Основы теории сплавов

Чистые металлы находят довольно ограниченное применение в качестве конструкционных материалов. Основными конструкционными материалами являются сплавы. Они обладают более ценными комплексами механических, физических и технологических свойств, чем чистые металлы.

Сплавом называют вещество, полученное сплавлением двух или более элементов (компонентов).

Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называют металлическим сплавом. Металлические сплавы можно также получать методами порошковой металлургии (спеканием), диффузией, осаждением нескольких элементов на катоде при электролизе водных растворов.

К основным понятиям в теории сплавов относятся система, компонент, фаза.




Система — группа тел, выделяемых для наблюдений и изучения. В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы.

Компонентами называют вещества, образующие систему, взятые в наименьшем количестве. В металлических сплавах компонентами могут быть элементы (металлы и неметаллы) и химические соединения (не диссоциирующие при нагревании). Чистые компоненты обозначаются прописными буквами латинского алфавита А, В, С, Д.

Фазой называется однородная часть системы, отделенная от другой части системы поверхностью раздела, при переходе через которую состав, строение и свойства изменяются скачком.

Сплавы могут быть однофазными, двухфазными, трехфазными.

В зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы, твердые растворы и химические соединения.

Почти все металлы в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях. В результате образуется однородный жидкий раствор с равномерным распределением атомов одного металла среди атомов другого металла.

Твердые растворы — это фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (или другого) компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры.

Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу.

В зависимости от характера распределения атомов элемента различают твердые растворы внедрения, замещения и вычитания.

В твердых растворах внедрения атомы растворимого элемента распределяются в кристаллической решетке металла-растворителя, занимая места между его атомами. Разместиться в таких пустотах могут только атомы с очень малыми размерами. Наименьшие размеры атомов имеют некоторые металлоиды и водород, азот, углерод, бор, которые и образуют с металлами твердые растворы внедрения.

В твердых растворах замещения атомы растворимого элемента занимают места атомов основного металла. Посторонние атомы могут замещать атомы растворителя в любых местах, поэтому такие растворы называют неупорядоченными твердыми растворами.

Твердые растворы замещения могут быть ограниченной и неограниченной растворимости. Так, в алюминии может растворяться до 5,5 % меди, в меди — до 39% цинка. Неограниченной растворимостью обладают, например, компоненты систем: Сu-Ni, Cu-Au, Ag-Au, Cu-Pt, Fe-Cr, Fe-Ni. Для образования твердых растворов неограниченной растворимости должны выполняться следующие условия: компоненты должны иметь одинаковые по типу кристаллические решетки; различие в атомных размерах компонентов должно быть незначительным и не превышать 8…15 % (например, Аg и Cu — DR = 0,2%, Сu и Ni — DR = 2,7 %); компоненты должны принадлежать к одной и той же группе периодичной системы или смежной родственной группе и иметь в атомах близкое строение валентной оболочки электронов.

В некоторых сплавах с понижением температуры в твердых растворах замещения может произойти процесс перераспределения атомов, в результате которого атомы растворенного элемента займут строго определенные места в решетке растворителя. Такие твердые растворы называют упорядоченными, а их структуру — сверхструктурой. Температуру перехода в упорядоченное состояние называют ”точкой Курнакова”. Полностью упорядоченные растворы образуются, когда отношение компонентов в сплаве равно целому числу: 1:1, 1:2, 1:3 и т.д. В этом случае сплаву можно приписать формулу химического соединения, например, CuAu, Cu3Au. Их можно рассматривать как промежуточные фазы между твердыми растворами и химическими соединениями. В отличие от химического соединения сохраняется решетка растворителя, и при нагреве выше точки Курнакова степень упорядочения постепенно уменьшается и они становятся неупорядоченными. Упорядоченные твердые растворы характеризуются большей твердостью, прочностью, меньшей пластичностью и электросопротивлением.

Твердые растворы вычитания образуются на основе некоторых химических соединений, когда к этому химическому соединению добавляется один из входящих в его формулу элементов. Атомы этого элемента занимают нормальные положения в решетке соединения, а места, где должны были бы находиться атомы второго компонента, оказываются незаполненными, пустыми. Такие твердые растворы образуются, например, при сплавлении химического соединения NiAl с Аl, карбида титана ТiС с Тi, когда FeО растворяет кислород.

Твердые растворы принято обозначать строчными буквами греческого алфавита a, b, g, d.

Химические соединения и родственные им по природе фазы в металлических сплавах многообразны. Они обычно образуются элементами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решетках.

Характерные особенности химических соединений:

  1. кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов, образующих соединение;
  2. сохраняется простое кратное соотношение компонентов в виде АnВm;
  3. свойства соединения резко отличаются от свойств образующих его компонентов;
  4. температура плавления (диссоциации) постоянная.

Образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.

Соединения одних металлов с другими называются интерметаллидами. Связь между атомами в интерметаллидах чаще металлическая. Примером являются соединения Мg2Sn, Мg2Pb.

При образовании химического соединения металла с неметаллом возникает ионная связь, например, в соединении NaCl.

Переходные металлы (Fe, Mn, Cr, Mo, W, V и др.) образуют с углеродом карбиды, с азотом нитриды, с бором бориды, с водородом гидриды (железо гидридов не образует) Они имеют общность строения и свойств и называются фазами внедрения. Они имеют формулы: МХ (WC, VC, TiC, NbC, TiN, VN, и др.); М2Х (W2C, Mo2C, Fe2N и др.); М4 Х (Fe4N, Mn4N и др.).

Кристаллическая структура фаз внедрения определяется соотношением атомных радиусов неметалла (Rx) и металла (Rм). Если Rx/Rм < 0,59, то атомы металла в этих фазах расположены по типу одной из простых кристаллических решеток: кубической (К8, К12) или гексагональной (Г12), в которую внедряются атомы неметалла, занимая в ней определенные поры.

Если это условие не выполняется, как это наблюдается для карбида железа, марганца и хрома, то образуются соединения с более сложными решетками, и такие соединения нельзя считать фазами внедрения.

Многие фазы внедрения обладают высокой прочностью, твердостью и их часто применяют в сталях для получения повышенной прочности (стали с дисперсионным упрочнением).

Кроме того, к химическим соединениям относятся электронные соединения и фазы Лавеса (АВ2),например, MgZn2, MgCu2, CaAl2.

Электронные соединения чаще образуются между одновалентными (Сu, Ag, Au, Li, Na) металлами или металлами переходных групп (Fe, Mn, Co и др.) с одной стороны и простыми с валентностью от 2 до 5 (Вe, Mg, Zn, Cd, Al и др.).




Лекции и краткая теория по экономике, материаловедению, электротехнике и ТКМ