Характеристика вагонов 81-717(714) 29 страница

В кристалле металла главной подгруппы второй группы (на­пример, кальция) из исходных атомных s-орбиталей наружного слоя также образуется зона, состоящая из N уровней. Но, по­скольку здесь каждый атом обладает двумя внешними s-электро-нами, то в этой зоне должно разместиться 2N электронов, так что все ее уровни окажутся полностью занятыми. Однако при взаимо­действии атомов металла перекрываются не только внешние s-op-битали, но и внешние р-орбитали. В результате также образуется непрерывная энергетическая зона, не заполненная электронами. При этом зоны, образованные s- и р-орбиталями, перекрываются (рис. 137), так что и в этом случае зона проводимости, содер­жащая свободные энергетические уровни, непосредственно при­мыкает к валентной зоне. Таким образом, рассматриваемый кристалл также должен обладать высокой электрической прово­димостью.

На рис. 136 и 137 изображена резкая граница между валент­ной зоной и зоной проводимости. В действительности эта граница размыта; вследствие теплового движения электроны могут пере­ходить с верхних уровней валентной зоны на нижние уровни зоны проводимости. Способность этих электронов свободно передви­гаться по кристаллу и переносить энергию из одной его части (нагретой) в другую (более холодную) служит причиной высокой теплопроводности металлов. Таким образом, и электрическая про­водимость и теплопроводность металлов обусловлены возмож­ностью свободного передвижения электронов зоны проводимости. Именно поэтому для большинства металлов наблюдается паралле­лизм между этими величинами. Например, лучшие проводники электричества — серебро и медь — обладают и наиболее высокой теплопроводностью (см. табл. 29).

При нагревании колебания атомов металла около их равновес­ных положений в кристаллической решетке становятся более ин­тенсивными, что затрудняет движение электронов. Поэтому с повы­шением температуры электрическое сопротивление металлов возра­стает.

Рассмотренная картина электронного строения твердых метал­лов показывает, что валентные электроны, осуществляющие хими­ческую связь, принадлежат не двум или нескольким определенным атомам, а всему кристаллу металла. При этом валентные электро­ны способны свободно перемещаться в объеме кристалла. Обра­зованную подобным образом химическую связь называют метал­лической связью, а совокупность «свободных» электронов в металле — электронным газом. Металлическая связь ха­рактерна для металлов, их сплавов и интерметаллических соеди­нений (см. стр. 534).

Пластичность металлов также объясняется специфическими свойствами металлической связи. При механическом воздействии на твердое тело отдельные слои его кристаллической решетки сме щаются относительно друг друга. В кристаллах с атомной струк­турой это приводит к разрыву ковалентных связей между атомами, принадлежащими различным слоям, и кристалл разрушается. В кристаллах с ионной структурой при взаимном смещении слоев неизбежно создается такое положение, при котором рядом оказы­ваются одноименно заряженные ионы; при этом возникают силы электростатического отталкивания и кристалл также разрушается. В случае же металла при смещении отдельных слоев его кристал­лической решетки происходит лишь некоторое перераспределение электронного газа, связывающего друг с другом атомы металла, но разрыва химических связей не происходит — металл деформи­руется, не разрушаясь.

В отличие от металлов кристаллы простых сеществ, образо­ванных неметаллами, обычно не обладают заметной электронной проводимостью (см. табл. 29); они представляют собою изоляторы (диэлектрики). Хотя в этом случае тоже возможно образование непрерывных энергетических зон, но здесь зона прозодимости от­делена от валентной зоны запрещенной зоной, т.е. значи­тельным энегретическим промежутком АЕ (рис. 138, изолятор). Энергия теплового движения или слабого электрического поля оказывается недостаточной для преодоления этого промежутка, и электроны не переходят из валентной зоны в зону прозодимости. Таким образом, в изоляторах электроны не могут свободно пере­мещаться по кристаллу и служить переносчиками электрического тока.

