ДІАГРАМИ СТАНУ. МЕТОДИ ЗМІЦНЕННЯ СПЛАВІВ

Сплави. Термінологія

У машинобудуванні чисті метали використовуються вкрай рідко, тому що не забезпечують необхідних експлуатаційних властивостей. Широке застосування в якості конструкційних і інструментальних матеріалів знайшли металеві сплави, які але порівняно з чистими металами мають більш високу міцність і твердістю.

Сплави - речовини, одержувані сплавом або спіканням двох або більше компонентів . Компоненти - прості речовини (часто це хімічні елементи), що утворюють сплав. При сплаві всі компоненти сплаву спочатку знаходяться в рідкому стані, при спіканні (порошкова металургія) принаймні один з компонентів знаходиться в твердому стані.

Сплави можуть являти собою системи "метал - метал" або "метал - неметал". Наприклад, латуні - сплави двох металів - міді і цинку; стали і чавуни, найбільш поширені в техніці матеріали, - це сплави заліза (метал) і вуглецю (неметалл).

Компоненти сплаву утворюють фази - однорідні частини сплаву, що мають (за певних зовнішніх умовах) однакові склад, агрегатний стан, кристалічну будову (в твердому стані), властивості і поверхні розділу (межі), що розділяють фази, при переході через які властивості різко змінюються. Наприклад, рідкий метал є однофазною системою. У процесі кристалізації система складається з двох фаз - рідкої і твердої. При цьому властивості фаз значно різняться.

Фази утворюють структуру (будова) сплаву, яка характеризується кількістю, формою, розмірами і розташуванням фаз.

Структурні складові сплаву - це відокремлені частини сплаву, що мають однакову будову, з притаманними їм характерними особливостями (наприклад, евтектика - див. Нижче 3.4.2 і рис. 3.5). Структурні складові можуть включати кілька фаз.

Типи з'єднань, що утворюють структуру сплавів

Компоненти сплаву можуть розчинятися один в одному, утворювати хімічні сполуки або не вступати у взаємодію. Відповідно до характеру взаємодії компонентів розрізняють наступні основні типи з'єднань: тверді розчини, хімічні сполуки і суміші (компоненти можуть утворювати і інші типи з'єднань, які тут не розглядаються).

Тверді розчини характеризуються тим, що при їх утворенні один компонент - розчинник зберігає свою кристалічну решітку, а інший - розчинний віддає свої атоми в кристалічну решітку розчинника. В результаті утворюється одна фаза з кристалічною решіткою компонента - розчинника. Розрізняють тверді розчини заміщення і тверді розчини впровадження (рис. 3.1).

При утворенні твердих розчинів заміщення атоми розчинного компонента В заміщають атоми розчинника А в його кристалічній решітці. За взаємної розчинності компонентів розрізняють тверді розчини заміщення з необмеженою і обмеженою розчинністю компонентів. У твердих розчинах з необмеженою рас

Кристалічна решітка твердою розчину (схема)

Мал. 3.1. Кристалічна решітка твердою розчину (схема):

а - заміщення; б - впровадження

творені компонентів можлива будь-яка концентрація розчинної компонента (аж до 100%).

Умови освіти твердих розчинів заміщення:

  • - Компоненти належать одній або суміжних груп Періодичної системи хімічних елементів і мають близьке будова валентної оболонки електронів атомів;
  • - Компоненти мають кристалічні решітки одного типу;
  • - Атомні радіуси компонентів повинні мати невелике розходження - не більше 8 ... 15%, при більшій різниці тверді розчини не утворюються.

Оскільки атомні радіуси компонентів неоднакові, при утворенні твердих розчинів заміщення відбувається спотворення кристалічної решітки (рис. 3.2).

При утворенні твердих розчинів впровадження атоми розчинного компонента В розміщуються в кристалічній решітці компонента розчинника А між його атомами. Тверді розчини впровадження утворюються, якщо відмінність атомних радіусів розчинника та розчинної компонента відрізняються значно: r ≤ 0,67 ?, де г і R - атомні радіуси розчинної компонента і розчинника відповідно.

Тверді розчини впровадження виникають між металами і неметалами - елементами I і II періодів періодичної системи, що мають малі атомні розміри (Η, N, С, В), і позначають буквами грецького алфавіту: а, β, γ і т.д. або А (В). де А - розчинник, В - розчинний компонент.

Спотворення кристалічної решітки твердих розчинів заміщення при більшому (а) і меншій (б) атомному радіусі розчинної компонента

Мал. 3.2. Спотворення кристалічної решітки твердих розчинів заміщення при більшому ( а ) і меншій (б) атомному радіусі розчинної компонента

Тверді розчини являють собою одну фазу, їх властивості найбільш близькі властивостям металу-розчинника. Тверді розчини, як правило, пластичні, добре деформуються в холодному і гарячому станах. Розташування атомів компонентів в кристалічній решітці твердого розчину не впорядкований.

Хімічні сполуки. Для них характерно наступне:

  • - Речовини, що утворюють хімічні сполуки, мають великі відмінності в будові атомів і кристалічних решіток;
  • - Кристалічна решітка хімічної сполуки відрізняється від кристалічних решіток утворюють його компонентів;
  • - Властивості хімічної сполуки різко відрізняються від властивостей компонентів, які його утворили;
  • - Атоми в кристалічній решітці хімічної сполуки розташовані впорядковано, тобто атоми кожного компонента розташовані закономірно і по певних вузлів кристалічної решітки;
  • - Склад хімічної сполуки можна описати стехиометрической формулою А т В п, де тип - взаємно прості цілі числа;
  • - Хімічні сполуки однофазні.

З'єднання типу "метал - метал" (наприклад, СіА12) називаються интерметаллидами. Інтерметаліди характеризуються металевим типом зв'язку. У вузлах кристалічної решітки таких з'єднань розташовуються позитивно заряджені іони, утримувані електронним газом.

Хімічні сполуки типу "метал - неметал" (наприклад, VC, Al2O3) мають іонний тип зв'язку. Ця сильна зв'язок (див. 1.1.1) обумовлює високу твердість і крихкість хімічних сполук типу "метал - неметал". Назва цих сполук визначає неметаллический матеріал. Наприклад, нітриди - з'єднання металів з азотом; карбіди - з вуглецем; оксиди - з киснем і т.д.

Суміші утворюють компоненти, які не розчиняються одна в одній у твердому стані і не здатні до хімічної взаємодії з утворенням хімічної сполуки. У сплавах типу "суміш" кожен компонент зберігає свою кристалічну решітку. Структура суміші гетерогенна (неоднорідна), складається з декількох фаз. Механічні властивості сумішей залежать від кількісного співвідношення компонентів, а також від розмірів і форми фаз. Суміші можуть утворюватися як компонентами, так і більш складними фазами. Наприклад, твердими розчинами або твердим розчином і хімічною сполукою.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >