Основные сведения о сплавах

Должны знать, что металлическим сплавом называется вещество, состоящее из двух или более элементов (металлов или металлов с металлоидами), обладающее металлическими свойствами. Обычным способом при­готовления сплавов является сплавление, но иногда применяют спекание, электролиз или возгонку.

В большинстве случаев входящие в сплав элементы в жидком состоянии полностью растворимы друг в друге, т. е. представляют собой жидкий раствор, в котором атомы различных элементов более или менее равномерно перемешаны друг с другом (рис. 15, а). В твердом виде сплавы способны образовывать твердые растворы, химические соединения и механические смеси (рис. 15, б, в, г).

а Жидкое состояние	б Твердый раствор	в Химическое соединение	г Механическая смесь
Рис. 15. Структура и строение элементарной ячейки пространственной кристал­лической решетки различных сплавов из двух металлов А к В: – атомы металлаA; – атомы металла В

 

Твердый раствор.Во многих сплавах при переходе в твердое состояние (при кристаллизации) сохраняется однородность рас­пределения атомов различных элементов и, следовательно, сохра­няется и растворимость. Образовавшийся в этом случае кристалл (зерно) называется твердым раствором.

Микроструктура твердого раствора в условиях равновесия представляет собой совершенно однородные и одинаковые по составу зерна и похожа на структуру чистого металла (рис. 15, б). Твер­дый раствор, как и чистый металл, имеет одну кристаллическую решетку. Различие состоит только в том, что в кристаллической решетке чистого металла все узлы заняты атомами одного эле­мента, а в твердом растворе — атомами различных элементов, образующих этот твердый раствор.

Растворимость в твердом состоянии может быть неограничен­ной и ограниченной. Растворимость твердого раствора, получен­ного при любом количественном соотношении элементов, называется неограниченной. Растворимость твердого раствора, полученного при определенном количественном соотношении элементов, назы­вается ограниченной.

По расположению атомов в кристаллической решетке различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения.

В твердом растворе замещения атомы растворенного элемента занимают узлы атомов элемента растворителя, т. е. расположены в узлах общей кристаллической решетки (рис. 16, а).

В твердом растворе внедрения атомы растворенного элемента располагаются внутри кристаллической решетки элемента раство­рителя между атомами металла-растворителя (рис. 16, б). При образовании твердых растворов свойства сплавов изменяются плавно и отличаются от свойств элементов, из которых они состоят. Химическое соединение. Особый характер металлической связи в спла­­вах приводит к образованию особого вида химических соеди­нений. В отличие от обычных химических соединений многие металлические соединения имеют переменный состав, который может изменяться в широких пределах. Характерной особенностью металлического химического соединения является обра­зование кристаллической решетки (см. рис. 13, б), отличной от решеток образующих элементов, и существенное изменение всех свойств. Иногда в металлических сплавах образуются также хи­мические соединения с нормаль­ной валентностью, например, оксиды, сульфиды, а также соедине­ния металлов с резко отличным электронным строением атомов (Mg2Sn, Mg2Pb и др.).

 

Механическая смесь. Если элементы, входящие в состав сплава, не растворяются друг в друге в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения, то при этих условиях из атомов каждого элемента образуется отдельная кри­сталлическая решетка, и кристаллы (зерна) элементов, входящие в сплав, образуют механическую смесь (рис. 15,г). При обра­зовании механической смеси, когда каждый элемент кристаллизу­ется самостоятельно, свойства сплава получаются средними между свойствами элементов, которые его образуют.

Механические смеси образуются также в случаях, когда эле­менты обладают ограниченной растворимостью, а также когда образуют химическое соединение. Если в сплаве количество эле­ментов превышает их предельную растворимость, то возникает механическая смесь двух насыщенных твердых растворов. При наличии в сплаве химического соединения образуется механиче­ская смесь из зерен твердого раствора и химического соедине­ния и т. д.

При изучении процессов, происходящих в металлах и сплавах при их превращениях, и описании их строения в металло­ведении пользуются следующими понятиями: «фаза», «структура», «система», «ком­понент».

Фазойназываются однородные составные части системы (ме­талла или сплава), имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение, свойства и одинаковое агрегатное состояние.

Например, жидкий металл является однофазной си­стемой; смесь жидкого металла и твердых кристалли­ков – двухфазной системой, так как свойства жидкого металла значительно отличаются от свойств твердых кристалликов. Фазами могут быть отдельные металлы, их химические соединения, а также растворы на основе металлов.

Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения соответствующих фаз в металлах и сплавах.

Структурными составляющими сплава называются обособленные части сплава, имеющие оди­наковое строение с присущими им характерными осо­бенностями. Структурные составляющие могут состоять из одной, двух или более фаз. Одна из важнейших задач металловедения – опре­деление взаимосвязи между составом, структурой и свойствами.

Системойназывается совокупность фаз, находящихся в равно­весии при определенных внешних условиях (температура, давле­ние). Система, может быть, простой, если она состоит из одного элемента, и сложной, если она состоит из нескольких эле­ментов.

Компонентаминазывают вещества, образующие систему. Ком­понентами могут быть элементы (металлы и неметаллы) или устой­чивые химические соединения.