Особыми свойствами, отличающими их как от металлоз, так и от изоляторов, обладают полупроводники. При низких температурах их электрическое сопротивление зесьма велико и в этих условиях они проявляют свойства изоляторов. Однако при нагревании или при освещении электрическая проводимость полу­проводников резко возрастает и можег достигать величии, сравни­мых с проводимостью металлов.

Зависимость электрических свойств полупроводников от тем­пературы и освещенности объясняется электронным строением их кристаллов. Здесь, как и у изоляторов, валентная зона отделена от зоны проводимости запрещенной зоной (рис. 138, полупровод­ник). Однако ширина запрещенной зоны АЕ в случае полупровод­ников невелика. Поэтому при действии квантов лучистой энергии или при нагревании электроны, занимающие верхние уровни ва­лентной зоны, могут переходить в зону проводимости и участво­вать в переносе электрического тока. С повышением температуры или при увеличении освещенности число электронов, переходящих в зону проводимости, возрастает; в соответствии с этим увеличи­вается и электрическая проводимость полупроводника.

При переходе электронов в зону проводимости в валентной зоне возникают не полностью занятые электронами энергетические уровни — электронные вакан*

а

а — ооъемноцентрпроЗанная кубическая; о — грансцентрирс-аанная куоичеекпя; в — гексаго нальная.

Рис. 13Э. Основные типы кристаллических pecieTc:: металлов:

а — объемноцентрпроЗанная кубическая; б
нальная.

Рис. 149. С;;ег.;а различной орке11"т£цнн кристаллических решеток в полукристаллическом

спи, пли «дырки». В электрическом поле такие дырки ведут себя как положи­тельные электрические заряды. Поэтому перенос тока в полупроводниках мо­жет осуществляться как электронам!! зоны проводимости (я-проводныость," от латинского «negativc»— отрицательный), так и дырками валентной зоны (р-проводимость, от латинского «positive» — положительный).

191. Кристаллическое строение металлов. Кристаллическое строение металлов изучается различными методами. Их можно разделить на дзе группы. К перзой принадлежат методы изучения внутреннего строения крксталлоз, ко второй — методы изучения их знешних форм.

Внутреннее строение кристаллов изучается глазным образом с помощью рентгеноструктурного анализа (см. § 50). По его дан­ным для всех металлов установлены типы и параметры кристал­лических решеток.

Кристаллические решетки металлов могут быть различных ти­пов. Однако для большинства металлов характерны три типа ре­шеток: объемноцеитрировапная кубическая (Li, Na, К, V, Cr, Fe *, РЬ, \V и др.), гранецентрированная кубическая (Al, Са, Fe **, Ni, Си, Ag, Аи и др.), гексагональная (Be, Mg, Cd, Ti, Co, Zn и др.). На рис. 139 показаны элементарные ячейки (см. § 50) решеток этих тнпоз.

Размеры, форму и взаимное расположение кристаллов в метал­лах изучают металлографическими методами. Наиболее полную оценку структуры металла в этом отношении дает микро­скопический анализ его шлифа. Из испытуемого металла вырезают образец и его плоскость шлифуют, полируют и протравливают спе­циальным растзором (т р а в и т е л е м). В результате травления выявляется структура образца, которую рассматривают или фото­графируют с помощью металлографического микро­скопа.

* При температурах до 911 и от 1392 °С до плавления, ** При температурах от 911 до 1392 °С,

Кристаллы металлов обычно имеют небольшие размеры. По­этому любое металлическое изделие состоит из большого числа кристаллов. Такая структура называется п о л н к р и с т а л л и ч е -с кой. При кристаллизации металла из расплавленного состояния растущие кристаллы мешают друг другу принять правильную форму. Поэтому кристаллы поликрпсталлпческого тела имеют не­правильную форму и в отличие от правильно ограненных кри­сталлов называются кристаллитами или зернам и. Зерна различаются между собой пространственной ориентацией их кри­сталлических решеток (рис. 140).

При травлении шлифа границы зерен разъедаются сильнее; они становятся углубленными. Свет, падая па них, рассеивается, и в поле зрения микроскопа границы зерен представляются темными, а сами зерна — светлыми (рис. 141).

