Фазы в металлических сплавах.

Основные понятия и определения теории сплавов.

Сплавом называют материал, образующийся в результате затвердевания расплавов, состоящих из двух или нескольких компонентов.

Компонентами называют химические элементы или их соединения, образующие сплав. Чистый металл представляет собой однокомпонентную систему, сплав двух металлов - двухкомпонентную систему и т. д. Так, для цветных металлических сплавов компонентами могут быть металлы (например, медь с цинком образует латунь), а для железоуглеродистых - металлы с небольшим содержанием неметаллов (железо с углеродом - чугун, сталь).

Сплавы могут быть получены сплавлением исходных компонентов, их спеканием, электролизом, возгонкой и другими способами. При этом свойства полученного сплава в значительной мере будут зависеть от его структуры.

Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются. Совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия, называют системой.

Вариантность (C) (число степеней свободы) – это число внутренних и внешних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения количества фаз в системе.

· Если вариантность C = 1 (моновариантная система), то возможно изменение одного из факторов в некоторых пределах, без изменения числа фаз;

· Если вариантность C = 0 (нонвариантная cистема), то внешние факторы изменять нельзя без изменения числа фаз в системе.

Существует математическая связь между числом компонентов (К), числом фаз (Ф) и вариантностью системы (С). Это правило фаз или закон Гиббса:

С = К — Ф + 2

Если принять, что все превращения происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится:

С = К — Ф + 1

С – число степеней свободы; К – число компонентов; Ф – число фаз; 1,2 – учитывает возможность изменения температуры.

Фазы в металлических сплавах.

Сплавы в зависимости от взаимодействия компонентов подразделяются на:

· смеси зерен с ограниченной растворимостью, т.е. механические смеси;

· растворы с неограниченной растворимостью компонентов, т.е. твердые растворы;

· химические соединения компонентов.

Твердый раствор – фаза, к которой один из компонентов сплава (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, а другой (другие) компонент располагается в решетке растворителя, изменяя ее размеры. Различают следующие виды твердых растворов – твердый раствор замещения и твердый раствор внедрения.

Рисунок 1. Расположение атомов в твердых растворах: а – замещения, б – внедрения (○ – атом компонента растворителя, ● – атом растворенного компонента).

При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке (Рис.1 а).

При образовании твердого раствора внедрения атомы растворенного компонента размещаются между атомами растворителя (Рис.1 б).

При образовании твердого раствора кристаллическая решетка всегда искажается, и периоды ее изменяются. При образовании твердого раствора замещения период решетки может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от соотношения атомных радиусов растворителя и растворенного компонента (Рис.2).

Рисунок 2. Искажение кристаллической решетки при образовании твердого раствора замещения.

Твердый раствор состоит из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу. Твердые растворы мягки и пластичны. Благодаря высокой пластичности они хорошо поддаются ковке и другим видам обработки давлением. Литейные свойства и обрабатываемость резанием у твердых растворов низкие.

Примерами твердых растворов внедрения, имеющих промышленное значение, являются твердые растворы внедрения углерода в железо.

Механическая смесь (рис. 3) образуется тогда, когда при кристаллизации компоненты сплава не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.

Рисунок 3. Схема микроструктуры механической смеси.

Свойства механической смеси определяются количественным соотношением входящих в неё кристаллов компонентов. Сплавы механические смеси имеют хорошие литейные свойства.

Сплавы химические соединения образуются между элементами значительно различающимися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между однородными атомами больше чем между разнородными.

Особенности сплавов химические соединения:

· постоянство состава, т.е. сплав образуется при определенном соотношении компонентов;

· образуется специфическая решетка с правильным упорядоченным расположением атомов, отличающаяся от решеток элементов, составляющих химическое соединение (Рис. 4);

· ярко выражены индивидуальные свойства;

Рисунок 4. Кристаллическая решетка химического соединения.

Химическим соединениям, находящимся в сплавах, свойственны повышенная твердость, хрупкость и постоянная температура плавления.

Кроме растворов и химических соединений возможно образование таких фаз, которые не могут быть полностью отнесены к перечисленным и являются промежуточными фазами.