Розділ II. Сплави

2.1. Типи сплавів

Металічним сплавом називається складна ре­човина, отримана сплавленням (або спіканням) декількох металів або металів з неметалами (металоїдами). Сплав мож­на отримати дифузійним методом, тобто в метал впроваджу­ють атоми якоїсь речовини. З часом, при створенні відповід­них умов, вони дифундують у глибину металу. На практиці частіше всього використовують сплави, отримані методом розплаву.

Елементи, які входять до складу сплаву, називають ком­понентами. Сплави можуть бути двокомпонентні і більше. Однак теорія багатокомпонентних сплавів складна, тому далі будемо розглядати тільки двокомпонентні сплави.

Однорідну частину системи, яка має чітку границю, при переході через яку різко змінюються властивості, називають фазою. Сукупність фаз, які знаходяться в рівновазі при пев­них зовнішніх умовах (тиску, температурі), називають систе­мою. Наприклад, розплавлений метал є однофазною систе­мою. Видиме взаємне розташування фаз, їх форма і розміри визначають поняття структура сплаву.

Металічних сплавів можна створити багато, тому що біль­шість відомих хімічних елементів є металами. Навіть якщо створювати сплави тільки з їх комбінації, то вже буде значне число сплавів.

У зв'язку з різноманітністю компонентів виникає багато запитань. Наприклад, як будуть вести себе компоненти, якщо їх розплавити та змішати між собою? Можливо, що вони нео­бмежено розчинятимуться один в іншому, або буде неповна розчинність, чи-то не розчиняться один в іншому зовсім.

Виявляється, що більшість металів в розплавленому стані розчиняється один в одному в будь-яких співвідношеннях. В однорідному розчині атоми компонента В рівномірно розпо­діляються серед атомів металу А — розчинника. Лише деякі метали розчиняються в рідкому стані обмежено. І тільки дуже обмежена кількість металів із-за великої різниці в розмірах атомів не розчиняються один в іншому в рідкому стані.

Як же будуть вести себе компоненти при кристалізації сплаву? Як вона буде протікати? Кристалізація сплавів відбу­вається по такому ж механізму, як і металіШіХоча в процесах кристалізації є й відмінне. Так, кристалізащя^іеталів відбу­вається при постійній температурі, а сплавів — в певному інтервалі температур. Наприклад, залізо затвердіває при тем­пературі 1539 °С , а сталь 45 починає кристалізуватися при температурі близько 1500 °С і закінчує при 1400 °С . Із зни­женням температури кількість твердої фази росте. Щоб знайти співвідношення між фазами, можна застосувати так зване правило відрізків, яке буде розглянуте далі.

Другою відмінністю є те, що метали при затвердінні за­лишаються однофазними, а сплави можуть утворити твердий розчин, або механічну суміш, чи-то хімічну сполуку. Тверді розчини утворюються в результаті переходу в твердий стан однорідних рідких розчинів. У твердому розчині одна з речо­вин, яка входить до складу сплаву, зберігає характерну їй кри­сталічну решітку, а інша розподіляється окремими атомами в кристалічній решітці першої речовини. При цьому можливі тверді розчини втілення та заміщення. В твердих розчинах втілення атоми розчинюваної речовини заходять в міжатом­ний простір кристалічної решітки розчинника. В твердих роз­чинах заміщення частина атомів розчинюваного заміщає ато­ми в кристалічній решітці розчинника.

Прикладом твердого розчину втілення може бути сплав заліза з азотом, бором, воднем тощо. Твердий розчин замі­щення залізо створює з хромом, нікелем тощо.

Сплав типу механічна суміш характерний тим, що після кристалізації розплаву утворюються зерна окремих компо­нентів з властивими для них комірками.

У сплаві типу хімічна сполука після кристалізації утво­рюються зерна з коміркою, яка не характерна ні компоненту А, ні компоненту В. Атоми компонентів в цій комірці розта­шовуються за законом А_тВ_п,ле ті п кількість атомів відпо­відних компонентів.

Хімічні сполуки, як і чисті метали, мають постійну тем­пературу плавлення і, як правило, є великої твердості і крих­кості.

Чи можна передбачити який тип сплаву створять ті чи інші компоненти? Точно сказати про це не можна. Хоча є певна імовірність це з'ясувати. Так, велика імовірність утворення сплаву хімічна сполука є тоді, коли елементи компонентів сплаву знаходяться далеко один від одного в таблиці Д. І. Менделєєва. Механічні суміші утворюють метали, які мають різні типи кристалічних решіток і значно відрізняють­ся діаметрами атомів та температурою плавлення.

Схема утворення твердого розчину

Крім зазначених вище типів сплавів можуть виникати проміжні — тверді розчини на основі хімічної сполуки, упо­рядковані тверді розчини, електронні сполуки (фази Юм-Ро-зері), фази втілення тощо.

Раніше розглядались тверді розчини, які утворились на основі чистих компонентів. Однак, здатність до утворення твердих розчинів характерна не тільки чистим елементам, але й хімічним сполукам. В таких випадках зберігається решітка хімічної сполуки, але надлишкова кількість атомів (наприк­лад, атомів В) розчиняється, заміщуючи в решітці якусь кількість атомів А. Можливе також розчинення і третього еле­мента С. У такому разі атоми С заміщують у вузлах криста­лічної решітки атоми А і В.

Схема утворення механічної суміші

Схема утворення хімічної сполуки

Явище упорядкованості атомів у твердому розчині було помічене Н. С. Курнаковим. У звичайних твердих розчинах атоми розчиненого компонента розподіляються в решітці до­вільно. Але в окремих випадках атоми розчиненого елемента можуть розташовуватись правильно. Такі тверді розчини на­зивають упорядкованими. Наприклад, при повільному охо­лодженні сплаву міді та золота їхні атоми займають, певні місця в решітці. Так, атоми золота можуть зайняти всі кутові положення ГЦК, а атоми міді — центри граней.

Англійський металофізик Юм-Розері відкрив твердий розчин на основі електронного з'єднання. Цей вид з'єднань утворюється двома металами із слідуючих груп: мідь, срібло, золото, кобальт, свинець, нікель, з однієї сторони та берилій, цинк, кадмій, алюміній, олово, кремній — з іншої. Ці з'єднан­ня характеризуються певним відношенням валентних елект­ронів до числа атомів (3/2; 21/13 чи 7/4), причому кожному відношенню відповідає певна кристалічна решітка. Так, відно­шенню 3/2 відповідає ОЦК решітка, 21/13 — складна кубіч­на, 7/4 — гексагональна решітка.

До числа найбільш важливих з'єднань, які утворюються в сплавах, відносяться фази втілення. Це з'єднання перехідних металів (залізо, марганець, хром, молібден тощо) з неметала­ми, які мають малі атомні радіуси (вуглець (0,077 нм), водень (0,046 нм), азот (0,071 нм)). У цьому випадку атоми металу утворюють прості решітки, а атоми неметалу впроваджуються в пори цих решіток в певні місця. Основна відмінність фаз втілення від твердих розчинів втілення, полягає в тому, що перші утворюють нову кристалічну решітку із закономірним розташуванням атомів компонентів, а другі зберігають упа­ковку розчинника. Фази втілення мають високі температури плавлення, твердість і електропровідність.