Специальными способами получают куски металлов, представляющие собой один кристалл — монокристаллы. Монокристаллы металлов, а также не­металлов изготовляют для научных исследований и для специальных отраслей техники (полупроводники, лазеры и др.).

Внутренняя структура зерна металла не является строго пра­вильной. Металлам, как и всем реальным кристаллам (см. § 51), присущи дефекты структуры. При этом многие свойства металлов сильно зависят от характера и от числа имеющихся в металле де­фектов. Так, в процессах диффузии важную роль играют вакансии. Эти процессы протекают, например, при насыщении в горячем состоянии поверхностного слоя металлического изделия другими элементами для защиты от коррозии или для придания поверхно­сти изделия твердости. Проникновение атомов постороннего эле­мента в глубь металла происходит в основном по местам вакансий. С повышением температуры число вакансий возрастает, что слу­жит одной из причин ускорения процесса диффузии.

Некоторые механические свойства металлов зависят от количе­ства дислокаций и от их способности к перемещению по металлу. Так, высокая пластичность металлов объясняется перемещением дислокаций.

Схема пластического сдвига в кристалле металла изображена на рис. 142. Внешняя сила Р первоначально вызывает небольшое смещение атомов верти­кальных рядов /, 2, 3 (рис. 142, а). С увеличением силы Р это смещение воз­растает н ряд атомов / (выше плоскости скольжения АА) проскакивает ней­тральное положение между 1' и 2'. При этом ряд 2 превращается в лишнюю пло­скость и образует дислокацию (рис. 142, б), знакомую нам по рис. 62 (стр. 156). В ре­зультате образования дислокации решетка искажается по обе стороны плоскости скольжения. Поэтому далее уже при не­большой силе Р вертикальные ряды ато­мов над плоскостью скольжения будут смещаться — дислокация подобно эстафете будет последовательно передаваться рядам 3, 4 и далее.

Рис. 141. Микроструктура металла (стократное ^*4-«~rfЈfeS»*>.. 'J Увеличение).

В какой-то момент будет иметь место положение, представленное на рис. 142, е. В итоге же дислокация выйдет на поверхность и исчезнет, как по­казано на рис. 142, г.

Таким образом, пластический сдвиг в реальном металле происходит не пу­тем одновременного сдвига всей атомной плоскости, что потребовало бы за­траты гораздо большей энергии, а путем перемещения дислокаций вдоль пло­скости скольжения.

Металлические кристаллы, лишенные дислокаций, обладают весьма высо­кой прочностью. Такими кристаллами являются выращиваемые в особых усло­виях нитевидные кристаллы или «усы». Их прочность во много раз превышает прочность обычных образцов соответствующего металла и близка к теоретиче­ской величине, вычисленной для кристаллической решетки металла, не имеющей дефектов структуры.

С другой стороны, появление в металле очень большого числа различно ориентированных дислокаций также приводит к повышению прочности, так как при этом кристаллическая структура металла сильно искажается н перемеще­ние дислокаций затрудняется. В этом состоит объяснение явления наклепа — упрочнения металла под действием пластической деформации. При нагревании сильно деформированного металла искажения его структуры, вызванные сдви­гами, постепенно снимаются — металл возвращается в структурно более устой­чивое состояние; его пластичность возрастает, а твердость и прочность сни­жаются.

192. Добывание металлов из руд. Огромное большинство ме­таллов находится в природе в виде соединений с другими элемен­тами. Только немногие металлы встречаются в свободном состоя­нии, и тогда они называются самородными. Золото и платина встречаются почти исключительно в самородном виде, а серебро и медь — отчасти; иногда попадаются также самородные ртуть и некоторые другие металлы.

Добывание золота и платины производится или посредством механического отделения их от той породы, в которой они заклю­чены, например промывкой водой, или путем извлечения их из породы различными реагентами с последующим выделением из раствора. Все же остальные металлы добываются химической пе­реработкой их природных соединений.

