«Основные сведения о сплавах»

Металлическими сплавами называют сочетания двух или нескольких металлов и неметаллов, у которых сохраняются металлические свойства. Большинство сплавов получают в жидком состоянии сплавлением, однако они могут быть получены также путем спекания, электролиза, конденсации из парообразного состояния.

По числу компонентов сплавы делят на двойные, тройные и т. д. В зависимости от при­роды компонентов образуются следующие виды сплавов:

1. механическая смесь компонентов;

2. твердый раствор компонентов;

3. химическое соединение компонентов.

Сплавы — механические смеси — неоднородны и представляют собой смесь кристаллов компонентов.

Сплавы — твердые растворы и сплавы — химические соедине­ния — однородны, причем первые могут содержать различное соот­ношение компонентов, а вторые образуются только при строго опре­деленном массовом соотношении компонентов, как всякое химиче­ское соединение.

В сплавах — твердых растворах — атомы растворимого вещества замещают атомы растворителя в кристаллической решетке (рис. 4, а) или внедряются в нее (рис. 4, б); сплавы — химические соедине­ния — образуют новую кристаллическую решетку.

Рисунок 4 Расположение атомов в твердых растворах

«Диаграммы состояния»

Диаграммы состояния представляют системы, компоненты которых полностью взаимно растворяются в жидком состоянии. Они характеризуют процессы затвердевания и структур­ного изменения различных сплавов и дают наглядное представление о фазовом составе в любом сплаве данной системы и при всех охва­тываемых диаграммой температурах.

По диаграмме состояния сплавов данных компонентов можно заранее судить о свойствах всех сплавов системы. Диаграмма со­стояния позволяет выбирать температуру нагрева сплава при тер­мической обработке сплава, обработке его давлением, температуру нагрева для литья.

Построение диаграмм состояния производится по кривым охлаждения, полученным посредством термического анализа, который сводится к выявлению критических точек при нагревании и охлаждении металлов и сплавов.

1. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых в твердом состоянии образуют механические смеси. Например, рассмотрим сплав свинца и сурьмы (Pb – Sb)

Рисунок 5 Диаграмма состояния механической смеси

1. По линии АВ начинается выделение кристаллов свинца;

2. В области диаграммы АВD находятся кристаллы свинца и жидкий растров;

3. По линии BD затвердевает весь оставшийся раствор;

4. По линии ВС начинается выделение кристаллов сурьмы;

5. В области диаграммы СВЕ находятся кристаллы сурьмы и жидкий раствор

6. В точке в происходит одновременно кристаллизация сурьмы и свинца, образуется эвтектический сплав (легкоплавящийся), имеет низкую температуру плавления.

Линия АВС – линия ликвидуса, жидкое состояние. Линия DBE – линия солидуса, твердое состояние.

В

2) Диаграмма состояния систем сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Рассмотрим систему сплавов медь- никель (Cu – Ni)

.

Рисунок 6 Диаграмма состояния твердых растворов

При медленном охлаждении в каждый момент кристаллизации состав кристаллов выравнивается вследствие диффузии. Если охлаждение производить быстро, состав внутри кристаллов не успевает выравниваться. Это явление называется ликвацией.

Твердые растворы в отличие от смесей являются однофазными. Взаимная растворимость компонентов в твердом состоянии определяется следующими факторами:

1. близостью их расположения в периодической системе Менделеева (то есть сходностью строения электронных оболочек их атомов);

2. близостью атомных диаметров;

3. подобием кристаллических решеток:

4. небольшой разностью температур плавления компонентов.

3) Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Рассмотрим систему медь – серебро (Cu – Ag)

Рисунок 7 Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью

Линия АВС – ликвидус, выше этой линии находятся жидкие растворы, линия ADBEC – солидус. Верхняя часть диаграммы показывает, что оба компонента взаимно растворимы, но в ограниченном количестве: предельное массовое содержание раствора α (серебра в меди) – 7%, а раствора β (меди в серебре) – 8 %. При большей концентрации по линии DE образуются эвтектика растворов α + β. Кривые DF и EG показывают, что при охлаждении ниже линии эвтектики (DE) происходит постепенный распад твердых растворов α и β (выпадение серебра из раствора α и меди из раствора β).

C

4) Диаграмма состояния системы сплавов с образованием устойчивых химических соединений компонентов. Рассмотрим сплав магний – кальций (Mg – Ca).

А

B

G

I

Рисунок 8 Диаграмма состояния химического соединения

Химическое соединение Mg₄Ca₃ можно рассматривать как новый, третий компонент, который делит диаграмму Mg – Ca на две диаграммы: Mg – Mg₄Ca₃ и Mg₄Ca₃ – Ca. Для диаграммы Mg – Mg₄ - Ca₃ линия АВС – ликвидус, линия FG – солидус. По линии АВ начинается выпадение кристаллов магния, по линии ВС – выпадение кристаллов соединения Mg₄Ca₃. В точке В одновременно кристаллизуются Mg и Mg₄Ca₃, образуя эвтектику. Система Mg₄Ca₃ – Ca аналогична.