Основные типы сплавов
Чистые металлы в большинстве случаев не обеспечивают необходимого комплекса механических, технологических и функциональных свойств и поэтому применяются редко. В большинстве случаев в технике используют сплавы.
Металлическим сплавом называют материал, состоящий из двух или более компонентов и обладающий свойствами, характерными для металлов. Сплавы создаются в результате расплавления, спекания исходных компонентов и другими методами [7]. Необходимым процессом получения сплава является диффузия элементов в твердом, жидком или газообразном состоянии. Диффузия осуществляется путем взаимного проникновения частиц каждого из компонентов сплава с образованием новых однородных тел, называемых фазами.
Для описания свойств сплавов в металловедении используют понятия: система, фаза, компонент.
Системой называют совокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (температуре, давлении).
Фазой называют однородную по химическому составу, кристаллическому строению и свойствам часть системы, отделенную от ее других частей поверхностью раздела. Однофазной системой являются, например, однородная жидкость, твердый чистый металл; двухфазной – механическая смесь двух видов кристаллических веществ.
Компонентами называют вещества, образующие систему. Компонентами могут быть элементы (металлы и неметаллы), а также химические соединения. По числу компонентов различают двойные, тройные и многокомпонентные сплавы. Компонент сплавов может быть основным, легирующим или случайным.
Сплавы, находящиеся в твердом состоянии, делят по составу на 3 группы: твердый раствор, химическое соединение, механическая смесь компонентов.
Твердый раствор. В жидком состоянии большинство металлических сплавов представляет собой однородные жидкости, т.е. жидкие растворы. При переходе в твердое состояние во многих таких сплавах однородность, а следовательно и растворимость, сохраняется. Твердый раствор, как и металл, имеет одну кристаллическую решетку, соответствующую типу кристаллической решетки основного компонента сплава (растворителя). Различие состоит в том, что в кристаллической решетке металла размещаются атомы одного элемента, а в твердом растворе – атомы различных элементов, образующих этот твердый раствор.
По характеру размещения атомов в кристаллической решетке различают твердые растворы замещения (рис. 3.3,а) и твердые растворы внедрения (рис. 3.3,б).
Рис. 3.3. Расположение атомов в твердых растворах [1]: а – замещения; б – внедрения; ™ – атом компонента-растворителя; ˜ – атом растворимого компонента
В твердых растворах замещения, состоящих из компонентов А и В, атомы растворимого компонента В замещают отдельные атомы основного компонента А – растворителя в кристаллической решетке. В этом случае при несовпадении размеров атомов размер элементарной ячейки может изменяться. Растворимость в твердом состоянии может быть неограниченной или ограниченной. Неограниченная растворимость обеспечивает замещение в кристаллической решетке любого числа атомов компонента А атомами компонента В.
Неограниченная растворимость возможна при следующих условиях:
1) наличие у компонентов кристаллических решеток (элементарных ячеек) одного типа;
2) незначительное отличие размеров атомов компонентов (не более чем на 8 %);
3) достаточно близкое соответствие строения валентных оболочек атомов компонентов (тип химической связи).
Примерами сплавов с неограниченной растворимостью компонентов являются сплавы Cu–Ni, Fe–Ni, Fe–Cr и др.
Если компоненты сплава не полностью удовлетворяют указанным выше условиям, образуются твердые растворы замещения с ограниченной растворимостью компонентов.
При этом чем больше разница в размерах атомов компонентов, тем меньше растворимость в твердом состоянии. С изменением температуры ограниченная растворимость в твердом состоянии обычно меняется. Примерами систем с ограниченной растворимостью компонентов являются Al–Cu, Mg–Al и др.
В твердом растворе внедрения атомы растворимого компонента внедряются в междоузлия кристаллической решетки основного компонента (рис. 3.3,б). Такие твердые растворы обычно образуются, когда атомы растворимого компонента имеют небольшие размеры по сравнению с атомами растворителя. Чаще всего это имеет место, когда в металле растворяются неметаллические элементы. Примером твердого раствора внедрения является сплав Fe–C.
Химическое соединение. Элементы, образующие химические соединения, обычно резко отличаются по размерам атомов, строению электронных оболочек и параметрам кристаллических решеток. К образованию химических соединений склонны элементы, далеко расположенные друг от друга в периодической таблице Д.И. Менделеева.
В отличие от обычных химических соединений многие металлические соединения имеют переменный состав, который может изменяться в широких пределах. Получение химического соединения AmBn с образованием однородного кристаллического вещества возможно только при строго определенных весовых соотношениях компонентов. При этом образуется кристаллическая решетка, не похожая на решетки сплавляемых компонентов. Примером может служить сплав Cu–Mg при содержании 17 % Mg. Свойства сплава – химического соединения резко отличаются от свойств элементов, образующих его.
Сплавы – химические соединения не всегда встречаются в чистом виде. Например, при избытке растворимого компонента возможно образование химического соединения в комбинации с твердым раствором.
Механическая смесь. Образование механических смесей происходит, когда элементы обладают ограниченной растворимостью, а также при наличии химического соединения. Механические смеси могут состоять из кристаллов чистых компонентов, твердых растворов и химических соединений. При образовании механической смеси кристаллические решетки отдельных фаз не меняются. Механические смеси обычно образуют металлы, отличающиеся друг от друга размерами атомов и температурой плавления. Примером сплава, образующего механическую смесь, является система Ag–Pb.
Приведенные выше положения указывают в общем виде на особенности взаимодействия элементов при образовании сплавов и на их возможную структуру. Однако при образовании и термообработке сплавов на основе конкретных компонентов возникают особенности, которые в металловедении изучаются экспериментально. Например, для установления режимов термической обработки сплавов с целью придания им необходимых свойств необходимо знать температуры начала и окончания процессов плавления, перехода в твердое состояние, особенности структурных превращений в критических точках. Построение кривых охлаждения (нагревания) на основе экспериментальных данных называется термическим анализом. Полученные экспериментальные данные систематизируют, обобщают и отображают в виде особых диаграмм – диаграмм состояния сплавов.