2.2 Общие понятия о металлических сплавах
Возможности взаимного сплавления металлов позволяют в исключительно широких пределах менять физико-химические и физико-механические свойства металлических материалов в заданном направлении.
Практически неограниченные возможности создания сплавов различных составов позволяют придавать им легкоплавкость или тугоплавкость, повышенную механическую прочность и твердость или, наоборот, пластичность, высокую магнитную восприимчивость и многие другие специфические или улучшенные качества, несвойственные чистым металлам.
Сплавы получаются главным образом путем сплавления различных элементов в жидком состоянии, но могут быть получены и за счет диффузии в твердом состоянии, и путем совместной конденсации паров или другими способами. Компонентами сплава называют химические элементы или химические соединения, входящие в состав сплава. В зависимости от химической природы элементов, размера их ионов и типа кристаллической решетки компоненты могут растворяться друг в друге (ограниченно или неограниченно), могут быть нерастворимыми друг в друге или образовывать новые химические соединения. Отдельные однородные части сплавов, отделенные от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав и свойства меняются скачком, называются фазами. Графическое изображение фазовых равновесий в зависимости от температуры и состава принято называть диаграммой состояния.
Как правило, в жидком состоянии компоненты сплавов хорошо растворяются друг в друге. При понижении температуры и кристаллизации из жидкой фазы выделяются твердые фазы, которые могут быть твердыми растворами, чистыми компонентами или химическими соединениями.
Сплавы механические смеси образуются, когда компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения и значительно различаются по строению и свойствам. Такие сплавы состоят из кристаллов входящих в него компонентов (кристаллические решетки между собой не взаимодействуют).
Твердые физические растворы бывают трех видов: замещения, внедрения и вычитания.
Твердыми растворами замещения называют фазы, в которых часть узлов кристаллической решетки заполнены атомами одного сорта, а часть узлов атомами другого сорта. Твердые растворы замещения могут быть с ограниченной и неограниченной растворимостью компонентов друг в друге. Образование неограниченных твердых растворов возможно в тех случаях, когда размеры атомов близки, кристаллические решетки компонентов одинаковы (изоморфны) и строение валентных электронных оболочек подобно. В случае, когда кристаллические решетки не одинаковы или размеры атомов отличаются более чем на 6%, твердые растворы являются ограниченными. При разнице размеров атомов более чем 12% компоненты не растворяются друг в друге.
Твердыми растворами внедрения называют фазы, в которых атомы растворенного компонента внедрены между атомами второго компонента растворителя. Образование таких растворов возможно, если атомы растворенного компонента имеют малые размеры. Такими являются элементы, находящиеся в начале периодической системы Менделеева (водород, азот, углерод и т.д.). Размеры этих атомов превышают размеры межатомных промежутков в кристаллической решетке металла, что вызывает искажение решетки и в ней возникают напряжения. Концентрация таких растворов не превышает 2-2,5 %. Твердые растворы внедрения всегда ограниченны.
Твердыми растворами вычитания называют фазы на основе химических соединений. В кристаллических решетках таких сплавов часть узлов не занята атомами того или иного сорта, то есть часть атомов как бы вычтена из кристаллической решетки, и вместо них в решетке остаются вакансии.
Сплавы химические соединения образуются между веществами, химическое взаимодействие между которыми велико. Данные сплавы обладают такими особенностями как:
- постоянство взаимной концентрации элементов (за счет определенного соотношения компонентов в получившемся химическом соединении, обозначаемом АnВm.);
- образуется специфическая, отличающаяся от кристаллических решеток исходных компонентов новая кристаллическая решетка;
- физические свойства получившегося сплава могут крайне сильно отличаться от физических свойств исходных компонентов;
- данные сплавы имеют постоянную температуру кристаллизации, как у чистых компонентов.
Кривые охлаждения указанных выше сплавов представлены на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 – Кривые охлаждения (чистого металла (а), механической смеси (б), твердого физического раствора (с)).