Розділ ііі Основи теорії сплавів

Тема 3.1. Основні поняття із теорії сплавів

1. Поняття про сплав.

2. Структурні утворення: твердий розчин, механічна суміш, хімічна сполука, їх характеристики.

3. Поняття про компонент, фазу, систему.

4. Правило фаз.

Сплав – речовина, що складається з двох або кількох елементів, що зберігає металічні властивості.

В рідкому стані більшість металів необмежено розчиняються один в одному.

В твердому стані елементи, з яких складається сплав, утворюють такі структурні утворення:

1) твердий розчин;

2) хімічна сполука;

3) механічна суміш.

Твердий розчин – фаза, в якій один з компонентів сплаву зберігає свою кристалічну решітку, а атоми іншого розташовуються в ній, трохи змінюючи її розміри.

Розрізняють тверді розчини заміщення (рис.3.1, а) – атоми розчиненого компонента заміщають частину атомів розчинника в його кристалічній решітці та тверді розчини проникнення (рис.3.1, б) – атоми розчиненого компонента розташовуються в пустотах між атомами розчинника (утворюються тоді, коли розміри атомів розчиненого елементу невеликі і мають близьку до розчинника будову валентної оболонки електронів).

а б

Рисунок 3.1. Твердий розчин заміщення (а) та твердий розчин проникнення (б).

Тверді розчини можуть бути необмежені і обмежені. Розчинність елементів в твердому стані залежить від типу кристалічної решітки та її параметрів. Необмежену розчинність можуть мати елементи, у яких однаковий тип кристалічної решітки, атомні розміри відрізняються не більше, як на 8-15%, які належать до однієї групи або до споріднених груп в періодичній системі елементів. Наприклад, Ag i Au; Ni i Cu; Mo i W; V i Ti.

Хімічні сполуки в сплавах утворюються, коли компоненти вступають в хімічну взаємодію. Кристалічна решітка і властивості хімічної сполуки значно відрізняються від решіток і властивостей її компонентів; утворення її супроводжується значним тепловим ефектом. Утворюється хімічна сполука при певному співвідношенні компонентів, які майже завжди значно відрізняються своїми кристалічними решітками і електронною будовою атомів.

Наприклад: Fe + C → Fe₃C

Cu + Al → CuAl₂

Mg + Sn → Mg₂Sn

Механічна суміш (рис.3.2) утворюється, коли компоненти сплаву не розчиняються один в одному і не вступають в хімічну взаємодію; представляє собою найдрібнішу суміш кристалів компонентів (кожен зберігає свій тип кристалічної решітки).

Наприклад: Pb-Sb; Sn-Zn.

Рисунок 3.2. Схема мікроструктури механічної суміші.

Компоненти – елементи, які утворюють сплав (метали, неметали, хімічні сполуки).

Фаза – однорідна частина системи (сплаву), відокремлена від інших частин поверхнею розділу.

Фазами можуть бути хімічні елементи, тверді і рідкі розчини, хімічні сполуки.

Система – сукупність речовин в твердому, рідкому і газоподібному стані (сукупність фаз), які знаходяться в рівновазі при певних умовах.

Правило фаз встановлює можливе число фаз і умови, за яких вони можуть існувати в даній системі.

Залежність між числом ступенів свободи, числом компонентів і числом фаз:

С = К + 2 – Ф,

де С – число ступенів свободи,

К – число компонентів, що утворюють систему,

2 – число зовнішніх факторів (температура, тиск),

Ф – число фаз, що знаходяться в рівновазі.

По відношенню до металів тиском можна знехтувати. Тоді рівняння приймає вигляд:

С = К + 1 – Ф

Розглянемо правило фаз для 1-компонентної системи.

Рисунок 3.3. Крива охолодження чистого металу.

1. На ділянці 0-1 існує одна фаза – рідина, тобто Ф=1, тоді С=1+1–1 =1 – за даних умов метал знаходиться в рідкому стані в певному інтервалі температур.

2. На ділянці 1-1^’ відбувається кристалізація, в рівновазі існує дві фази – рідина і твердий метал, тоді С=1+1–2 =0 – перетворення відбувається при сталій температурі.

3. На ділянці 1^’-2 існує одна фаза – твердий метал, тоді С=1+1–1 =1 – твердий метал може існувати в певному інтервалі температур.

Число ступенів свободи – це число незалежних факторів (температура, концентрація, тиск), які можна змінювати, зберігаючи число фаз, що знаходяться в рівновазі.

Контрольні питання:

1. Що таке сплав?

2. Які структурні утворення в твердому стані утворюють елементи, з яких складається сплав?

3. Що таке твердий розчин? Які види твердих розчинів ви знаєте та чим вони відрізняються?

4. Що таке хімічні сполуки? Особливості утворення хімічних сполук.

5. Що таке механічна суміш?

6. Що таке компонент сплаву, фаза сплаву, система?

7. Що встановлює правило фаз?

8. Як за правилом фаз встановити число ступенів свободи для даного металу або сплаву?