Розділ II. СПЛАВИ
2.1. Кристалізація сплавів. Типи сплавів
Металічним сплавом називається складна речовина, отримана сплавленням (або спіканням) декількох металів або металів з неметалами (металоїдами). Сплав можна отримати дифузійним методом, тобто в метал впроваджують атоми якоїсь речовини. З часом, при створенні відповідних умов, вони дифундують у глибину металу. На практиці частіше всього використовують сплави, отримані методом розплаву.
Елементи, які входять до складу сплаву, називають компонентами. Сплави можуть бути двокомпонентні і більше. Однак теорія багатокомпонентних сплавів складна, тому далі будемо розглядати тільки двокомпонентні сплави.
Однорідну частину системи, яка має чітку границю, при переході через яку різко змінюються властивості, називають фазою. Сукупність фаз, які знаходяться в рівновазі при певних зовнішніх умовах (тиску, температурі), називають системою. Наприклад, розплавлений метал є однофазною системою. Видиме взаємне розташування фаз, їх форма і розміри визначають поняття структура сплаву.
Металічних сплавів можна створити багато, тому що більшість відомих хімічних елементів є металами. Навіть якщо створювати сплави тільки з їх комбінації, то вже буде значне число сплавів.
У зв’язку з різноманітністю компонентів виникає багато запитань. Наприклад, як будуть вести себе компоненти, якщо їх розплавити та змішати між собою? Можливо, що вони необмежено розчинятимуться один в іншому, або буде неповна розчинність, чи-то не розчиняться один в іншому зовсім.
Виявляється, що більшість металів в розплавленому стані розчиняється один в одному в будь-яких співвідношеннях. В однорідному розчині атоми компонента В рівномірно розподіляються серед атомів металу А – розчинника. Лише деякі метали розчиняються в рідкому стані обмежено. І тільки дуже обмежена кількість металів із-за великої різниці в розмірах атомів не розчиняються один в іншому в рідкому стані.
Як же будуть вести себе компоненти при кристалізації сплаву? Як вона буде протікати? Кристалізація сплавів відбувається по такому ж механізму, як і металів. Хоча в процесах кристалізації є й відмінне. Так, кристалізація металів відбувається при постійній температурі, а сплавів – в певному інтервалі температур. Наприклад, залізо затвердіває при температурі 1539°С, а сталь 45 починає кристалізуватися при температурі близько 1500°С і закінчує при 1400°С . Із зниженням температури кількість твердої фази росте. Щоб знайти співвідношення між фазами, можна застосувати так зване правило відрізків, яке буде розглянуте далі.
Другою відмінністю є те, що метали при затвердінні залишаються однофазними, а сплави можуть утворити твердий розчин, або механічну суміш, чи-то хімічну сполуку. Тверді розчини утворюються в результаті переходу в твердий стан однорідних рідких розчинів. У твердому розчині одна з речовин, яка входить до складу сплаву, зберігає характерну їй кристалічну решітку, а інша розподіляється окремими атомами в кристалічній решітці першої речовини. При цьому можливі тверді розчини втілення та заміщення. В твердих розчинах втілення атоми розчинюваної речовини заходять в міжатомний простір кристалічної решітки розчинника. В твердих розчинах заміщення частина атомів розчинюваного заміщає атоми в кристалічній решітці розчинника.
Прикладом твердого розчину втілення може бути сплав заліза з азотом, бором, воднем тощо. Твердий розчин заміщення залізо створює з хромом, нікелем тощо.
Сплав типу механічна суміш характерний тим, що після кристалізації розплаву утворюються зерна окремих компонентів з властивими для них комірками.
У сплаві типу хімічна сполука після кристалізації утворюються зерна з коміркою, яка не характерна ні компоненту А, ні компоненту В. Атоми компонентів в цій комірці розташовуються за законом АтВп, де т і п кількість атомів відповідних компонентів.
Хімічні сполуки, як і чисті метали, мають постійну температуру плавлення і, як правило, є великої твердості і крихкості.
Чи можна передбачити який тип сплаву створять ті чи інші компоненти? Точно сказати про це не можна. Хоча є певна імовірність це з’ясувати. Так, велика імовірність утворення сплаву хімічна сполука є тоді, коли елементи компонентів сплаву знаходяться далеко один від одного в таблиці Д.І.Менделєєва. Механічні суміші утворюють метали, які мають різні типи кристалічних решіток і значно відрізняються діаметрами атомів та температурою плавлення.
Схема утворення твердого розчину
Крім зазначених вище типів сплавів можуть виникати проміжні – тверді розчини на основі хімічної сполуки, упорядковані тверді розчини, електронні сполуки (фази Юм-Розері), фази втілення тощо.
Раніше розглядались тверді розчини, які утворились на основі чистих компонентів. Однак, здатність до утворення твердих розчинів характерна не тільки чистим елементам, але й хімічним сполукам. В таких випадках зберігається решітка хімічної сполуки, але надлишкова кількість атомів (наприклад, атомів В) розчиняється, заміщуючи в решітці якусь кількість атомів А. Можливе також розчинення і третього елемента С. У такому разі атоми С заміщують у вузлах кристалічної решітки атоми А і В.
Схема утворення механічної суміші
Схема утворення хімічної сполуки
Явище упорядкованості атомів у твердому розчині було помічене Н.С.Курнаковим. У звичайних твердих розчинах атоми розчиненого компонента розподіляються в решітці довільно. Але в окремих випадках атоми розчиненого елемента можуть розташовуватись правильно. Такі тверді розчини називають упорядкованими. Наприклад, при повільному охолодженні сплаву міді та золота їхні атоми займають, певні місця в решітці. Так, атоми золота можуть зайняти всі кутові положення ГЦК, а атоми міді – центри граней.
Англійський металофізик Юм-Розері відкрив твердий розчин на основі електронного з’єднання. Цей вид з’єднань утворюється двома металами із наступних груп: мідь, срібло, золото, кобальт, свинець, нікель, з однієї сторони та берилій, цинк, кадмій, алюміній, олово, кремній – з іншої. Ці з’єднання характеризуються певним відношенням валентних електронів до числа атомів (3/2; 21/13 чи 7/4), причому кожному відношенню відповідає певна кристалічна решітка. Так, відношенню 3/2 відповідає ОЦК решітка, 21/13 – складна кубічна, 7/4 – гексагональна решітка.
До числа найбільш важливих з’єднань, які утворюються в сплавах, відносяться фази втілення. Це з’єднання перехідних металів (залізо, марганець, хром, молібден тощо) з неметалами, які мають малі атомні радіуси (вуглець (0,077 нм), водень (0,046 нм), азот (0,071 нм)). У цьому випадку атоми металу утворюють прості решітки, а атоми неметалу впроваджуються в пори цих решіток в певні місця. Основна відмінність фаз втілення від твердих розчинів втілення, полягає в тому, що перші утворюють нову кристалічну решітку із закономірним розташуванням атомів компонентів, а другі зберігають упаковку розчинника. Фази втілення мають високі температури плавлення, твердість і електропровідність.