Минералы и горные породы, содержащие соединения металлов и пригодные для получения этих металлов заводским путем, носят название руд- Главнейшие руды содержат оксиды, сульфиды п карбонаты металлов. Получение металлов из руд составляет за­дачу металлургии — одной из наиболее древних отраслей химической промышленности. Металлургические процессы, проте­кающие при высоких температурах, называются пирометал-л у р г и ч е с к и м и. Пирометаллургпческнм путем получают, на­пример, чугун и сталь.

Важнейший способ получения металлов из руд основан на вос­становлении их оксидов углем или СО. Если, например, смешать красную медную руду Cu₂0 с углем и накалить, то уголь, восста­навливая медь, превращается в оксид углерода (II), а медь выде­ляется в расплавленном состоянии:

Cu₂0 + С = 2Cu + COf

Выплавка чугуна производится восстановлением железных руд оксидом углерода.

При переработке сульфидных руд сперва переводят сульфиды в оксиды путем обжига в специальных печах, а затем уже восста­навливают полученные оксиды углем. Например: 2ZnS + 30₂ = 2ZnO -f 2S0₂t ZnO + С = Zn + COt

Кроме пирометаллургических методов, при добывании метал­лов применяются гидрометаллургические методы. Они представляют собою извлечение металлов из руд в виде их соеди­нений водными растворами различных реагентов с последующим выделением металла из раствора. Гидрометаллургическим путем получают, например, золото (см. § 202).

Обычно руды представляют собой совокупность минералов. Ми­нералы, содержащие извлекаемый металл, называются рудными минералами, все остальные — пустой породой. Послед­няя чаще всего состоит из песка, глины, известняка, которые трудно плавятся. Чтобы облегчить выплавку металла, к руде при­мешивают специальные вещества — флюсы. Флюсы образуют с веществами пустой породы легкоплавкие соединения — шлаки, которые обычно собираются на поверхности расплавленного ме­талла и удаляются. Если пустая порода состоит из известняка, то в качестве флюса применяется песок. Для руд, содержащих большие количества песка, флюсом служит известняк. В обоих случаях в качестве шлака образуется силикат кальция, поскольку песок состоит в основном из диоксида кремния.

Во многих рудах количество пустой породы столь велико, что непосредственная выплавка металла из таких руд экономически невыгодна. Такие руды предварительно обогащают — отде­ляют от них часть пустой породы. В остающемся концентрате содержание рудного минерала повышается. Существуют различ­ные способы обогащения руд. Чаще других применяются флота­ционный, гравитационный и магнитный способы.

Флотационный метод основан на различной смачиваемо­сти поверхности минералов водою. Тонкоизмельченную руду обра­батывают водой, к которой добавлено небольшое количество фло­тационного реагента, усиливающего различие в смачиваемости частиц рудного минерала и пустой породы. Через образующуюся смесь энергично продувают воздух; при этом его пузырьки при­липают к зернам тех минералов, которые хуже смачиваются. Эти минералы выносятся вместе с пузырьками воздуха на поверхность и таким образом отделяются от пустой породы.

Гравитационное обогащение основано на различии плот­ности и вследствие этого скорости падения зерен минералов в жидкости.

Магнитный способ основан на разделении минералов по их магнитным свойствам.

Не все металлы можно получить восстановлением их оксидов углем или СО. Подсчитаем, например, стандартную энергию Гибб­са реакции восстановления хрома:

Сг₂0₃ + ЗСО = 2Сг + ЗС0₂

о

Воспользовавшись табл. 7 (стр. 194), находим AG₀6p сг₂о₃ — = —1059 кДж/моль, AG₀5pco₂ = —394,4 кДж/моль, AG_o6p со =³ = -137,1 кДж/моль, откуда AG° = 3 (-394,4) - [-1059 + + 3(—137,1)] = +267,1 кДж. Полученная величина положительна. Это показывает, что при 25 °С и стандартных концентрациях реа­гирующих веществ реакция не протекает в интересующем нас направлении. Положительное и большое по абсолютной величине значение AG° указывает на то, что реакция не протекает в направ­лении восстановления металла не только при стандартных усло­виях, но и при температурах и концентрациях, заметно отличаю­щихся от стандартных.

