Некоторые положения теории сплавов

Сплавом называется вещество, полученное сплавлением или спеканием двух или более компонентов. Способы получения одно­родной монолитной массы сплава могут быть различными: кристал­лизация из расплава; конденсация из газообразной фазы; спека­ние порошков или гранул.

Закономерности взаимодействия элементов при любом способе получения сплавов одинаковы. Рассмотрим сплавы, полученные кристаллизацией из расплавов.

Компонентами называются химические элементы или устойчивые химические соединения, входящие в состав сплава. Компоненты мо­гут образовывать одну или несколько фаз.

Фазой называется простейшая структурная составляющая часть сплава, отделенная от других частей границами раздела, при пере­ходе через которые наблюдается резкое изменение свойств. Фаза может распределяться по многим объемам (кристаллам), но во всех механически разобщенных объемах будут наблюдаться одинаковый химический состав, агрегатное состояние и свойства.

Структурной составляющей сплава называется структурно обособленная часть сплава, имеющая под микроскопом однородное строение. Структурная составляющая может быть многофазной.

Системой сплавов называется совокупность всех возможных сплавов на основе двух или более компонентов, например система «железо-цементит».

Фазы в металлах и сплавах

В сплавах бывают жидкие и твердые фазы. Считается, что в жидком

состоянии компоненты, как правило, неограниченно раство­ряются друг в друге, поэтому сплавы различают по фазовому и структурному составу в твердом состоянии.

Характеристика твердых фаз в сплавах

Твердыми фазами в сплавах могут быть:

а) чистые компоненты;

б) твердые растворы замещения;

в) твердые растворы внедрения;

г) химические соединения;

д) интерметаллидные соединения.

Иногда в карбидах могут образовываться твердые растворы вычитания.

Чистые компоненты выделяются из жидкой фазы в виде кристал­лов различной величины в тех случаях, когда компоненты совершен­но не растворяются друг в друге в твердом состоянии, например, в сплавах свинец-сурьма, серебро-свинец, олово-цинк и др.

Твердым раствором называется однофазная структура с кристаллической решеткой, образованной атомами компонентов, входящих в состав сплава. Компонент, кристаллическая решетка которого сохраняется, называется растворителем; компонент, который не сохраняет свою кристаллическую решетку, а отдает свои атомы в решетку растворителя, - растворимым.

Различают два основных типа твердых растворов: замещения и внедрения (рис. 5.1).

Твердые растворы замещения образуются путем замещения ато­мами растворенного вещества атомов растворителя в его кристалли­ческой решетке. Твердые растворы могут состоять из двух и более компонентов, но в сплаве такой твердый раствор представляет собой одну фазу.

Твердые растворы обычно обозначаются буквами a, b и т.д. Твердые растворы замещения могут быть с ограниченной и неогра­ниченной растворимостью компонентов друг в друге.

Рис. 5.1. Искажения кристаллической решетки при образовании твердых растворов замещения и внедрения: а – твердый раствор замещения: атомный радиус растворяемого металла больше атомного радиуса металла-растворителя; б – твердый раствор замещения: атомный радиус растворяемого металла меньше атомного радиуса металла-растворителя; в - твердый раствор внедрения

Твердые сплавы замещения с неограниченной растворимостью образуются при соблюдении следующих условий:

а) компоненты должны иметь одинаковый тип кристаллической решетки (должны быть изоморфными);

б) различие атомных параметров должно быть небольшим (8…15%);

в) компоненты должны иметь близкие физические свойства, одинаковую или мало отличающуюся электроотрицательность. Твердый раствор замещения представляет собой одну фазу.

Твердые растворы внедрения образуются путем внедрения от­дельных атомов растворенного вещества в свободные поры кристал­лической решетки растворителя. Эти твердые растворы характери­зуются ограниченной растворимостью растворяющегося компонента, который, как правило, имеет значительно меньший атомный радиус. Растворяющийся компонент не имеет своей кристаллической решетки. Раствор внедрения представляет собой одну фазу.

Химические соединения - разнообразные фазы, характеризую­щиеся тем, что они имеют свои свойства, кристаллическую решетку и температуру плавления, в соединении сохраняется простое крат­ное соотношение атомов компонентов, которое можно выразить фор­мулой А_mВ_n. Образование химических соединений сопровождается определенным тепловым эффектом. Наиболее часто встречаются сле­дующие химические соединения: карбиды, нитриды, оксиды, сульфи­ды, бориды и др.

Интерметаллидные соединения - химические соединения между металлами. Выделение их в отдельную группу по сравнению с обыч­ными химическими соединениями целесообразно из-за их особой роли в процессах дисперсионного упрочнения металлов и сплавов при термообработке. Упрочняющими мелкодисперсными интерметаллидными фазами могут быть, например, интерметаллиды СиZn₂, СиВе, Ni₃Al, Ni₃Mo и др.

Гетерогенные структуры

Механические смеси могут состоять из чистых компонентов, твердых растворов, химических соединений и т.д. При образовании механической смеси кристаллические решетки фаз не изменяются. Кристаллиты механической смеси связываются между собой только общими границами. Различают эвтектическую и эвтектоидную механические смеси.

Эвтектическая механическая смесь образуется при строго определенной постоянной температуре из жидкого раствора строго определенного химического состава.

Эвтектоидная механическая смесь также образуется при строго определенной постоянной температуре, но только при распаде твердого раствора строго определенного химического состава.

Правило фаз Гиббса

Процессы, происходящие в металлах и сплавах при их фазовых превращениях, подчинены общему закону равновесия, который называется правилом фаз Гиббса. С помощью правила фаз можно определить количественную зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и фаз в условиях равновесия.

В общем виде правило фаз выражается следующим уравнением:

С = К - Ф + n,

где С – число степеней свободы. Под числом степеней свободы подразумевается количество независимых переменных, изменение которого не приводит к изменению состояния равновесия системы, т.е. к изменению числа фаз, находящихся в равновесии. К независимым переменным относятся концентрации каждого компонента в каждой фазе и внешние факторы – температура и давление;

К – количество компонентов, образующих систему;

Ф – число фаз, находящихся в равновесии;

n – количество внешних факторов (температура и давление). Учитывая, что все превращения в сплавах происходят при постоянном давлении, для металлических систем переменным внешним фактором будет только температура, т.е. n = 1.

При С = 0 система не имеет ни одной степени свободы (система нонвариантна), т.е. фазы находятся в равновесии при строго определенной температуре и концентрации.

Если С = 1, то это значит, что система при данных условиях имеет одну степень свободы (система моновариантна), т.е. если изменить внешний фактор (температуру), то изменится концентрация жидкой и твердой фаз, но равновесие не нарушится.

При С = 2 система при данных условиях имеет две степени свободы, т.е. существует область, в которой можно изменить температуру и концентрацию сплава, не нарушая равновесия.