23. Атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов, типы сплавов.

Физико-механические свойства металлов тесно связаны с особенностями их кристаллического строения. В твердом состоянии атомы всех металлов и металлических сплавов располагаются в строгом порядке, образуя в пространстве правильную кристаллическую решетку. В промышленных металлах наиболее распространены следующие кристаллические решетки: кубическая объемно-центрированная, кубическая гранецентрированная и гексагональная. В элементарной кубической объемно- центрированной решетке находится девять атомов (восемь в вершинах куба и один в центре). Такую решетку имеют: железо при температуре до 910'С и выше 1390'С, хром, вольфрам, ванадий и др. В кубической гранецентрированной решетке 14 атомов (восемь в вершинах куба и по одному в центре каждой грани). Такую решетку имеют железо при температуре 910 – 1390 'С, медь, никель, алюминий и др. В гексагональной решетке, имеющей форму шестигранной призмы, 17 атомов (12 в вершинах, два в центре оснований и три внутри призмы). Данная решетка имеется у магния, цинка и других металлов.

В результате совместной кристаллизации нескольких элементов могут образоваться сплавы следующих типов: механическая смесь, твердый раствор и, химическое соединение. Возможность возникновения того или иного типа сплава определяется характером взаимодействия элементов в процессе кристаллизации.

Механические смеси образуются путем срастания кристаллов между собой при раздельной кристаллизации компонентов. В механической смеси каждый из компонентов сохраняет свои специфические свойства. Структура сплава в этом случае будет состоять из кристаллов веществ А и Б, связь между которыми осуществляется по границам зерен. Значения свойств сплава будут средними между свойствами элементов, которые его образуют.

Твердые растворы образуются в результате проникновения в кристаллическую решетку основного металла атомов другого металла или неметалла. В зависимости от характера размещения атомов различают твердые растворы замещения и внедрения. При образовании твердого раствора замещения атомы одного из компонентов, например Б, частично замещают атомы компонента А в узлах его кристаллической решетки. Твердый раствор внедрения образуется, когда атомы одного из компонентов размещаются в междоузлиях кристаллической решетки другого. Твердые растворы замещения могут образоваться при совместной кристаллизации металлов, а твердые растворы внедрения – при совместной кристаллизации металла с неметаллом. Твердые растворы принято обозначать буквами греческого алфавита.

В растворе внедрения атомы растворимого элемента внедряются между атомами металла, искажая его решетку. К таким элементам относятся – углерод, водород, азот, бор и другие, концентрация которых в твердом растворе может составлять 1 – 2 %. В растворе замещения атомы растворимого элемента занимают места атомов растворителя в кристаллической решетке. При этом размеры атомов основного металла и примеси должны отличаться не более чем на 15 %. Например, хорошо замещаются атомы Fе и Сг, Сu и Ni, Тi и V и т. д.

Химические соединения образуются в результате химического взаимодействия компонентов, при этом атомы располагаются в строгом порядке и количественном соотношении. Например, в сплавах железа с углеродом образуется карбид железа, называемый цементитом. В сплавах алюминия с медью образуется интерметаллическое соединение. Строение сплава определяет его свойства, поэтому важно знать, как это строение будет меняться при изменении температуры и состава сплава. Зависимость между строением сплава, его составом и температурой описывается при помощи диаграмм состояния.