Тема 3. Строение сплавов. Диаграммы состояния

Методические указания. При изучении темы отметить преимущества сплавы, способы их получения. Понятие фаза, компонент сплава. Строение сплавов, основные отличия свойств различных структур. Что отражает диаграмма состояния сплава, ее практическое применение.

Ключевые моменты темы: сплавы, фазы, их кристаллические структуры, диаграммы состояния, их связь со свойствами.

Теоретический материал

3.1. Строение сплавов

Более широкое применение в технике находят сплавы металлов с металлами, и металлов с неметаллами (карбидами, нитридами и другие), так как они обладают большим разнообразием свойств. Раньше сплав получали путем расплавления и соединения двух и более элементов. Сейчас для получения сплавов используют и другие технологические методы: порошковую металлургию, диффузионный метод, плазменное напыление и другие.

Сплавы классифицируют по различным признакам, например:

- по количеству компонентов (элементов), входящих в сплав. Больший в процентном отношении компонент называется основным, а тот, что добавляется к основному – легирующий компонент;

- по применению: конструкционные, инструментальные, шарикоподшипниковые, жаропрочные, пружинные и т. д.;

- по плотности: тяжелые, легкие;

- по температуре плавления: тугоплавкие, легкоплавкие;

- по технологии изготовления полуфабрикатов и изделий: литейные, деформируемые, спеченные и другие.

В сплавах элементы могут по разному взаимодействовать между собой, образуя различные по химическому составу, типу связи и строению кристаллические фазы.

Фазой называется однородная, отделенная поверхностью раздела часть сплава, имеющая одинаковый состав, структуру и свойства.

В зависимости от атомно-кристаллической структуры, природы компонентов сплава и соотношения их массовых количеств, сплавы после затвердевания могут образовывать:

- твердые растворы;

- механические смеси;

- химические соединения.

Две последние структуры называют промежуточными фазами, у них образуется новый тип кристаллической решетки, отличающийся от решеток элементов, его образующих.

Твердые растворы образуются при растворении компонентов друг в друге. При этом атомы растворимого компонента В размещены в кристаллической решетке растворителя А. Зерна такого сплава имеют кристаллическую решетку, построенную из атомов двух компонентов. Если атомы растворимого компонента В замещают в узлах решетки атомы компонента – растворителя А, такой раствор называют твердым раствором замещения (рисунок 12,а). Их образуют компоненты, имеющие небольшие различия в параметрах кристаллических решеток.

Твердые растворы внедрения образуются, если атомы растворимого компонента В имеют малый радиус в сравнении с радиусом атомов растворителя А. Они располагаются между атомами компонента – растворителя А (рисунок 12,б). Растворы замещения часто образуются в случае, когда в металле растворяются не металлические элементы: углерод, азот и другие.

Твердые растворы образуют сплавы Cu-Al, Cu-Ni, Ge-Si, -Fe, -Fe, а также некоторые сплавы с большим числом компонентов.

Искажения кристаллической решетки при образовании твердых растворов внедрения больше, чем при образовании растворов замещения. Поэтому у них более резко изменяются и свойства. При увеличении концентрации растворенного

элемента в твердом растворе увеличивается удельное электрическое сопротивле-

ние, прочность, но снижается пластичность и вязкость.

Возникновение и исчезновение порядка в расположении атомов твердых растворов сопровождается также изменением свойств. При упорядочении возрастает электрическая проводимость, температурный коэффициент удельного сопротивления, твердость и прочность, но снижается пластичность. Сплавы на основе металлов со структурой твердых растворов хорошо деформируются в горячем, а многие и в холодном состоянии. Структуру твердых растворов имеют большинство промышленных конструкционных сплавов и сплавов специального назначения.

Механические смеси образуются, когда из жидкого расплава одновременно выпадают кристаллы составляющих его компонентов. Это происходит, если компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии, или обладают ограниченной растворимостью. При образовании механической смеси кристаллические решетки фаз не изменяются. Механические смеси образуют металлы, отличающиеся друг от друга атомными объемами и температурой плавления. Например, Cu+Zn, Cu+Al, Cu+Sn и другие. Механические смеси имеют металлический тип связи, многие из них не отличаются высокой твердостью, но имеют высокую пластичность, хорошую электропроводность.

Химические соединения представляют собой зерна сплава с кристаллической решеткой, которая отличается от решеток компонентов. Компоненты сплава вступают в химическое взаимодействие, образуются фазы с ионно-ковалентным (халькогенид ZnS, фосфаты AlP, обладающие полупроводниковыми свойствами) или ковалентно-металлическим (нитриды BN, карбиды WC, Fe₃C, TiC, бориды и другие) типом связи. Свойства химических соединений резко отличаются от свойств элементов, его образующих. Они хрупкие, имеют высокую твердость.