6. Основы теории сплавов.

6.1. Общие сведения (терминология).

Чистые металлы обладают низкой прочностью и не обеспечивают требуемых физико-механических и технологических свойств. Поэтому их применение в технике в качестве конструкционных материалов ограничено. Наиболее широко применяют сплавы, которые обладают по сравнению с чистыми металлами более высокой прочностью и твердостью.

Сплавы — это вещества, получаемые сплавлением или спеканием двух или более компонентов. Компоненты – простые вещества (часто это химические элементы), образующие сплав. Сплавы могут состоять только из металлов (например, латуни – это сплавы двух металлов меди и цинка) или металлов и неметаллов (так, наиболее распространенные в технике материалы - стали и чугуны – это сплавы железа и углерода).

Строение металлического сплава более сложное, чем у чистого металла.

Для рассмотрения строения, превращений и свойств металлов и сплавов введем понятие «фаза» и «структура».

Фазой называется однородная часть сплава, находящаяся в одном агрегатном состоянии, обладающая одинаковым химическим составом, строением, свойствами и имеющая границы раздела с другими частями сплава.

Под структурой понимается строение металла, т.е. количество фаз, их форма и размер, а также взаимное расположение.

6.2. Типы сплавов.

В процессе кристаллизации могут образовываться следующие типы сплавов: твердые растворы, химические соединения, смеси. Структура реальных сплавов может быть однофазной, фаза – твердый раствор (например, сплав меди и цинка, при его содержании менее 39%); двухфазной – структура смесь (например, сплав свинца и сурьмы, при ее содержании, равном 13%). Сплавы могут иметь также более сложную структуру, состоящую из твердого раствора, смеси, химического соединения (например, стали и чугуны).

При образовании сплавов типа «твердый раствор» один компонент - растворитель сохраняет свою кристаллическую решетку, а другой - растворимый отдает свои атомы в кристаллическую решетку растворителя. Таким образом, сплавы этого типа однофазны, они имеют кристаллическую решетку растворителя. Атомы компонентов в сплавах расположены неупорядоченно.

Атомы растворимого компонента могут замещать атомы растворителя в кристаллической решетке, образуя твердый раствор замещения или размещаться между атомами растворителя в его кристаллической решетке, образуя твердый раствор внедрения (рис. 6.1).

Твердые растворы замещения образуют металлы, расположенные рядом в Периодической системе элементов. По взаимной растворимости различают твердые растворы с неограниченной и ограниченной растворимостью компонентов. В твердых растворах с неограниченной растворимостью компонентов возможна любая концентрация растворимого компонента (вплоть до 100%).

Твердые растворы замещения образуются при следующих условиях:

1. компоненты принадлежат одной или смежным группам Периодической системы элементов;

2. кристаллические решетки компонентов должны быть одного типа;

3. различие атомных радиусов компонентов небольшое:

- при их разнице 8…10% могут образовываться твердые растворы с неограниченной растворимостью,

- при большей разнице (до 15…17%) – твердые растворы с ограниченной растворимостью компонентов.

Твердые растворы внедрения образуются при условии, что атомный радиус растворимого компонента (r) заметно меньше, чем растворителя (R) - r£0,6R. Только в этом случае атом растворимого компонента может расположиться между атомами растворителя, внедряясь в его кристаллическую ячейку. Такие твердые растворы возникают между металлами и неметаллами - элементами I и II периодов Периодической системы, имеющими малые атомные радиусы (Н, N, C, B).

Твердые растворы близки по свойствам к металлу растворителю. Они, как правило, пластичны, хорошо деформируются.

Твердые растворы обозначают буквами греческого алфавита: a, b, g и т.д.

Химические соединения образуют элементы, расположенные в Периодической системе элементов далеко друг от друга. Для сплавов этого типа характерно следующее:

1. кристаллическая решетка химического соединения отлична от кристаллических решеток образующих его компонентов;

2. свойства химического соединения резко отличаются от свойств компонентов, которые его образовали;

3. атомы в кристаллической решетке химического соединения расположены упорядоченно;

4. состав химического соединения можно описать стехиометрической формулой А_mB_n, где m и n – взаимно простые целые числа (например, Al₂O₃, Fe₃O₄)

5. химические соединения имеют высокую твердость и хрупкость.

Названия химических соединений типа «металл – неметалл» определяет неметаллический материал. Например, нитриды - соединения металлов с азотом; карбиды с углеродом; оксиды с кислородом и т.д.

Смеси образуют компоненты, которые не растворяются друг в друге в твердом состоянии, а также не способны к химическому взаимодействию с образованием химического соединения. В сплавах типа смесь каждый компонент сохраняет свою кристаллическую решетку. Структура смеси гетерогенная (неоднородная), состоит из нескольких фаз. Механические свойства смесей зависят от количественного соотношения компонентов, а также от размеров и формы фаз. Смеси могут образовываться как компонентами, так и более сложными фазами – например, смесь двух твердых растворов или твердого раствора и химического соединения.