1.2. Строение сплавов

Металлический сплав представляет собой сложный металл, состоящий из двух или более компонентов, среди которых по меньшей мере один является металлом. В зависимости от коли­чества компонентов сплав называют двойным, тройным или слож­ным.

Сплавы получают, как показывает само название, сплавле­нием компонентов. Этот способ основной, но не единственный. Широкое распространение получил электрохимический метод получения сплавов, который заклю­чается в катодном соосаждении компонентов сплава при элект­ролизе солевой системы из водного раствора или расплава. Наконец, сплавы можно получать методами спекания или возгонки.

Сплавы классифицируют с точки зрения типа связи между компонентами на твердые растворы, химические соединения и сплавы - механические смеси.

1.2.1. Правило фаз

Состояние любого сплава при интересующих нас условиях определяется, как известно, диаграммами состояния, или диа­граммами фазового равновесия. Диаграмма состояния строит­ся чаще всего опытным путем по кривым охлаждения темпера­тура - время для сплава ряда концентраций, а также для чистых компонентов, образующих сплав. Важным условием построения диаграммы состояния является требование термо­динамического равновесия системы, хотя применительно к ре­альным металлическим сплавам это условие далеко не всегда технически выполнимо.

Закономерности сосуществования фаз в состоянии равнове­сия выражаются правилом фаз Гиббса. Рассматривая правило фаз применительно к металлическим сплавам, уточним некоторые термины.

Фаза - однородная часть системы, отделенная от других фаз поверхностью раздела.

Компонент - вещество, образующее систему. В сплавах компонентами обычно являются элементы.

Число степеней свободы (вариантность) — число внутренних и внешних факторов (концентрация, темпе­ратура, давление), которое можно изменять без изменения чис­ла фаз в системе. Для сплавов переменными факторами явля­ются только концентрация и температура, так как давление (атмосферное) при превращениях можно считать величиной постоянной.

Поэтому для сплавов правило фаз имеет вид

С = К - Ф + 1.

Если система имеет две степени свободы, то она называется бивариантной, при одной степени свободы - моновариантной, при отсутствии степеней свободы - система нонвариантна. Так, чистый металл в расплавленном состоянии представляет моно­вариантную систему, а в процессе кристаллизации — нонвариантную.

1.2.2. Сплав - механическая смесь

Механические смеси в общем случае образуются тогда, ког­да решетки и свойства компонентов не настолько близки, что­бы образовать твердый раствор, но и не так далеки, чтобы дать химическое соединение.

Сплавы — смеси многофазные и могут состоять не только из чистых компонентов, но и из комбинаций чистых компонен­тов, твердых растворов и химических соединений.

Общий вид диаграммы состояния сплава - смеси дан на рис. 11. Выше линии ликвидуса АСВ сплав находится в жидком состоянии, по линии ликвидуса начинается кристаллиза­ция сплава, которая заканчивается по линии солидуса DЕ, ниже линии солидуса сплав твердый.

Рис. 11. Диаграмма состояния сплава - механической смеси и схема фазовых превращений в сплаве составов с₁ и с₃

При охлаждении жидкого сплава состава с₁ кристаллизация, протекает в интервале температуры t_a - t_э. В точке а начинает кристаллизоваться чистый компонент А. При достижении точ­ки b происходит одновременная кристаллизация оставшихся в жидкой фазе компонентов А и В. Это фазовое превращение схематично показано на рис. 11, который иллюстрирует переход сплава из состояния, отвечающего фигуративной точке k, к состоянию в точке b.

При концентрации с₂ весь жидкий металл кристаллизуется в точке C при температуре t_э. При этом образуется равномер­ная смесь кристаллов А и В, называемая эвтектикой. Сплавы, расположенные по составу левее концентрации с₂, называются доэвтектическими и состоят из двух структурных составляющих - эвтектики и избыточной фазы А. Сплавы правее концент­рации с₂ — заэвтектические, в них избыточной фазой является компонент В. Так, структура сплава с₃ выглядит похожей на структуру сплава c₁ (см. схему фазовых превращений на рис. 11): на фоне пестрой эвтектической смеси А + В мы видим темную избыточную фазу — чистый компонент В. Следует подчеркнуть, что в любом из трех разобранных случаев в результате кристаллизации образуется двухфазная систе­ма - сумма компонентов А+В.

По правилу фаз бивариантной системой является жидкий металл Ж. В области АСD и СВЕ равновесие моновариантно, а произвольно меняться может только температура. На линии эвтектики система трехфазна (Ж+А + В), а равнове­сие, следовательно, нонвариантно. Ниже линии эвтек­тики система снова стано­вится моновариантной.

В процессе кристаллиза­ции сплава изменяется не только число фаз, но и их весовое количество, а также концентрация компонентов в фазах. То и другое в об­ласти двухфазной системы можно определить с по­мощью правила отрезков. Рассмотрим количественно состояние сплава исходного состава (рис. 12) в точке К. Для этого проведем горизонталь — ноду до пересечения с линиями превращения. Проекция точек пересечения на ось абсцисс даст концентрацию компонентов в каждой из фаз.

Рис. 12. Определение количественного соотношения фаз и состава фаз в сплаве с помощью правила отрезков

Так, из рисунка видно, что твердая фаза содержит 0% В - кристаллизуется чистый металл А. Состав жидкой фазы соответствует точке C.

Нетрудно видеть, что по мере охлаждения жидкая фаза обогащается компонентом В (C → C₁), пока не достигнет в точке К₂ предельной концентрации C₂. Другими словами, состав жид­кой фазы при кристаллизации меняется по точкам кривой bb₂, спроектированным на ось концентрации.

Массовое количество каждой из фаз в точке К будет обратно пропорционально отрезкам ноды, обращенным к фазам. Если Q_A, Q_ж – массовые количества фаз и Q₀ - общее количество сплава, то

, и .

Из рис. 12 видно, что предельно малое количество жид­кой фазы в моновариантном сплаве с_к равно

.

Именно это количество жидкого металла перейдет в эвтек­тику. Следовательно, с помощью правила отрезков, зная состав сплава, можно определить соотношение структурных составля­ющих (эвтектики и избыточной фазы).

Пользуясь несложным расчетом от обратного, можно ре­шить и более важную задачу: по структуре сплава (зная соот­ношение эвтектики и избыточной фазы) определить его при­мерный состав.

Диаграмму рассмотренного типа имеют системы свинец - сурьма, олово – висмут, олово - свинец и другие.