Особенности строения, кристаллизации и свойств сплавов. Механические смеси, твердые растворы, химические соединения

Понятие о сплавах и методах их получения

Система –группа тел, выделяемая для наблюдения и изучения

Сплавы– сложные вещества, получаемые сплавлением металлов или металлов с неметаллами. Другие способы приготовления сплавов: спекание, электролиз, плазменное напыление, кристаллизация из паров, восстановление из оксидов и др. Простые вещества, образующие сплав, называются компонентами сплава. Сплавы называются однородными (гомогенными), если их структура однофазная, и разнородными (гетерогенными), если структура их состоит из нескольких фаз.

Основные понятия в теории сплавов

Система. В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы. Чистый металл является однокомпонентной системой, сплав – сложной системой, состоящей из двух или более компонентов.

Компоненты – вещества, образующие систему. В качестве компонентов выступают чистые вещества и химические соединения. Если они не диссоциируют на составные части в исследуемом интервале температур.

Фаза– однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностью раздела , при переходе через которую структура и свойства резко меняются.

Вариантность (С) (число степеней свободы) – это число внутренних и внешних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения количества фаз в системе. Если вариантность С = 1 (моновариантная система), то возможно изменение одного из факторов в некоторых пределах без изменения числа фаз. Если вариантность С=0 (нонвариантная система), то внешние факторы изменять нельзя без изменения числа фаз в системе. Т.е. существует при определенных значениях р, Т, содержания каждой фазы. При С=0 система включает максимально возможное число фаз.

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

С = К – Ф + 2

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

С = К – Ф + 1

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

При кристаллизации элемента из расплава в системе существует две фазы – жидкая и тверда, что возможно только при постоянной температуре. Поэтому процесс кристаллизации является изотермическим (С=0). После полного исчезновения одной фазы в системе С=1. Параметр n характеризует внешние факторы (р,Т) оказывающие влияние на систему. Таким образом, n=2. В обычных условиях давленеи (атмосферное) не оказывает заметного влияния на состояние системы, поэтому принимают n=1. Из этого следует важный практический вывод: при постоянном давлении, равном атмосферному. Число фаз, находящихся в равновесии, не может превышать больше, чем на единицу, число компонентов (К), т.е. Ф £К+1.

Особенности строения, кристаллизации и свойств сплавов. Механические смеси, твердые растворы, химические соединения

Строение металлического сплава зависит от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, составляющие сплав. Почти все металлы в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях. При образовании сплавов в процессе их затвердевания возможно различное взаимодействие компонентов.

В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы:

1. Механические смеси; 2. Химические соединения; 3. Твердые растворы.

Сплавы механические смеси образуются, когда компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. Механические смеси образуются между элементами, значительно различающимися по строению и свойствам, когда сила взаимодействия между атомами одного элемента больше, чем между разнородными. Сплав состоит из кристаллов входящих в него компонентов (рис.). В сплавах сохраняются кристаллические решетки компонентов.

Рис. Схема микроструктуры механической смеси

В сплавах возможно образование фаз постоянного состава, соотношение элементов в которых подчиняется правилу валентности. Такие сплавы называются химическими соединениями. В сплавах существуют химические соединения переменного состава, не соответствующие правилу валентности, так называемые промежуточные фазы. Сплавы химические соединения образуются между элементами, значительно различающимися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между разнородными атомами больше, чем между однородными. Особенности этих сплавов:

1. Постоянство состава, то есть сплав образуется при определенном соотношении компонентов, химическое соединение обозначается AnBm.

2. Образуется специфическая, отличающаяся от решеток элементов, составляющих химическое соединение, кристаллическая решетка с правильным упорядоченным расположением атомов (рис.)

Рис. Кристаллическая решетка химического соединения

3. Ярко выраженные индивидуальные свойства

4. Постоянство температуры кристаллизации, как у чистых компонентов.

Наиболее распространенные химические соединения: с ионным типом связи – простые и сложные оксиды (FeO, CuO, Cu₂O, MgO×Al₂O₃ и др.); с ионно-ковалентным типом связи – сульфиды, фосфиды металлов (ZnS, AlP и др.); с металлическим типом связи: карбиды, гидриды, нитриды переходных металлов. В зависимости от соотношения размеров атомов неметалла и металла образуются фазы внедрения M₄X, Me₂X, MeX (Fe₄N, W₂C, TiC и др.) или сложные пространственные решетки. Если соотношение радиусов атомов неметалла и металла превышает 0.59 образуются соединения типа Fe₃C, Cr₂₃C₆, Cr₇C₃ и др.).

Сплавы твердые растворы – это фаза, состоящая из двух или более компонентов, один из которых, сохраняя кристаллическую решетку, является растворителем, а другой (или другие) распределяются в решетке растворителя, не изменяя ее типа. Это кристаллические вещества. Характерная особенность твердых сплавов – наличие в их кристаллической решетке разнородных атомов, при сохранении типа решетки растворителя. Твердый раствор состоит из однородных зерен (рис.)

Рис. Схема микроструктуры твердого раствора