Stroenie Metallicheskikh Splavov

6. СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ
Сплавами называют вещества, получаемые сплавлением двух или более
элементов. Элементы, образующие сплав, называют компонентами. Если основу сплава составляют металлы и этот сплав обладает ярко выраженными
металлическими свойствами, то такой сплав называется металлическим.
Компоненты сплава, взаимодействуя друг с другом, образуют фазы. Фазой сплава называется его однородная часть, обладающая определенным составом, структурой, свойствами и отделенная от других аналогичных частей
сплава поверхностью раздела или границей. Сплав может быть одно- двух- и
многофазным. Число и тип фаз характеризуют состояние сплава.
6.1. Фазы металлических сплавов.
В сплавах могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы, химические соединения, чистые компоненты в твёрдом состоянии, а также
твёрдые растворы.
В расплавленном состоянии компоненты сплавов обычно образуют неограниченные жидкие растворы. В этом случае сплав является однофазным и
состоит только из одного жидкого раствора.
В твёрдом состоянии компоненты сплава могут образовывать химические
соединения, если вступают в химическое взаимодействие друг с другом. В
химическом соединении наблюдается строгое соотношение компонентов, что
можно выразить химической формулой АnВm, где А и В это компоненты
сплава, а m и n – целые числа. В одном сплаве может образовываться несколько химических соединений с различной химической формулой (например, А2В, А3В4 и т.п.). Химические соединения обладают своей собственной
структурой и свойствами, отличными от структуры и свойств образующих их
элементов А и В.
Если компоненты сплава А и В растворяются друг в друге в твёрдом состоянии, то тогда наблюдается образование твёрдых растворов А(В) или
1
В(А). В первом случае компонент А является растворителем, а В растворённым компонентом. Во втором случае - наоборот. При образовании твёрдых
растворов сохраняется кристаллическая структура компонента-растворителя.
В общем случае А(В)  В(А).
Возможны два типа твердых растворов: твёрдые растворы замещения и
твёрдые растворы внедрения. При образовании твёрдых растворов замещения атомы растворенного компонента замещают атомы растворителя в узлах
его кристаллической решетки.
-А
-В
Твёрдый раствор замещения
Твёрдый раствор внедрения
При образовании твёрдых растворов внедрения атомы растворенного
компонента размещаются в порах кристаллической решётки компонентарастворителя. Как правило, твёрдые растворы внедрения образуют элементы,
имеющие меньший атомный радиус, чем атомы растворителя (например, углерод или азот в железе).
Растворённые элементы искажают кристаллическую решётку компонента
растворителя. При некоторой концентрации растворённых атомов искажения
решётки могут достичь своего предельного значения, что ведёт к ограничению растворимости. С увеличением температуры предел растворимости
компонентов обычно увеличивается.
Твёрдые растворы внедрения всегда оказываются ограниченными. В них
предельная концентрация растворённого элемента обычно не превышает 12%. Твёрдые растворы замещения могут быть и неограниченными. Такое
возможно когда компоненты А и В имеют одинаковую кристаллическую решётку, близкий атомный радиус и близкое расположение в таблице Менделеева (например Au и Ag, Au и Pt). При этом атомы компонента В могут непре2
рывно замещать атомы компонента А в узлах его кристаллической решётки.
В результате осуществляется плавный переход от чистого компонента А к
чистому компоненту В.
Атомы растворенного элемента обычно распределяются в пространстве
случайным образом. Соответствующие твёрдые растворы называют неупорядоченными. Однако при некоторых условиях атомы растворённого компонента могут занимать строго определенные позиции в кристаллической решётке компонента растворителя. В этом случае говорят об образовании упорядоченных твёрдых растворов.
Твердые растворы могут образовываться и на базе химического соединения. В этом случае растворителем является химическое соединение АnBm, а
один из компонентов (А или В) растворяются в этом соединении, образуя
твёрдый раствор замещения. В химическом соединении может растворяться
и третий компонент С.
Если компоненты сплава химически не взаимодействуют и не растворяются друг в друге, то тогда в сплаве наблюдается образование механической
смеси чистых компонентов А и В. Микроструктура сплава в этом случае
имеет следующий вид:
Здесь каждое зерно - это чистый компонент А
или В, с характерными для него свойствами и
А
В
структурой. Свойства же всего сплава в целом
будут определятся суммой свойств компонентов
А и В в зависимости от их соотношения.
6.2. Правило фаз.
Правило фаз или правило Гиббса отражает общие закономерности сосуществования различных фаз в равновесии. В математической форме это правило выглядит следующим образом:
С = k - f + 2,
где k - количество компонентов в системе (в сплаве), f - количество фаз, С 3
число степеней свободы. Под числом степеней свободы или вариантностью
системы понимают число внутренних и внешних факторов (температура,
давление, состав), которые можно изменять без изменения фазового состава
системы. Обычно полагают, что превращения в сплавах происходят при постоянном атмосферном давлении, поэтому число степеней свободы сокращается на единицу, и правило фаз приобретает следующий вид:
С = k - f + 1.
