Вопрос 2. Понятие металлического сплава

Чистые металлы очень редко используют в технике, поскольку они обладают недостаточной прочностью и неудовлетворительным сочетанием физико-механических свойств. Широкое применение нашли металлические сплавы, которые сочетают в себе комплекс разнообразных служебных свойств.

К сплавам относят сложные вещества, состоящие из двух или нескольких простых веществ, называемых компонентами. Сплавы обычно получают сплавлением (обычные сплавы) или спеканием (керамические сплавы), хотя возможны и другие способы их получения, например, электролиз или возгонка (псевдосплавы). В качестве компонентов сплава чаще всего выступают химические элементы, но в некоторых случаях используют и химические соединения стехиометрического состава.

Компонентами в металлических сплавах могут быть и неметаллические элементы (углерод, кремний, азот и др.), но сплав считается металлическим, если его основу составляют металлические компоненты, и он обладает металлическими свойствами. Металлические сплавы обладают высокими прочностными и другими механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами. Поэтому они получили широкое применение в качестве основных конструкционных материалов.

Фаза — однородная по составу и строению часть системы, отделённая от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую скачком изменяются свойства. Система — совокупность фаз, находящихся в равновесии. Система находится в равновесии, если при заданных условиях, характеризующихся температурой и давлением, в ней не происходят процессы, приводящие к изменению фазового состава.

В сплавах в зависимости от характера физико-химического взаимодействия компонентов могут образовываться следующие фазы: жидкие и твёрдые растворы, химические соединения.

Твёрдые растворы. Твёрдыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решётку, а атомы других (или другого) компонентов (растворенных) располагаются в решётке первого компонента, изменяя её размеры (периоды). Таким образом, твёрдый раствор, состоящий из двух или нескольких элементов, имеет один тип решётки и представляет собой одну фазу. Различают твёрдые растворы замещения и твёрдые растворы внедрения.

Рисунок 8 — Кристаллическая решётка (А, В — компоненты)
а — раствора замещения	б — раствора внедрения

Твёрдые растворы замещения образуются при замещении атомами растворенного компонента части атомов растворителя в его кристаллической решётке. Образование твёрдых растворов всегда сопровождается увеличением прочности, твёрдости и электрического сопротивления, но снижением пластичности и уменьшением температурного коэффициента электрического сопротивления. Твёрдые растворы замещения могут быть ограниченными и неограниченными. Неограниченная растворимость элементов в растворах характеризует способность атомов сплавляемых элементов при любом количественном соотношении размешаться в узлах общей пространственной решётки. Неограниченную растворимость в твёрдом состоянии наблюдают в сплавах меди с золотом, меди с никелем, германия с кремнием. В полиморфных металлах встречается неограниченная растворимость в пределах одной модификации пространственной решётки. Для неограниченной растворимости необходимо соблюдение двух условий: элементы должны иметь одинаковый тип кристаллической решётки и атомные радиусы элементов должны отличаться не более чем на 8 %. Неограниченную растворимость в твёрдом состоянии наблюдают в сплавах меди с золотом, меди с никелем, германия с кремнием. Растворимость элементов в твёрдом состоянии уменьшается при увеличении различия в атомных радиусах сплавленных элементов и их валентности. Многие твёрдые растворы замещения при относительно невысоких температурах способны находиться в упорядоченном состоянии, т.е. разносортные атомы размещаются в узлах пространственной решётки в определённом порядке. Такие твёрдые растворы называют упорядоченными; используют также термин "сверхструктура". Возникновение и исчезновение порядка в расположении атомов твёрдых растворов сопровождается изменением свойств. При упорядочении возрастают электропроводность, температурный коэффициент электрического сопротивления, твёрдость и прочность; снижается пластичность сплава.

Твёрдые растворы внедрения возникают при сплавлении переходных металлов с неметаллами, имеющими малый атомный радиус (Н, N, С, В). При их образовании атомы растворенного компонента располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решётки растворителя. При этом атомы располагаются не в любом междоузлии, а в таких пустотах, где для них имеется больше свободного пространства: размер межузельного атома должен быть равным или несколько больше размера поры. При образовании твёрдых растворов внедрения искажения решётки больше, чем при образовании твёрдых растворов замещения, поэтому более резко изменяются и свойства. По мере увеличения концентрации растворенного элемента в твёрдом растворе заметно возрастают электрическое сопротивление, коэрцитивная сила, твёрдость и прочность, но заметно понижаются пластичность и вязкость.

Химические соединения. В отличие от твёрдых растворов химические соединения обычно образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решёток. Соединения металла с неметаллом (нитриды, карбиды, гидриды и т.д.) относят к обычным химическим соединениям, хотя они частично могут обладать металлической связью. Соединения одних металлов с другими носят общее название интерметаллидов или интерметаллических соединений. Примером могут служить такие соединения, как Fe₂Mo, NiTi, Ni₃Ti, Ni₃Al и др. Особенности этих соединений — преобладание металлической связи и неподчинение законам валентности. Особую группу соединений представляют фазы внедрения. Они образуются между переходными металлами (Fe, Мn, Сг, Мо и др.) и элементами внедрения (С, N, В, Н) при соотношении атомных радиусов неметалла и металла < 0,59. Электронные соединения чаше образуются между одновалентными (Сu, Ag, Аu, Li, Na) металлами или металлами переходных групп (Fe, Мn, Со и др.), с одной стороны, и простыми металлами с валентностью от 2 до 5 (Be, Mg, Zn, Cd, А1 и др.), с другой стороны.

Кроме рассмотренных металлических соединений существует и ряд других, например фазы Лавеса (имеющие формулу АВ₂), фазы со структурой никельарсенида NiAs и др.

Дата добавления: 2014-12-09; просмотров: 169; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!