1.2.4. Сплав - химическое соединение

Этот тип сплавов характеризуется во всех случаях опреде­ленным химическим составом и дает упорядоченную решетку замещения (рис. 13, в). Химические соединения по сравнению с твердыми растворами обладают, как правило, повышенной твердостью и хрупкостью. Они образуются, если химические свойства, параметры решеток, природа компонентов имеют достаточно большие различия.

Далеко не всегда химические соединения образуются по за­конам валентности, которые соблюдены в таких соединениях, как FеО, Cu₃Р, Мg₂Si. Так называемые электронные соедине­ния (или фазы Юм - Розери) имеют лишь определенное соотно­шение числа валентных электронов к числу атомов z/n. Так, сплавы CuZn, АlСu₃, Сu₅Sn имеют отношение 3/2 и решетку объемноцентрированного куба, сплавы CuZn₃, Cu₃Sn - отноше­ние 7/4 и гексагональную решетку. Эти сплавы имеют не вполне упорядоченную решетку замещения.

Соединения с фазами внедрения не подчиняются ни прави­лу валентности, ни правилу образования фаз Юм - Розери. Сое­динения этого типа образуют большую группу карбидов (Fе₃С, ТiС, NbС, WС и др.) и нитридов (ТiN, ZrN, WN и др.).

Если компоненты системы образуют химическое соедине­ние, его составу будет соответствовать максимум на диаграм­ме состояния и вертикальная линия превращения. Химическое соединение, устойчивое в ин­тервале температуры от ком­натной до температуры плав­ления, играет роль самостоя­тельного компонента и спо­собно давать диаграммы со­стояния любого типа.

В качестве примера на рис. 17 дана диаграмма со­стояния системы А—В с хи­мическим соединением со­става А_mВ_n. Диаграмма по существу состоит из двух си­стем: А - А_mВ_n с образова­нием механической смеси с эвтектикой и А_mВ_n - В, об­разующей твердый раствор с неограниченной раствори­мостью компонентов.

Рис. 17. Диаграмма состояния си­стемы А-В с химическим соедине­нием А_mВ_n

Важно отметить, что химические соединения, как тела кри­сталлические, дают структуру, по существу не отличающуюся от структуры чистого металла.

1.2.5. Тройные сплавы

При построении диаграммы состояния тройной системы приходится иметь дело с тремя переменными - температурой и концентрациями двух компонентов А и В (концентрация третьего компонента выражена формулой С=100 – А - В). Следовательно, такая диаграмма должна быть пространствен­ной.

Существует не одна система графического построения диаг­раммы. Идея каждой из них заключается в том, что на поверх­ности геометрической фигуры (пря­моугольный треугольник, равносто­ронний треугольник) строятся точ­ки, отвечающие тому или иному сос­таву сплава, а на перпендикулярах к поверхности откладываются значе­ния температуры того или иного фа­зового превращения в сплаве. Гео­метрическое место точек образует соответствующую поверхность раз­дела областей превращения. Наиболее распространенный метод использует в качестве основания равносторонний треугольник, который называется концентрационным (рис.18).

Рис. 18. Концентрационный равносторонний треугольник

Каждая из вершин треугольника отвечает чистым компонентам А, В и С. Точки, лежащие на сто­ронах треугольника, соответствуют частным случаям двухкомпонентных систем А - В, В - С или А - С. Точки, лежащие внут­ри треугольника, обозначают состав тройного сплава.

Для определения концентрации компонентов за 100% при­нимают высоту треугольника. Если теперь из данной фигура­тивной точки опустить перпендикуляр на каждую из сторон, то концентрация каждого из компонентов определится как длина перпендикуляра, опущенного на противоположную по отноше­нию к определяемому компоненту сторону. Этот прием основан на теореме, согласно которой в равностороннем треугольнике сумма перпендикуляров, опущенных из любой точки на его стороны, равна высоте треугольника.

Диаграммы состояния тройных сплавов весьма сложны и в построении, и в изучении. Простейшая диаграмма состояния сплава - твердого раствора с неограниченной взаимной раст­воримостью компонентов показана на рис. 22. Из рисунка видно, что сферические поверхности ликвидуса и солидуса имеют переменную кривизну. Найти точку начала и конца кристалли­зации сплава произвольного состава при этом весьма трудно. Поэтому для практического использования строят плоскостные диаграммы. Для этого на концентрационный треугольник на­носят проекции изотермических сечений плоскостей ликвидуса и солидуса. На рис. 19 показан принцип построения таких изо­терм. Линия a₁b₁ - проекция изо­термы ликвидуса ab при t₁; линия с₁d₁ - проекция изотермы ликви­дуса cd при t₂.

Рис. 19. Объемная диаграмма состояния тройного сплава твердого раствора с неограниченной растворимостью компонентов

Изучение тройных и более сложных систем позволяет ре­шать важные практические зада­чи. В частности, именно благо­даря изучению диаграмм состоя­ния удалось раскрыть секрет лег­коплавких сплавов.

Так, тройной сплав Розе (50% висмута, 31% свинца и 19% олова) плавится при 95°С, хотя компоненты име­ют температуру плавления соот­ветственно 271, 327 и 232°С, Ока­залось, что этому составу отвеча­ет эвтектический сплав системы, образующей механическую смесь. Незначительный сдвиг состава уводит от эвтектической температурой точки, и температура плавления резко возрастает.