16. Основные сведения о сплавах

Чистые е металлы характеризуются низким пределом

прочности, поэтому в машиностроении применяют

главным образом их сплавы. Металлическим спла-

вом называют сложное вещество, полученное сплав-

лением (или спеканием)

нескольких металлов или

металлов с неметаллами. При этом улучшаются экс-

плуатационные и технологические свойства металли-

ческого материала.

Компонентами называют вещества, образующие

систему. Чистый металл представляет собой одно-

компонентную систему, сплав двух металлов — двух-

компонентную систему и т.д. Фазой называют одно-

родную часть системы, имеющую одинаковый состав,

одно и то же агрегатное состояние и отделенную от

остальных частей системы поверхность раздела, при

переходе через которую химический состав или

структура вещества изменяются скачкообразно. Со-

вокупность фаз, находящихся в равновесии при опре-

деленных внешних условиях (давлении, температу-

ре), называют системой.

Сплав называют однородным (гомогенным), если

его структура однофазна, и разнородным (гетеро-

генным), если его структура состоит из нескольких

фаз.

Под структурой сплава понимают видимое в мик-

роскоп взаимное расположение фаз, их форму и раз-

меры. Твердые растворы образуются в результате

перехода в твердое состояние однородных жидких

растворов. Твердые растворы бывают следующих ти-

пов: твердые растворы замещения и твердые раство-

ры внедрения. Независимо от типа твердые растворы

однофазны.

Химические соединения образуются при сплав-

лении различных металлов или металла с неметал-

лом. Химическое соединение — однородное крис-

таллическое тело, имеет кристаллическую решетку с

упорядоченным расположением атомов, которая от-

лична от решеток элементов, образующих это соеди-

нение.

Механическая смесь двух компонентов А и В об-

разуется тогда, когда при кристаллизации компонен-

ты сплава не способны к взаимному растворению в

твердом состоянии и не вступают в химическую реак-

цию с образованием соединения. Рентгенограмма

сплава отчетливо показывает наличие двух решеток

компонентов А и В.

Температуры, при которых изменяется строение

металлов и сплавов, называют критическими точка-

ми. При плавлении и затвердевании чистые металлы

имеют одну критическую точку, а сплавы — две. В ин-

тервале между этими двумя точками в сплавах су-

ществуют две фазы — жидкий сплав и кристаллы.

17. Диаграмма состояний для случая

неограниченной растворимости

компонентов в твердом состоянии

Диаграмма состояния — графическое изображе-

ние фазового состояния сплавов в зависимости от

температуры и концентрации компонентов. Рассмот-

рим диаграмму состояния сплавов системы «медь —

никель», которая является диаграммой для случая

неограниченной растворимости компонентов в твер-

дом состоянии (см. рисунок).

Температура плавления меди составляет 1083°С,

никеля — 1445°С.

Чистые металлы имеют одну критическую точку —

температуру затвердевания (кристаллизации), а спла-

вы — две, т.е. сплавы в отличие от чистых металлов

кристаллизуются в интервале температур. Например,

кристаллизация сплава начинается при температуре

t1, при этой температуре из жидкого сплава начинают

выпадать первые кристаллы твердого раствора, а за-

канчивается кристаллизация при температуре t3. При

этой температуре затвердевает

последняя капля

жидкого сплава. Разная температура конца кристал-

лизации сплавов свидетельствует о том, что состав

твердой фазы непрерывно изменяется.

Для построения диаграммы состояния на оси аб-

сцисс сетки в координатах температура — концент-

рация откладывают составы пяти сплавов и восста-

навливают из каждой точки вертикальные линии.

После этого переносят на эти вертикальные линии с

кривых охлаждения сплавов критические точки, а на

левой и правой ординатах температур отмечают тем-

пературы кристаллизации чистых металлов — меди

(100%) и никеля (100%). Соединив плавными кривы-

ми температуры начала и конца кристаллизации всех

сплавов, получают диаграмму состояния сплавов

системы «медь — никель» с неограниченной рас-

творимостью компонентов в твердом состоянии.

Верхняя линия на диаграмме обозначает начало

затвердевания при охлаждении или конец расплавле-

ния при нагреве, нижняя — соответственно конец

затвердевания или начало плавления. Эта диаграмма

состояния сплава меди и никеля имеет три области.

Область существования жидкого расплава (1) ле-

жит выше верхней линии, соединяющей точки плав-

ления меди и никеля, а область существования

кристаллических твердых растворов (2) — ниже

нижней линии. Между этими линиями находится

двухфазная область (3), в которой одновременно

существуют расплав и кристаллы твердого раствора.

Верхнюю границу этой области называют линией

ликвидус, а нижнюю — солидус («ликвидус» в пере-

воде с латинского означает жидкий, «солидус» —

твердый). По диаграмме состояния можно опреде-

лить концентрации твердой и жидкой фаз в сплаве

при его кристаллизации.