1.5. Микроструктура сплавов.

При первичной кристаллизации сплавов образуется их начальная микроструктура, характеризуемая размером зерна и фазовым составом. Таким образом, понятие «фаза» следует отождествлять не только с агрегатным состоянием сплава (жидкое, твердое), но и с микроструктурой сплава, как ее элемент или часть. Фаза – структурно-однородная часть сплава, отделенная от других фаз границами, при переходе через которые свойства меняются скачкообразно.

При первичной кристаллизации в результате взаимодействия компонентов сплава образуются два типа фаз – твердые растворы и химические соединения. Если компоненты не взаимодействуют друг с другом, образуется механическая смесьиз кристаллов этих компонентов.

Вторичная кристаллизация, также как и первичная, происходит по диффузионному механизму и обусловлена стремлением системы перейти в состояние с меньшим запасом свободной энергии. При этом начальная микроструктура изменяется в результате полиморфных превращений, изменения состава твердых растворов, их распада, образования новых фаз и механических смесей. Например, в сталях и чугунах результатом вторичной кристаллизации является изменение состава твердого раствора (аустенита) и его превращение в механическую смесь (перлит).

1.6. Характеристика фаз и структурных составляющих.

Понятие «фаза» и «структурная составляющая» идентичны за исключением одного случая – когда в структуре сплава образуются механические смеси, представляющие собой совокупность как минимум двух твердых фаз. Такими фазами могут быть кристаллы компонентов, образующих сплав, твердые растворы и химические соединения.

Механические смеси кристаллизуются при постоянной температуре. Они образуются компонентами с большим различием атомных диаметров, неспособных к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступающих в химическую реакцию с образованием соединений. Каждый из компонентов сохраняет свой тип кристаллической решетки. Механические свойства этой структурной составляющей зависят от количественного соотношения компонентов, а также от размеров зерен. Примером сплава, структура которого представляет собой механическую смесь, является свинцовистая бронза – сплав свинца и меди, с хорошими антифрикционными свойствами.

Твердые растворы – это фазы, в которых один из компонентов сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого компактно в ней располагаются.

Если эти атомы располагаются в узлах решетки, образуется твердый раствор замещения. Если атомы внедряются между узлов решетки, то образуются твердые растворы внедрения (рис.11).

	атомыCu атомыNi		атомыFe атомыC
а) твердый раствор замещения		б) твердый раствор внедрения
Рис.11. Кристаллические решетки твердых растворов.

Количество атомов, как внедренных, так и замещенных может изменяться в широких пределах. Поэтому твердые растворы являются фазами переменного состава. Их кристаллизация проходит в интервале температур. Твердые растворы обозначаются как α, β, γ, (буквой α обозначают обычно низкотемпературную модификацию), или как А(В), где А – компонент растворитель, В – растворимый компонент.

Твердые растворы замещения образуются, если периоды решеток компонентов различаются не более чем на 15%. Этот тип твердых растворов может иметь, как ограниченную, так и неограниченную растворимость. В первом случае размерность периодов решеток составляет от 8 до 15%, во втором – не более 8%. Неограниченные твердые растворы наблюдаются в системах Cu-Ni, Fe_α-Cr, Fe_γ-Ni.

Твердые растворы внедрения образуются при сплавлении металлов с неметаллами, имеющими малый атомный радиус – углеродом, азотом, бором. Этот тип твердых растворов всегда имеет ограниченную растворимость. Промышленное значение имеют, например, твердые растворы внедрения углерода в Fe_α и в Fe_γ. В первом случае предельная растворимость составляет 0,03%, а во втором – 2,14% углерода.

Прочность твердых растворов выше, чем прочность компонентов, которые их образуют. Вместе с тем сплавы со структурой твердых растворов отличаются высокой технологической пластичностью и хорошо деформируются как в горячем, так и в холодном состоянии.

Химические соединения образуются в случаях значительного различия кристаллических решеток компонентов. Для сплавов наиболее типичными являются химические соединения металлов с металлоидами. К ним относят оксиды (МеО), сульфиды (МеS), карбиды (МеС), нитриды (МеN), бориды (МеВ).

Химические соединения имеют следующие особенности:

а) их кристаллизация и плавление происходит при постоянной температуре;

б) кристаллическая решетка очень сложная, атомы расположены упорядоченно, решетка отличается от решетки компонентов, которые их образуют;

в) свойства соединений резко отличаются от свойств, образующих его компонентов, для соединений характерна высокая твердость и хрупкость;

г) соединения имеют постоянный состав и выражаются формулой A_nB_m, где n и m – целые числа.