3.6. Фізичні методи дослідження

1. Термічний аналіз заснований на явищі теплового ефекту. Фазові перетворення в сплавах супроводжуються тепловим ефектом, у результаті на кривих охолодження сплавів за температур фазових перетворень спостерігаються точки перегину, або температурні зупинки. Даний метод дозволяє визначити критичні точки.

2. Дилатометричний метод.

У процесі нагрівання металів і сплавів відбувається зміна об'єму і лінійних розмірів – теплове розширення. Якщо зміни обумовлені тільки збільшенням енерґії коливань атомів, то під час охолодження розміри відновлюються. За фазових перетворень зміни розмірів є незворотними.

Метод дозволяє визначити критичні точки сплавів, температурні інтервали існування фаз, а також вивчати процеси розпаду твердих розчинів.

Розділ 4. Загальна теорія сплавів. Будова, кристалізація і властивості сплавів. Діаграма стану

4.1. Поняття про сплави і методи їх отримання

Під сплавом розуміють речовину, отриману сплавом двох або більше елементів. Існують й інші способи виготовлення сплавів: спікання, електроліз, сублімація. В цьому випадку речовини називаються псевдосплавами.

Сплав, виготовлений переважно з металевих елементів і який має металеві властивості, називається металевим сплавом. Сплави мають комплекс різних властивостей, що змінюються залежно від складу і методу обробки.

Основні поняття в теорії сплавів

Система – група тіл, що виділяються для спостереження і вивчення.

У металознавстві системами є метали і металеві сплави. Чистий метал є простою однокомпонентною системою, сплав – складною системою, що складається з двох і більше компонентів.

Компоненти – речовини, що утворюють систему. Як компоненти виступають чисті речовини і хімічні сполуки, якщо вони не дисоціюють на складові частини в досліджуваному інтервалі температур.

Фаза – однорідна частина системи, відокремлена від інших частин системи поверхнею розділу, під час переходу через яку структура і властивості різко змінюються.

Варіантність (C) (міра вільності) – це число внутрішніх і зовнішніх чинників (температура, тиск, концентрація), які можна змінювати без зміни кількості фаз у системі.

Якщо варіантність C = 1 (моноваріантна система), то можлива зміна одного з чинників у деяких межах без зміни числа фаз.

Якщо варіантність C = 0 (нонваріантна система), то зовнішні чинники змінювати не можна без зміни числа фаз у системі.

Існує математичний зв'язок між числом компонентів (К), числом фаз (Ф) і варіантністю системи (С).

Це правило фаз, або закон Гіббса:

С = К – Ф +2.

Якщо прийняти, що всі перетворення відбуваються за постійного тиску, то число змінних зменшиться:

С = К – Ф +1,

де С – варіантність системи,

К – число компонентів,

Ф – число фаз,

1 – враховує можливість зміни температури.

4.2. Особливості будови, кристалізації і властивостей сплавів: механічних сумішей, твердих розчинів, хімічних сполук

Будова металевого сплаву залежить від того, в які взаємодії вступають компоненти, складові сплаву. Майже всі метали в рідкому стані розчиняються один в одному в будь-яких співвідношеннях. У процесі утворення сплавів під час їх твердіння можлива різна взаємодія компонентів.

Залежно від характеру взаємодії компонентів, розрізняють сплави:

1. механічні суміші,

2. хімічні сполуки,

3. тверді розчини.

Сплави механічні суміші утворюються, коли компоненти взаємно не розчиняються в твердому стані і не вступають у хімічну реакцію з утворенням з'єднання.

Утворюються механічні суміші між елементами, що значно розрізняються за будовою і властивостями, коли сила взаємодії між однорідними атомами більша, ніж між різнорідними. Сплав складається з кристалів компонентів, що входять до його складу (рис. 4.1). У сплавах зберігаються кристалічні решітки компонентів.

А, В – компоненти

сплаву

Рис. 4.1. Схема мікроструктури механічної суміші

Сплави хімічні сполуки утворюються між елементами, що значно розрізняються за будовою і властивостями, якщо сила взаємодії між різнорідними атомами більша, ніж між однорідними.

Особливості цих сплавів:

1. Постійність складу, тобто сплав утворюється за певного співвідношення компонентів; хімічна сполука позначається А_n В_m.

2. Утворюється специфічна кристалічна решітка з правильним впорядкованим розташуванням атомів, що відрізняється від ґрат елементів, з яких складаються хімічні сполуки (рис. 4.2).

3. Яскраво виражені індивідуальні властивості.

4. Постійність температури кристалізації, як у чистих компонентів.

Рис. 4.2. Кристалічна решітка хімічної сполуки

Сплави тверді розчини – це тверді фази, в яких співвідношення між компонентами можуть змінюватися; вони є кристалічними речовинами.

Характерною особливістю твердих розчинів є наявність в їх кристалічній решітці різнорідних атомів за збереження типу ґрат розчинника.

Твердий розчин складається з однорідних зерен (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Схема мікроструктури твердого розчину