Тема 3. Основы теории сплавов

Вопросы:

1. Понятие о сплаве, компоненте, фазе, системе.

2. Структурные составляющие при кристаллизации сплавов: твердые растворы, химические соединения, механические смеси.

3.Диаграммы состояния двойных сплавов. Критические точки и линии.

1. Металлическими сплавами называются соединения двух или нескольких металлов и неметаллов, у которых сохраняются металлические свойства. Сплавы можно получить сплавлением компонентов в жидком состоянии, спеканием в твердом состоянии (по­рошковая металлургия), электролизом, возгонкой и дру­гими способами.

Компонент – это химически индивидуальное вещество (т.е. компонентами являются химические элементы и химические соединения).

Фазы – это физически однородные части сплава, от­деленные поверхностью раздела. Фазы могут быть жид­кие, твердые и газообразные. Газовая смесь состоит всегда из одной фазы. Металлические сплавы в рас­плавленном состоянии состоят в большинстве случаев из одной фазы, а при затвердевании они состоят из жидкой и твердой фаз.

Системой называют совокупность веществ в твёрдом, жидком и газообразном состояниях. Системы бывают простые и сложные. Простая система состоит из одного компонента, а сложная система – из нескольких.

2. Структурными составляющими сплавов являются:

Механическая смесь пред­ставляет собой мельчайшую смесь кристаллов (отдельные фазы составляющих компо­нентов), не растворяющихся в твердом состоянии.

Химические соединения, получающиеся при образова­нии некоторых сплавов, име­ют постоянный состав, осо­бую кристаллическую решет­ку и особые физико-химиче­ские свойства. Им свойственны повышенная твердость, хрупкость и посто­янная температура плавления.

Твердые растворы образуются при проникновении атомов растворяющегося элемента в кристаллическую решетку растворителя. Растворителем называют тот ме­талл, кристаллическая решетка которого сохраняется как основа.

Различают растворы замещения и внедрения. В пер­вом случае атомы растворимого элемента замещают в решетке атомы растворителя (рис. 11, а), во втором слу­чае атомы растворимого элемента располагаются между атомами растворителя (рис. 11, б).

Рис.11 Расположение атомов (ионов) в твёрдых растворах:

а – твердый раствор замеще­ния; б – твердый раствор внедрения

3. Диаграмма состояния представляет собой графическую зависимость между фазовым составом, тем­пературой и концентрацией составляющих сплав ком­понентов. Она позволяет определять температуры плав­ления и затвердевания, структуры сплавов при разных температурах в условиях равновесия и те процессы, которые претерпевают сплавы при охлаждении и нагревании. По вертикальной оси диаграммы откладывают температуру, по горизонтальной – концентрацию компонентов в сплаве.

Теперь воспользуемся критическими точками для построения диаграммы состояния системы сплавов свинец – сурьма. Отложим в масштабе по абсциссе точки по составу сплавов, принимая, что слева будет чистый свинец, а справа – чистая сурьма (рис. 12).

Выше линии АВС все сплавы системы находятся в жидком состоянии. Линия АВС – линия ликвидуса (ликвидус – от лат. «жидкий»). Ниже линии DВЕ все сплавы системы находятся в твердом состоянии. Линия DВЕ – линия солидуса (солидус – от лат. «твердый»). Проследим процесс кристаллизации сплавов системы и получающуюся структуру.

Рис.12 Диаграмма состояния двойного сплава «свинец – сурьма»

В точке В при массовом содержании 13 % SЬ, 87 % РЬ и при тем­пературе 246 °С кристаллизация свинца и сурьмы происходит одновременно; образуется тонкая механическая смесь кристаллов свинца и сурьмы (двух фаз). Эта смесь называется эвтектикой (эвтектика – от греч. «легкоплавящийся»), а сплав соответствующего состава – эвтектическим. Эвтектический сплав имеет самую низкую темпе­ратуру плавления.

Сплавы с массовым содержанием SЬ меньше 13 % называют доэвтектическими, а SЬ больше 13 % - заэвтектическими.