Для металлов, не восстанавливаемых ни углем, ни оксидом углерода (II), применяются более сильные восстановители: водо­род, магний, алюминий, кремний. Восстановление металла из его оксида с помощью другого металла называется металлотер­мией. Если, в частности, в качестве восстановителя применяется алюминий, то процесс носит название алюминотермии. Такие металлы, как хром, марганец, получают главным образом алюми­нотермией, а также восстановлением кремнием. Если мы подсчи­таем AG° реакции

Сг₂0₃ + 2А1 = 2Сг + А1₂0₃

то получим отрицательную величину (—523 кДж). Это говорит о том, что восстановление хрома алюминием может протекать самопроизвольно.

Наконец, металлы, оксиды которых наиболее прочны (алюми­ний, магний и другие), получают электролизом (см. § 103).

193. Получение металлов высокой чистоты. На протяжении по­следних десятилетий в связи с развитей новых отраслей техники потребовались металлы, обладающие очень высокой чистотой. На­пример, для надежной работы ядерного реактора необходимо, чтобы в расщепляющихся материалах такие «опасные» примеси, как бор, кадмий и другие, содержались в количествах, не превы­шающих миллионных долей процента. Чистый цирконий — один из лучших конструкционных материалов для атомных реакторов — становится совершенно непригодным для этой цели, если в нем содержится даже незначительная примесь гафния. В используе­мом в качестве полупроводника германии допускается содержание не более одного атома фосфора, мышьяка или сурьмы на десять миллионов атомов металла. В жаропрочных сплавах, широко при­меняемых, например, в ракетостроении, совершенно недопустима даже ничтожная примесь свинца или серы.

В связи с потребностями промышленности разработаны новые методы очистки веществ. Рассмотрим наиболее важные из них.

Перегонка в вакууме. Этот метод основан на различии летучестей очищаемого металла и имеющихся в нем примесей. Исходный металл загружается в специальный сосуд, соединенный с вакуум-насосом, после чего нижняя часть сосуда нагревается. В ходе перегонки на холодных частях сосуда осаждаются либо примеси* (если они более летучи, чем основной металл), либо очищенный металл (если примеси менее летучи). Процесс ведется при непрерывной откачке воздуха, так как присутствие даже не­больших количеств кислорода приводило бы к окислению поверх­ности расплавленного металла и тем самым к торможению процес­са испарения.

Зонная плавка заключается в медленном протягивании бруска очищаемого металла через кольцевую печь. Тот участок (зона) бруска, который находится в данный момент в печи, пла­вится. По мере продвижения бруска жидкая зона перемещается от начала бруска к его концу.

* Точнее говоря, в этом случае осаждается основной металл, сильно обога-. щенпый примесями.

Зонной плавке подвергают металл, прошедший предваритель­ную очистку. Содержание примесей в нем уже невелико, так что основной металл и примеси образуют гомогенный твердый рас­твор. При движении бруска через кольцевую печь происходит пла­вление металла у"передней границы зоны и кристаллизация его у задней границы. При этом состав образующихся кристаллов, находящихся в равновесии с расплавом, отличается от состава расплава (см. стр. 530). Примеси одних металлов концентрируются в расплавленной зоне и перемещаются вместе с ней к концу бру-

ска; примеси других металлов концентрируются в образующихся кристаллах, остаются за движущейся зоной и при неоднократном повторении процесса перемещаются к началу бруска. В результате средняя часть бруска получается наиболее чистой; ее вырезают и используют.

Зонную плазку применяют для очистки не только металлов, но и других веществ.

Термическое разложение летучих соединений металла. Карбонильный процесс. Этот метод применяется для получения высокочистых никеля и железа. Подлежащий очистке никель нагревают в атмосфере оксида углерода (II), находящегося под давлением около 20МПа. При этом никель взаимодействует с СО, образуя летучий тетракарбонил никеля Ni(CO)₄ (теми. кип. 42 °С); содержащиеся в исходном металле примеси в такого рода реакцию не вступают. Образовавшийся Ni(CO)₄ отгоняют, а затем нагревают до более высокой температуры. В результате карбонил разрушается с выделением высокочистого металла.

