2015-05-20
1711
Вопрос: «Что такое сплавы?»
Ответ. Сплавы — сложные вещества, получаемые сплавлением двух или более простых веществ, называемых компонентами.
Сплавление представляет собой процесс совместной кристаллизации компонентов из расплавленного состояния.
С развитием порошковой металлургии всё большее количество сплавов получают спеканием. При спекании порошки компонентов смешивают и подвергают давлению при высокой температуре. Существенным отличием этого процесса от сплавления является то, что основные компоненты, образующие сплав, не доводятся до расплавления.
Возможны и другие способы получения сплавов, например электролиз, конденсация (расплав → пар → конденсат) или возгонка (совместное горение), но они не имеют пока широкого промышленного применения.
Сплав считается металлическим, если его основу (свыше 50% по массе) составляют металлические компоненты. Металлические сплавы обладают более высокими прочностными и другими механическими свойствами по сравнению с чистыми металлами. По этой причине они получили широкое применение в качестве конструкционных материалов.
По числу компонентов сплавы делят на двойные, тройные и т.д. Основу большинства многокомпонентных сплавов, как правило, составляет какой-нибудь двойной сплав. Например, основу легированных сталей составляет сплав железа с углеродом. Основа всех многокомпонентных цветных сплавов (латуней, бронз, титановых и других сплавов), как правило, состоит из двух главных компонентов.
Любой сплав представляет собой систему. Система – ограниченное множество взаимодействующих объектов. Объектами в этом случае являются компоненты сплава и фазы.
Фазой называется однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачком.
Следовательно, расплав компонентов, представляющий собой однородную жидкость, является однофазной системой, а расплав, в котором появились кристаллы или смесь двух видов кристаллов, являются двухфазными системами, так как каждый кристалл отличается от другого по составу или по строению и они отделены друг от друга поверхностью раздела.
В жидком состоянии большинство металлов неограниченно растворяется друг в друге, образуя однофазный жидкий раствор. Только некоторые металлы, например железо со свинцом, медь со свинцом, почти полностью не растворимы в жидком состоянии и разделяются по плотности, образуя два несмешивающихся жидких слоя (двухфазную систему).
В твердом виде структура сплавов зависит от характера взаимодействия их компонентов и может представлять собой механическую смесь, химические соединения или твердый раствор. Механические и физические свойства любого сплава определяются типом взаимодействия его компонентов и их исходными свойствами.
Сплавы, являющиеся по природе механической смесью, неоднородны по составу, в твердом состоянии их структура представляет собой мельчайшую смесь кристаллитов компонентов, которые в жидком состоянии могут иметь полную взаимную растворимость.
Свойства такого сплава получаются усредненными по сравнению со свойствами компонентов, которые его образуют, а рентгеноструктурный анализ устанавливает наличие в сплаве кристаллических решеток всех его компонентов.
Химическое соединение может образовываться в металлических сплавах как между металлами, так и между металлами и неметаллами — компонентами системы, и, главное, характеризуется образованием новой кристаллической решетки с упорядоченным расположением в ней атомов компонентов. При этом новая решетка значительно отличается от решеток компонентов, и свойства сплава при этом существенно иные. Химическое соединение образуется при строгом массовом соотношении компонентов в соответствии с его стехеометрической формулой, т.е. А п В т . Важно отметить, что химические соединения обычно тугоплавки, тверды, статически прочны и нередко хрупки.
Твердый раствор отличается от механической смеси и химического соеди-нения тем, что наследует кристаллическую решетку одного из компонентов, ко-торый называется растворителем, а атомы второго компонента (растворимого) располагаются внутри нее.
Обозначение твердых растворов: А(В) – твердый раствор компонента В
в компоненте А, А – компонент-растворитель, В – компонент-растворимое.
В отличие от химического соединения такой сплав существует в широком интервале концентраций компонентов.
Твердые растворы по расположению атомов в кристаллической решетке подразделяются на растворы внедрения и замещения.
Рисунок 1 Твердые растворы внедрения (а) и замещения (б)
В твердом растворе внедрения атомы растворенного компонента занимают место между узлами кристаллической решетки металла-растворителя. Поэтому такой тип твердых растворов может образоваться в том случае, если размеры атомов растворимого существенно меньше размеров атомов растворителя (углерод и железо).
В твердом растворе замещения атомы растворимого замещают в узлах кристаллической решетки атомы растворителя. Поскольку размеры растворенных атомов отличаются от размеров атомов растворителя, то образование твердого раствора сопровождается искажением кристаллической решетки растворителя (рис.1).
В зависимости от того, какое количество атомов растворимого может разместиться в кристаллической решетке растворителя, твердые растворы могут быть с ограниченной и неограниченной растворимостью.
В твердых растворах с ограниченной растворимостью концентрация рас-творенного компонента возможна до определенных пределов.
В твердых растворах с неограниченной растворимостью возможна любая концентрация растворенного компонента (от 0 до 100%).
Твердые растворы внедрения всегда являются ограниченными, растворы замещения могут быть как ограниченными, так и неограниченными.
Твердые растворы замещения с неограниченной растворимостью образу-ются при соблюдении следующих условий:
1) у компонентов должны быть однотипные кристаллические решетки;
2) небольшое различие в атомных радиусах компонентов;
3) компоненты должны обладать близостью физико-химических свойств.
Однако даже соблюдение этих условий не всегда приводит к образованию твердых растворов замещения с неограниченной растворимостью. На практике, как правило. образуются твердые растворы с ограниченной растворимостью.