Посмотрим, как работает это правило на примере кристаллизации чистого
металла (k = 1). Когда металл находится в расплавленном состоянии f = 1,
поэтому и C = 1. Это означает, что температура расплава может свободно
изменяться, не вызывая изменений фазового состава системы. Когда металл
начинает кристаллизоваться в равновесии оказываются две фазы - жидкая и
твердая (f = 2), поэтому С = 0. Это означает, что пока идет процесс кристаллизации ни одна из степеней свободы изменяться не может. Другими словами, температура кристаллизующегося металла остаётся постоянной. Когда
процесс кристаллизации завершается, система оказывается однофазной и
температура получает возможность свободно изменяться.
Рассмотрим работу правила фаз на примере кристаллизации двухкомпонентного сплава (k = 2). Когда сплав находится в расплавленном состоянии f
= 1 и C = 2. Это означает, что у сплава могут, без изменения фазового состава, свободно изменяться температура и состав. Когда сплав начинает кристаллизоваться, f оказывается равной двум, если из жидкой фазы выпадают
кристаллы только одного типа. Тогда С = 1. Это означает, что в процессе
кристаллизации температура сплава может свободно изменяться. Если из
жидкой фазы одновременно выпадают кристаллы сразу двух типов f будет
равно трём, а С = 0. Это означает, что температура сплава в таком процессе
остаётся постоянной.
Таким образом, согласно правилу фаз, чистые металлы всегда кристаллизуются при постоянной температуре, а сплавы в интервале температур, если
из жидкой фазы выпадают кристаллы только одного типа, и при постоянной
4
температуре, если кристаллизация идёт с образованием механической смеси
двух твёрдых фаз.
6.3. Понятие диаграммы состояния сплава.
Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния сплава в зависимости от его температуры, давления и химического
состава. Под состоянием понимается фазовый состав сплава, т.е. число и
тип составляющих его фаз. Обычно давление считают постоянным, поэтому
диаграмма принимает вид зависимости состояния сплава от температуры и
концентрации компонентов.
Т, С
Т1
а
100% А К1
0% В
75% А
25% В
50% А
50% В
0% А
100% В
По оси Y откладывают температуру в С, а по оси X концентрацию компонентов. Крайняя левая точка на этой оси соответствует чистому компоненту А, а крайняя правая - чистому компоненту В. Средняя точка соответствует
сплаву с содержанием 50% А и 50% В и т.д. Как правило, на диаграмме указывают процентное содержание только одного из компонентов, обычно В.
Концентрацию компонента А определяют по формуле: %А = 100% - %В.
Каждая точка диаграммы состояния отражает фазовый состав сплава
определенной концентрации, находящегося при определенной температуре.
Так точка а отражает состояние сплава с концентрацией компонентов К1,
находящегося при температуре Т1. Необходимо отметить, что все состояния
сплава, отражаемые диаграммой, являются устойчивыми, равновесными, обладающими при данных условиях минимальной свободной энергией. По этой
5
причине диаграммы состояния иногда называют равновесными диаграммами
или диаграммами фазового равновесия.
Если сплав двухкомпонентный, то его диаграмма состояния является
плоской. Если сплав трёх- и более компонентный, его диаграмма имеет более
сложный пространственный характер. В этом случае приводят ряд двухмерных срезов такой диаграммы.
С помощью диаграмм состояния можно определять температуры плавления, кристаллизации и полиморфных превращений у различных сплавов, а
так же тип, количество и химический состав фаз в конкретных сплавах при
любой температуре.
6.4. Построение диаграмм состояния термическим методом.
Диаграммы состояния обычно строят экспериментально, используя так
называемый термический метод. В этом методе сплавы различных составов
(чем больше, тем точнее) нагревают в печи до расплавленного состояния, а
затем охлаждают на воздухе, измеряя через равные промежутки времени их
температуру. Температуру сплавов обычно измеряют с помощью термопары.
В результате получают так называемые кривые охлаждения, то есть графики
зависимости температуры сплава от времени. По остановкам и перегибам на
этих кривых, вызванных тепловыми эффектами превращений, определяют
температуры фазовых превращений в сплавах. Параллельно методом рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии изучают микроструктуру сплавов в различных температурных интервалах. Полученные данные используют для построения диаграмм состояния.
В качестве примера рассмотрим построение диаграммы состояния для
сплавов Pb-Sb. Для этого были выбраны сплавы следующего состава:
1. 100% Pb, 0% Sb.
2. 95% Pb, 5% Sb.
3. 87% Pb, 13% Sb.
4. 75% Pb, 25% Sb.
6
Кривые охлаждения для этих сплавов выглядят следующим образом:
Т, С
1
2
Ж
3
Ж
4
Ж
340
327
Ж+Sb
300
Ж+ Pb
246
Pb+Sb
Pb+Sb
Pb
t, с
Точки, соответствующие температурам «перегиба» и «остановок» на кривых охлаждения наносят на плоскость в координатах «температура - химический состав». Затем точки однотипных фазовых превращений (в частности,
начала плавления или завершения кристаллизации) соединяют и получают
диаграмму состояния Pb-Sb:
Т, С
340
Ж
327
300
Ж+Sb
Ж+ Pb
Pb+Sb
246
Pb 5% Sb
13% Sb
25% Sb
7