Строение сплавов

Более широкое применение в технике находят сплавы металлов с металлами, и металлов с неметаллами (карбидами, нитридами и другие), так как они обладают большим разнообразием свойств. Раньше сплав получали путем расплавления и соединения двух и более элементов. Сейчас для получения сплавов используют и другие технологические методы: порошковую металлургию, диффузионный метод, плазменное напыление и другие.

Сплавы классифицируют по различным признакам, например:

- по количеству компонентов (элементов), входящих в сплав. Больший в процентном отношении компонент называется основным, а тот, что добавляется к основному – легирующий компонент;

- по применению: конструкционные, инструментальные, шарикоподшипниковые, жаропрочные, пружинные и т. д.;

- по плотности: тяжелые, легкие;

- по температуре плавления: тугоплавкие, легкоплавкие;

- по технологии изготовления полуфабрикатов и изделий: литейные, деформируемые, спеченные и другие.

В сплавах элементы могут по разному взаимодействовать между собой, образуя различные по химическому составу, типу связи и строению кристаллические фазы.

Фазой называется однородная, отделенная поверхностью раздела часть сплава, имеющая одинаковый состав, структуру и свойства.

В зависимости от атомно-кристаллической структуры, природы компонентов сплава и соотношения их массовых количеств, сплавы после затвердевания могут образовывать:

- твердые растворы;

- механические смеси;

- химические соединения.

Две последние структуры называют промежуточными фазами, у них образуется новый тип кристаллической решетки, отличающийся от решеток элементов, его образующих.

Твердые растворы образуются при растворении компонентов друг в друге. При этом атомы растворимого компонента В размещены в кристаллической решетке растворителя А. Зерна такого сплава имеют кристаллическую решетку, построенную из атомов двух компонентов. Если атомы растворимого компонента В замещают в узлах решетки атомы компонента - растворителя А, такой раствор называют твердым раствором замещения (рисунок 12,а). Их образуют компоненты, имеющие небольшие различия в параметрах кристаллических решеток.

Твердые растворы внедрения образуются, если атомы растворимого компонента В имеют малый радиус в сравнении с радиусом атомов растворителя А. Они располагаются между атомами компонента - растворителя А (рисунок 12,б). Растворы замещения часто образуются в случае, когда в металле растворяются не металлические элементы: углерод, азот и другие.

Твердые растворы образуют сплавы Cu-Al, Cu-Ni, Ge-Si, -Fe, -Fe, а также некоторые сплавы с большим числом компонентов.

 

Искажения кристаллической решетки при образовании твердых растворов внедрения больше, чем при образовании растворов замещения. Поэтому у них более резко изменяются и свойства. При увеличении концентрации растворенного

элемента в твердом растворе увеличивается удельное электрическое сопротивле-

ние, прочность, но снижается пластичность и вязкость.

Возникновение и исчезновение порядка в расположении атомов твердых растворов сопровождается также изменением свойств. При упорядочении возрастает электрическая проводимость, температурный коэффициент удельного сопротивления, твердость и прочность, но снижается пластичность. Сплавы на основе металлов со структурой твердых растворов хорошо деформируются в горячем, а многие и в холодном состоянии. Структуру твердых растворов имеют большинство промышленных конструкционных сплавов и сплавов специального назначения.

Механические смеси образуются, когда из жидкого расплава одновременно выпадают кристаллы составляющих его компонентов. Это происходит, если компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии, или обладают ограниченной растворимостью. При образовании механической смеси кристаллические решетки фаз не изменяются. Механические смеси образуют металлы, отличающиеся друг от друга атомными объемами и температурой плавления. Например, Cu+Zn, Cu+Al, Cu+Sn и другие. Механические смеси имеют металлический тип связи, многие из них не отличаются высокой твердостью, но имеют высокую пластичность, хорошую электропроводность.

Химические соединения представляют собой зерна сплава с кристаллической решеткой, которая отличается от решеток компонентов. Компоненты сплава вступают в химическое взаимодействие, образуются фазы с ионно-ковалентным (халькогенид ZnS, фосфаты AlP, обладающие полупроводниковыми свойствами) или ковалентно-металлическим (нитриды BN, карбиды WC, Fe₃C, TiC, бориды и другие) типом связи. Свойства химических соединений резко отличаются от свойств элементов, его образующих. Они хрупкие, имеют высокую твердость.