При очистке железа аналогичным образом осуществляется jipo-цесс синтеза и последующего разложения пентакарбонила железа Fe(CO)₅ (темп. кип. 105 ^DC).

Иодидный способ дает возможность получать титан, цирконий и некоторые другие металлы значительной чистоты. Рассмотрим этот процесс на примере титана. Исходный металл в виде порошка нагревается до 100—200 °С с небольшим количеством иода в гер­метическом аппарате. В аппарате натянуты титановые нити, на­греваемые электрическим током до 1300—1500 °С. Титан (но не примеси) образует с иодом летучий ноднд TiU, который разла­гается на раскаленных нитях. Выделяющийся чистый титан осаж­дается на них, а иод образует с исходным металлом нозые пор­ции иодида; процесс идет непрерывно до переноса всего металла па титановые нити.

Процесс можно представить схемой:

ТЦзагрязнеиный) +

100-200 °С 1300-1500 °с
+ 21₂(газ) --------------- *■ ТП₄ (газ) ■---------- >■ ТКчистый) + 21₂(газ)

-t________________________________________________________ I

194. Сплавы. Для изготовления оборудования в различных от­раслях современной промышленности используются самые разно­образные материалы, как природные, так и созданные руками человека. Однако основа современной техники — машины и меха­низмы — изготовляются в основном из металлических ма­териалов — металлов, сплавов металлов друг с другом и с не­которыми неметаллами, прежде всего с углеродом. Это связано с тем, что из всех видов материалов металлические материалы обладают наиболее ценными механическими свойствами. Кроме

того, металлические, материалы очень многочисленны и разнооб­разны по своим свойствам.

В жидком состоянии большинство металлов растворяются друг в друге и образуют однородный жидкий сплав. При кристалли­зации из расплавленного состояния различные металлы ведут себя по-разному. Основными случаями являются при этом следующие три.

1. В твердом состоянии сплавляемые металлы не растворяются и химически не взаимодействуют друг с другом. При этих условиях сплав представляет собою механическую смесь и состоит из кри­сталлитов одного и другого компонентов *, отчетливо выявляемых на микрошлкфе (рис. 143).

2. Сплавляемые металлы взаимодействуют друг с другом, обра­зуя химическое соединение.

3. При кристаллизации из расплава растворимость металлов друг в друге сохраняется. Образуются однородные кристаллы, В этом случае твердая фаза носит название твердого рас­твора (рис. 144). При этом для одних металлов их взаимная растворимость в твердом состоянии неограниченна, другие же рас­творимы друг в друге лишь до определенных концентраций.

195. Диаграммы состояния металлических систем. При изуче­нии свойств сплавов очень большое значение имеют диаграмм ы состояния, характеризующие состояние сплавов различного состава при разных температурах. Такие диаграммы показывают термодинамически устойчивые состояния, т. е. состояния, отвечаю­щие минимуму энергии Гиббса системы. Их называют также фа­зовыми диаграммами, так как они показывают, какие фазы могут сосуществовать при данных условиях.

* По-видимому, нет металлов, абсолютно нерастворимых друг в друге в твердом состоянии. Но в тех случаях, когда взаимная растворимость метал­лов не превышает сотых долей процента, принято считать, что они нераство­римы друг в друге,

Диаграммы состояния получают экспериментально. Обычно для этого строят кривые охлаждения и по остановкам и переги-

бам на них, вызванным теплозымн эффектами превращений, опре­деляют температуры этих превращений. Для получения кривых охлаждения приготовляют из двух металлов изучаемой системы ряд смесей различного состава. Каждую из приготовленных смесей расплавляют. Получающиеся жидкие сплазы (расплавы) мед­ленно охлаждают, отмечая через определенные промежутки вре^ мени температуру остывающего сплава. По данным наблюдений строят кривые охлаждения, откладывая на оси абсцисс зремя, а на оси ординат — температуру (рис. 145).

