4.3. Класифікація сплавів твердих розчинів
За ступенями розчинності компонентів розрізняють тверді розчини:
з необмеженою розчинністю компонентів,
з обмеженою розчинністю компонентів.
За необмеженої розчинності компонентів кристалічна решітка компоненту-розчинника у міру збільшення концентрації розчиненого компоненту плавно переходить у кристалічну решітку розчиненого компоненту.
Для утворення розчинів із необмеженою розчинністю необхідні:
Ізоморфність (однотипність) кристалічних решіток компонентів;
Близькість атомних радіусів компонентів, які не повинні відрізнятися більше ніж на 8–13 %.
Близькість фізико-хімічних властивостей подібних за будовою валентних оболонок атомів.
За обмеженої розчинності компонентів можлива концентрація розчиненої речовини до певної межі. За подальшого збільшення концентрації однорідний твердий розчин розпадається з утворенням двофазної суміші.
За характером розподілу атомів розчиненої речовини в кристалічній решітці розчинника розрізняють тверді розчини:
заміщення,
занурення,
віднімання.
У розчинах заміщення в кристалічній решітці розчинника частина його атомів заміщена атомами розчиненого елементу (рис. 4.4 а). Заміщення здійснюється у випадкових місцях, тому такі розчини називають неврегульованими твердими розчинами.
У процесі утворення розчинів заміщення періоди ґрат змінюються залежно від різниці атомних діаметрів розчиненого елементу і розчинника. Якщо атом розчиненого елементу більше атома розчинника, то елементарні осередки збільшуються, якщо менше – скорочуються. У першому наближенні, ця зміна пропорційна концентрації розчиненого компоненту. Зміна параметрів ґрат під час утворення твердих розчинів – важливий момент, що визначає зміну властивостей. Зменшення параметру веде до більшого зміцнення, ніж його збільшення.
а) б)
Рис. 4.4. Кристалічна решітка твердих розчинів заміщення (а), занурення (б)
Тверді розчини занурення утворюються зануренням атомів розчиненого компоненту в пори кристалічної решітки розчинника (рис. 4.4 б).
Утворення таких розчинів можливо, якщо атоми розчиненого елементу мають малі розміри. Такими є елементи, що знаходяться на початку періодичної системи Д. І. Менделєєва, – вуглець, водень, азот, бор. Розміри атомів перевищують розміри міжатомних проміжків у кристалічній решітці металу, що викликає спотворення ґрат і в них виникає напруга. Концентрація таких розчинів не перевищує 2–2,5 %.
Тверді розчини віднімання (або розчини з дефектними ґратами) утворюються на базі хімічних сполук. Можливою є не тільки заміна одних атомів у вузлах кристалічної решітки іншими, але й утворення порожніх, не зайнятих атомами, вузлів у ґратах.
До хімічної сполуки додають один з елементів, що входить до формули; його атоми займають нормальне положення в ґратах з'єднання, а місця атомів іншого елементу залишаються незайнятими.
Кристалізація сплавів
Кристалізація сплавів підпорядкована тим же закономірностям, що і кристалізація чистих металів. Необхідною умовою є прагнення системи до стану з мінімумом вільної енерґії.
Основною відмінністю є велика роль дифузійних процесів між рідиною і фазою, що кристалізується. Ці процеси необхідні для перерозподілу різнорідних атомів, рівномірно розподілених у рідкій фазі.
У сплавах у твердих станах мають місце процеси перекристалізації, зумовлені алотропічними перетвореннями компонентів сплаву, розпадом твердих розчинів, виділенням із твердих розчинів вторинних фаз, коли розчинність компонентів у твердому стані міняється зі зміною температури.
За перекристалізації в твердому стані утворюються центри кристалізації і відбувається їх зростання.
Зазвичай центри кристалізації виникають по межах зерен старої фази, де ґрати мають найбільш дефектну будову і де є домішки, які можуть стати центрами нових кристалів. У старої і нової фази протягом деякого часу є загальні площини. Такий зв'язок ґрат називається когерентним зв'язком. У разі відмінності будови старої і нової фаз перетворення протікає з утворенням проміжних фаз.
Порушення когерентності і відособлення кристалів настає, коли вони отримують певні розміри. Процеси кристалізації сплавів вивчаються за діаграмами стану.
Діаграма стану є графічним зображенням стану будь-якого сплаву системи, що вивчається, залежно від концентрації і температури (рис. 4.5).
В
Рис. 4.5. Діаграма стану
Діаграми стану показують стійкі стани, тобто стани, які за даних умов володіють мінімумом вільної енерґії, і тому її також називають діаграмою рівноваги, оскільки вона показує, які за даних умов існують рівноважні фази.
У результаті отримують серію кривих охолоджування, на яких за температур фазових перетворень спостерігаються точки перегину і температурні зупинки.
Температури, що відповідають фазовим перетворенням, називають критичними точками. Деякі критичні точки мають назви, наприклад, точку, що відповідає початку кристалізації, називають точкою ліквідус, а кінцю кристалізації – точка солідус.
За кривими охолодження будують діаграму стану в координатах: за віссю абсцис – концентрація компонентів, за віссю ординат – температура.
Шкала концентрацій показує вміст компоненту В. Основними лініями є лінії ліквідус (1) і солідус (2), а також лінії, що відповідають фазовим перетворенням у твердому стані (3, 4).
За діаграмою стану можна визначити температури фазових перетворень, зміну фазового складу, приблизно, властивості сплаву, види обробки, які можна застосовувати для даного сплаву.