Понятия сплав, компонент, фаза, механические смеси, твердые растворы, химические соединения. Правила отрезков. Правила фаз.

Сплавы - это вещества, состоящие из нескольких элементов, взятых в произвольных соотношениях. Сплавы получаются путем сплавления различных элементов в жидком состоянии, но могут быть получены и за счет диффузии в твердом состоянии, и путем совместной конденсации паров или другими способами. Компонентами сплава называют химические элементы или химические соединения, входящие в состав сплава. По числу компонентов сплавы делят на двойные, тройные и т. д. Сплавы, получаемые из металлических элементов и обладающие металлическими свойствами (металлический блеск, пластичность, электро- и теплопроводность и др.), называют металлическими сплавами.

В зависимости от химической природы элементов, размера их ионов и типа кристаллической решетки компоненты могут растворяться друг в друге (ограниченно или неограниченно), могут быть нерастворимыми друг в друге или образовывать новые химические соединения. Отдельные однородные части сплавов, отделенные от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав и свойства меняются скачком, называются фазами.

Как правило, в жидком состоянии компоненты сплавов хорошо растворяются друг в друге. При понижении температуры и кристаллизации сплавы могут быть получены в виде:

· твердого раствора,

· механической смеси,

· химического соединения.

Твердый раствор образуется тогда, когда компоненты сплава обладают взаимной растворимостью в твердом состоянии. Твердый раствор - однородное (однофазное) кристаллическое тело, имеющее один тип кристаллической решетки, поскольку в решетку основного компонента (растворителя) входят атомы растворенного элемента. При этом возможно образование твердых растворов двух типов: 1) твердые растворы замещения 2) твердые растворы внедрения. Кроме того, на базе химического соединения еще различают твердые растворы вычитания.

В твердом растворе замещения атомы растворенного элемента замещают атомы растворителя в его кристаллической решетке. При этом параметры решетки растворителя изменяются в зависимости от разности атомных диаметров растворенного элемента и растворителя. Если атомный диаметр растворенного элемента больше атомного диаметра растворителя, то элементарная ячейка решетки этого раствора искажается и увеличивается, в противном случае она сокращается.

В твердом растворе внедрения атомы растворенного элемента размещаются между атомами растворителя в его кристаллической решетке, как межузельный атом. Для образования твердого раствора внедрения необходимо, чтобы отношение атомного радиуса растворенного элемента к атомному радиусу растворителя было равно или меньше 0,59. При образовании твердых растворов внедрения параметр решетки растворителя всегда увеличивается, что приводит к значительному искажению решетки. Твердые растворы внедрения обычно получаются тогда, когда металл растворяет неметаллический элемент (водород, азот, углерод, бор и др.) с малыми атомными размерами. Например, твердый раствор в железе представляет собой твердый раствор внедрения. Отношение атомного радиуса азота к атомному радиусу железа равно 0,56.

Схема образования твердых растворов замещения (а) и внедрения (б)

В твердом растворе вычитания, образующемся на базе химического соединения, отдельные узлы кристаллической решетки остаются незанятыми (“пустыми”). Это происходит тогда, когда на базе химического соединения (например, закиси железа FеО) получается твердый раствор растворением одного из элементов (например, кислорода), составляющих химическое соединение (FеО). Растворение происходит не замещением атомов железа атомами кислорода, а изъятием некоторого числа атомов железа из узлов решетки химического соединения FеО. В результате появляются “пустые места” (“дырки”).

Механическая смесь образуется тогда, когда при кристаллизации компоненты сплава обладают полной нерастворимостью в твердом состоянии. Металлы, образующие такие сплавы, сохраняют свою кристаллическую решетку. Такое строение имеет, например, сплав свинца с сурьмой. При рассмотрении этого сплава под микроскопом видны зерна свинца и зерна сурьмы. Механические смеси образуют металлы, существенно отличающиеся атомными объемами или кристаллической решеткой. Например, в сплаве свинец - сурьма, их кристаллические решетки: у свинца ГЦК, а у сурьмы ромбоэдрическая. Свойства такого сплава зависят от соотношения количества его компонентов.

Химическое соединение образуется при сплавлении разных металлов или металла с неметаллом. Химическое соединение - однородное кристаллическое тело, имеющее свою решетку с упорядоченным расположением к ней атомов компонентов и свои специфические свойства, отличные от решеток и свойств исходных компонентов. Химические соединения образуются при строго определенном соотношении компонентов и могут быть выражены формулой. Так, при сплавлении меди и алюминия получается интерметаллидное соединение СuАl₂, имеющее тетрагональную кристаллическую решетку (медь и алюминий имеют ГЦК решетку).

Чистые металлы характеризуются низким пределом прочности, поэтому в технике применяют главным образом их сплавы. Металлическим сплавом называют сложное вещество, полученное сплавлением (или спеканием) нескольких металлов или металлов с неметаллами. Например, мягкая медь с добавлением олова превращается в более твердую бронзу. При этом улучшаются эксплуатационные и технологические свойства металлического материала.

Для изучения процессов, происходящих в сплавах при их превращениях, а также для описания строения сплавов в металловедении используют понятия: компонент, фаза, система.