На рис. 145 слева показано, какой вид имеет кривая охлаж­дения чистого расплавленного металла. Сначала понижение тем­пературы плавно идет по кривой ak. В точке k происходит передо;,! кривой, начинается образование твердой фазы (кристаллизация), сопровождающееся выделением теплоты, вследствие чего темпера­тура некоторое время остается постоянной (кривая идет парал­лельно оси абсцисс). Когда вся масса расплавленного металла затзердеет, опять начинается плавное понижение температуры по кривой св.

Иногда остановки в падении температуры наблюдаются и на кривой охлаждения твердого металла, указывая на связанные с выделением теплоты процессы, происходящие уже в твердом веществе, например переход из одной кристаллической формы в другую.

Несколько иной вид имеет кривая охлаждения сплава двух металлов. Такая кривая изображена на рис. 145 справа. Точка к, как и на перзой кривой, отвечает началу затвердевания—началу выделения из сплава кристаллов одного из входящих в него ме­таллов. При этом состав остающегося жидким сплаза изменяется, и температура его затзердевапия непрерывно понижается во время кристаллизации. Однако выделяющаяся при кристаллизации теп­лота все же замедляет ход охлаждения, вследствие чего в точке к происходит перелом кривой. Выпадение кристаллов и плавное по­нижение температуры присходят до тех пор, пока не достигается температура, при которой сплаз закристаллизовывается без изме­нения состава. Здесь падение температуры приостанавливается

Рис. М7. Диаграмма состояния сиси&;ы Vb — sb.

(точка ki). Когда кристаллизация закончится, температура падает по кривой св.

Имея достаточный набор спла­вов, различающихся содержанием компонентов и определив в каж­дом сплаве температуры превра­щений, можно построить диаграм­му состояния. На диаграммах со­стояния по вертикальной оси от­кладывают температуру, а по горизонтальной — состав сплава (содержание одного из компонентов). Для сплавов, состоящих из двух компонентов, обозначаемых буквами X и Y, со­став характеризуется на отрезке прямой, принятом за 100 %. Крайние точки соответствуют индивидуальным компонентам. Лю­бая же точка отрезка, кроме крайних, характеризует состав двой­ного сплава. На рис. 146 числа указывают содержание компонента 3'. Например, точка К отвечает сплаву, состоящему нз 20 % У и 80 % X.

Рассмотрим четыре простых случая — четыре типа диаграмм, соответствующие упомянутым выше типам сплавов: механической смеси, твердому раствору с неограниченной и с ограниченной рас­творимостью и химическому соединению.

Диаграмма состояния для сплавов, образую­щих механические смеси индивидуальных ком­понентов. В качестве примера диаграммы этого типа на рис. 147 приведена диаграмма состояния системы Pb—Sb. Точки Л и В иа диаграмме—это температуры плавления компонентов системы: свинца (327°С) и сурьмы (631°С). В сплавах рассматриваемого типа добавка одного компонента к другому, согласно закону Рауля, понижает температуру начала его кристаллизации (затвер­девания). Кривая АЕ показывает температуру кристаллизации свинца из расплавов, богатых свинцом, а кривая BE — темпера­туру кристаллизации сурьмы из расплавов, богатых сурьмой. Видно, что по мере увеличения содержания второго компонента температуры кристаллизации как свинца, так и сурьмы пони­жаются. Точка Е принадлежит обеим кривым: из расплава, состав которого отвечает этой точке, кристаллизуются одновременно еба металла. Эта совместная кристаллизация происходит при самой низкой температуре. Отвечающий точке Е состав называется эвтектическим составом, а соответствующий сплав — эв­тектическим сплавом или просто эвтектикой (от грече­ского «эвтектикос» — хорошо плавящийся). Для системы Pb—Sb эвтектика состоит из 13 % Sb и 87 % Pb; она плавится и кристал­лизуется при 246 °С.

Дата добавления: 2014-11-16