

С незапамятных времен люди, совершенствуясь в обращении с металлами, сделали очень важное открытие: если расплавить два металла (или их руды) вместе и дать жидкой массе застыть, то получится новый сплав со свойствами, отличными от свойств исходного материала. Так были открыты древние бронзы – сплавы меди с оловом, свинцом, мышьяком. Орудия из бронзы намного превосходили медные и долго удерживали за собой пальму первенства. Но в третьем тысячелетии до нашей эры началось постепенное вытеснение бронз железом, которое было еще практичнее. Вначале его распространение сдерживалось исключительной дороговизной – железо ценилось буквально на вес золота. Открытие дешевых способов выплавки положило начало триумфальному шествию железа и особенно его сплавов, которое продолжается и по сей день.

Чистые металлы в технических устройствах используются крайне редко по причине их низких свойств. Последние можно существенно изменять в широком диапазоне с помощью добавки в них других элементов, т. е. путем создания сплавов. Такие добавки, иногда даже в незначительном количестве, кардинально изменяют свойства металлов. Например, чистый цирконий легко пропускает нейтроны. Поэтому из него изготавливают оболочки урановых стержней для реакторов. Однако, присутствие в цирконии гафния в количестве всего 0,02 % снижает нейтронную прозрачность в 6…7 раз. Добавки того же циркония в стали и бронзы повышает их тепло- и электропроводность до уровня меди.

Сплавом (в упрощенном понятии этого термина) называется вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. В настоящее время он имеет более широкое значение. Раньше материалы, содержащие несколько элементов, получали преимущественно путем сплавления. В настоящее время для этого используется много различных технологических способов: порошковая металлургия (прессование твердых частиц с последующим их спеканием при высоких температурах), диффузионный метод (проникновение одного вещества в другое твердое вещество при высоких температурах), плазменное напыление и др. Преимущественное использование в промышленности находят сплавы металлов с металлами или неметаллами. В сплавах элементы могут по-разному взаимодействовать между собой с образованием различных по химическому составу и строению кристаллических фаз.

Следовательно, фаза – это однородная часть сплава, имеющая определенный состав, свойства, тип кристаллической решетки и границу раздела, при переходе которой свойства скачкообразно изменяются (рис. 22).

Рис. 22. Виды систем сплавов: а – однофазная; б – трехфазная; в – двухфазная; – жидкий расплав; – кристаллы компонента А; – кристаллы компонента Б

Диффузия компонентов может происходить в жидком, твердом или газообразном состоянии. Как правило, металлические сплавы получают путем расплавления двух или нескольких компонентов с последующей кристаллизацией.

В зависимости от числа компонентов, сплавы могут быть двух-, трех- или многокомпонентными. Компоненты в сплаве, находящиеся в жидком виде, пребывают обычно в атомарном состоянии, образуя неограниченный раствор с одинаковыми химическими свойствами по всему объему (однофазная система).

В процессе кристаллизации атомы образуют твердый сплав, при этом взаимодействие между ними может быть различным (рис. 23).

Рис. 23. Виды сплавов

При образовании сплавов в виде механической смеси атомы каждого компонента формируют свои кристаллические решетки и образуют смесь кристаллов двух или нескольких чистых компонентов (рис. 24).

С

Рис. 24. Схема микроструктуры механичес­кой смеси: – кристаллы компонента А;   – кристаллы компонента Б

войства механических смесей зависят от количественного соотношения компонентов, раз­мера и формы зерен.

Твердые растворы являются системами однородными, имеют кристаллическую решетку элемента растворителя, то есть компонента, на основе которого формируется сплав, а атомы компонента растворимого или внедряются в решетку растворителя, или частично замещают его места. В первом случае образуется твердый раствор внедрения, а во втором – твердый раствор замещения.

Образование общей кристаллической решетки из атомов разных элементов, имеющих различные диаметры, ведет к искажению решетки, изменению энергетического состояния атомов. В этой связи свойства сплавов отличаются от свойств элементов, из которых они состоят.

В твердых растворах внедрения атомы растворенного элемента распределяются в решетке растворителя (рис. 25). Это возможно, если внедряемые атомы имеют малые размеры. Все твердые растворы внедрения обладают ограниченной растворимостью.

В

Рис. 25. Схема решетки твердого раствора внедрения: А – атом компонента растворителя; Б – атом компонента растворимого

Рис. 26. Схема искажений кристаллических решеток твердых растворов замещения: а – атом элемента растворимого меньше атомов элемента растворителя; б – атом элемента растворимого больше атомов растворителя

твердых растворах замещения атомы компонента растворимого зани­мают часть узлов в кристал­лической ре­шетке компонента растворителя. При образовании таких твердых растворов размеры решетки изменяются в зависимости от диаметров растворителя и растворенного элемента. Если атом раство­ренного элемента меньше атома раст­во­рителя (рис. 26, а) элементарная ячейка решетки уменьшается, если больше (рис. 26, б), то увеличивается.

Твердые растворы замещения могут быть неограниченными и ограниченными. В первом случае любое количество атомов одного элемента может быть замещено атомами другого, и если увеличивать его концентрацию все больше, то плавно совершится переход от одного элемента к другому через ряд сплавов. Такое явление возможно в том случае, когда оба металла имеют одинаковую кристаллическую решетку, несущественно отличающиеся радиусы атомов и свойства растворителя и растворимого.

Если у металлов с одинаковыми кристаллическими решетками атомные радиусы отличаются существенно, то это ведет к большому искажению решетки и накоплению в ней упругой энергии. Когда искажения достигают очень большой величины, решетка становится неустойчивой и наступает предел растворимости.

Твердые растворы вычитания образуются на основе химических соединений. В этом случае при кристаллизации формируется решетка химического соединения А_mB_n, а избыточное количество атомов одного из компонентов (например А) заменяет в решетке какое-то количество атомов компонента В. Возможно растворение в химическом соединении и третьего элемента С. В этом случае атомы компонента С заменяют в узлах решетки атомы компонентов А или В.

Иногда твердые растворы на основе химического соединения получаются путем образования пустых мест в узлах кристаллической решетки. Такие растворы называются твердыми растворами вычитания.

Твердые растворы внедрения и замещения обозначаются символами А(В), где А – компонент растворитель, а В – компонент растворимое. Например, ограниченный твердый раствор углерода в железе обозначается Fe(С). При кристаллизации такого раствора формируется решетка железа, а атомы углерода внедряются в эту решетку.

Химическое соединение – это однородная система, у которой кристаллическая решетка отличается от решеток формирующих ее компонентов.

При образовании химического соединения соотношение атомов элементов, его составляющих соответствует стехиометрической (от греч. Stoicheion элемент и …метрия) пропорции, то есть имеет место количественное соотношение между массами веществ, вступающих в химическую реакцию. В общем виде химическое соединение двух элементов можно обозначить простой формулой А_nВ_m.

Химическое соединение имеет определенную температуру плавления. Его свойства (изменяющиеся скачкообразно) резко отличаются от свойств входящих в него элементов.

В случае образования химического соединения только металлическими элементами образуется металлическая связь, а при образовании соединения металла с неметаллом – ионная.