Компонентами называют вещества, образующие систему. Чистый металл представляет собой однокомпонентную систему, сплав двух металлов - двухкомпонентную систему и т.д. Компонентами могут быть металлы и неметаллы, а также устойчивые, т.е. не диссоциирующие на составные части в рассматриваемых интервалах температур вещества — химические соединения. Так, для цветных металлических сплавов компонентами могут быть металлы (например, медь с цинком образует латунь), а для черных— металлы с небольшим содержанием неметаллов (железо с углеродом — чугун, сталь).

Фазой называют однородную часть системы, имеющую одинаковый состав, одно и то же агрегатное состояние и отделенную от остальных частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяются скачкообразно.

Совокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (давлении, температуре), называют системой. Например, однородная жидкость (расплавленный металл) является однофазной системой, при кристаллизации чистого металла система состоит из двух фаз: жидкой (расплавленный металл) и твердой (зерна закристаллизовавшегося металла). Другой пример: механическая смесь двух видов кристаллов образует двухфазную систему, так как каждый кристалл отличен по составу или строению и отделен один от другого поверхностью раздела. Сплав называют однородным (гомогенным), если его структура однофазна, и разнородным (гетерогенным), если его структура состоит из нескольких фаз. Под структурой сплава понимают видимое в микроскоп взаимное расположение фаз, их форму и размеры Компоненты в сплавах могут составлять жидкие и твердые растворы, химические соединения и механические смеси.

Однородные жидкие растворы (а) характерны почти для всех металлов, растворяющихся друг в друге в жидком состоянии в любых соотношениях. В однородном жидком растворе атомы 1 растворимого металла (компонента) А равномерно распределены среди атомов металла В - растворителя. Лишь немногие металлы растворяются в жидком состоянии ограниченно. И только очень немногие металлы из-за большой разницы в размерах своих атомов не растворяются друг в друге в жидком состоянии. В процессе кристаллизации и затвердевания сплавов взаимодействие компонентов может быть различным.

Твердые растворы образуются в результате перехода в твердое состояние однородных жидких растворов. В твердом растворе одно из веществ, входящих в состав сплава, сохраняет присущую ему кристаллическую решетку, а другое в виде отдельных атомов распределяется в кристаллической решетке первого вещества. Твердые растворы бывают двух типов: твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения. Независимо от типа твердые растворы однофазны.

.

Структура и строение элементарной ячейки различных сплавов из двух металлов А и В: 1- атомы металла А, 2- атомы металла В, 3 - твердый раствор замещения, 4 — твердый раствор внедрения

В твердых растворах замещения часть атомов в кристаллической решетке одного из компонентов замещена атомами другого(б). Твердые растворы замещения образуются, например, в сплавах железа с хромом, никелем и с другими элементами. Твердые растворы замещения называют неупорядоченными твердыми растворами, поскольку атомы растворимого элемента могут замещать атомы растворителя в любых узлах решетки.

В твердых растворах внедрения атомы растворенного компонента внедряются в межатомное пространство кристаллической решетки другого компонента-растворителя (б). Твердые растворы внедрения образуются, например, в сплавах железа с водородом, азотом, бором.

Химические соединения (в) образуются при сплавлении различных металлов или металла с неметаллом. Соотношение чисел атомов элементов химического соединения может быть выражено формулой вида АnBm. Химическое соединение — однородное кристаллическое тело, имеет кристаллическую решетку с упорядоченным расположением атомов, которая отлична от решеток элементов, образующих это соединение. Химические соединения, как и чистые металлы, имеют постоянную температуру плавления и, как правило, обладают большой твердостью и значительной хрупкостью.

Механическая смесь (г) двух компонентов А и В образуется тогда, когда при кристаллизации компоненты сплава не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. Механическая смесь может состоять из зерен двух насыщенных твердых растворов или зерен твердого раствора и химического соединения. В этом случае сплав состоит из кристаллов А и В, которые, если они достаточно крупны, отчетливо выявляются на микроструктуре. Рентгенограмма сплава отчетливо показывает наличие двух решеток компонентов А и В.

Температуры, при которых изменяется строение металлов и сплавов, называют критическими точками. При плавлении и затвердевании чистые металлы имеют одну критическую точку, а сплавы — две. В интервале между этими точками в сплавах существуют две фазы — жидкий сплав и кристаллы.

Правило отрезков

Для определения количественного соотношения фаз и концентрации фаз применяют правило отрезков (или правило рычага).

Рассмотрим на диаграмме состояния системы Pb-Sbсплав с исходной концентрацией К. При температуре Т сплав состоит из кристаллов сурьмы и жидкости. Для определения состава фаз через заданную точкуа проводят линию до пересечения с границами области диаграммы. Проекция точкивна ось концентрации покажет состав жидкой фазы, а проекция точки c - состав твердой фазы. Из диаграммы видно, что в процессе кристаллизации при понижении температуры , состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус и стремится к эвтектической концентрации, а состав твердой фазы остается постоянным.

При кристаллизации изменяется и соотношение фаз: количество твердой фазы увеличивается, жидкой - уменьшается.

Обозначим вес жидкой фазы черезQ_ж, твердой через Q_тв, а общий вес жидкой и твердой фаз через Q. Если написать уравнение моментов относительно точки а, то

Qж .ав = Qтв. ас ;Q_ж/ Q_тв = ас/ав ; Q_ж / Q = ас/вс ; Q_ж = ас/вс. 100%;

Q_тв/ Q = ав/вс ;Q_тв = ав/вс . 100%