I.3. Процесс кристаллизации и фазовые превращения в сплавах. Основные типы диаграмм состояния.

4. Основы теории сплавов

4.1. Понятие о сплавах

Сплавы – это сложные вещества, получаемые сплавлением или спеканием двух или нескольких простых веществ, называемых компонентами (при сплавлении компоненты доводят до плавления, а при спекании их порошки смешивают и подвергают давлению при высокой температуре).

4.2. Виды двойных сплавов

В технике большинство сплавов получают взаимным растворением их составляющих в жидком состоянии, т.е. доводят компоненты до плавления. При этом образуется жидкий раствор – однородная смесь двух или более компонентов, которые равномерно распределены в виде отдельных атомов, ионов или молекул (рис. 4.2.1). Расплавленные компоненты при охлаждении и кристаллизации могут образовывать твердые металлические сплавы с различным строением:

- смеси;

- твердые растворы;

- химические соединения.

Смеси чистых металлов образуются, когда разнородные атомы компонентов не входят в общую кристаллическую решетку сплава. Каждый компонент образует самостоятельные кристаллы (зерна), сохраняя присущую ему кристаллическую решетку (рис. 4.2.2)

Рис. 4.2.1. Жидкий раствор двух металлов.

Рис. 4.2.2. Механическая смесь двух металлов (а) и их кристаллические решетки (б)

Твердые растворы образуются в результате перехода в твердое состояние однородных жидких растворов. Рассмотрим твердый раствор двух компонентов. Один из компонентов, который сохраняет свою кристаллическую решетку, является растворителем. Тогда другой компонент (растворимый) распределяется в решетке растворителя, не изменяя ее типов. Твердые растворы бывают двух типов:

- замещения;

- внедрения.

В твердых растворах замещения часть атомов в кристаллической решетке растворителя замещена атомами другого компонента (рис. 4.2.3,а). Такие растворы образуют компоненты с аналогическими типами кристаллических решеток при небольшой разнице их параметров, например, в сплавах железа с хромом, никелем и т.д.

В твердых растворах внедрения атомы растворенного компонента располагаются между атомами растворителя (рис. 4.2.3,б). Это возможно, если растворимый компонент имеет очень малый атомный диаметр и может разместиться между узлами кристаллической решетки растворителя, не вытесняя атомов растворителя из узлов решетки. Твердые растворы внедрения образуются, например, в сплавах железа с водородом, азотом, бором.

В обоих случаях твердого раствора исходные размеры кристаллической решетки растворителя изменяются, а это приводит к изменению свойств сплавов по сравнению со свойствами исходных компонентов: увеличивается электрическое сопротивление, как правило, снижается пластичность и вязкость.

Рис. 4.2.3. Виды твердых растворов: а) замещения; б) внедрения.

Здесь: ○ - атомы растворителя; ● - атомы растворимого компонента

При образовании твердых растворов компоненты могут растворяться в друг друге неограниченно или ограниченно. Ограниченная растворимость характеризуется тем, что в решетке растворителя может растворяться лишь определенное количество атомов растворимого элемента. Остальные атомы растворимого элемента могут сами стать растворителями или вступить со вторым компонентом в химическое взаимодействие.

При сплавлении двух компонентов могут также образовываться химические соединения, которые имеют характерные особенности:

1) их кристаллическая решетка отличается от кристаллических решеток образующих элементов и имеют более сложное строение;

2) соотношение элементов в сплавах кратно целым числам (они имеют формулу АnВm, например и FeO, CuO и т.д.)

3) их свойства отличны от свойств образующих элементов.

У химических соединений связь между атомами, как правило, сильнее и жестче металлической, поэтому они являются очень твердыми и хрупкими. Химические соединения имеют постоянную температуру плавления.