Лекція №12: Основні положення теорії сплавів

План

1. Поняття про сплави

2. Тверді розчини

3. Механічна суміш

4. Хімічні сполучення

5. Правило фаз

Чисті метали використовують у машинобудуванні обмежено. Більшість металевих матеріалів — сплави, що складаються з двох, трьох або більшої кількості речовин. Достатньо сказати, що металеві сплави є основним конструкційним матеріалом, з якого виготовляють близько 95—97 % деталей машин.

Металеві сплави отримують сплавленням (іноді спіканням) металів з металами або неметалами. Сплави зберігають високу теплота електропровідність, ковкість та інші металеві властивості. Будова сплавів складніша за будову чистих металів, тому властивості сплавів значно відрізняються від властивостей чистих металів(Наприклад, чисте залізо має границю міцності близько 150 МПа, а сплави на його основі — понад 2000 МПа. Fe та Ni — метали феромагнітні, а сплав Fe з 25 % Ni не має цієї властивості. Сплав, що складається з 50 % Ві, 25 % РЬ, 12,5% Sn і 12,5% Cd, плавиться при температурі 68 °С, тоді як найбільш легкоплавкий з його компонентів — Sn — має температуру плавлення 232 °С.

Усі ці приклади не тільки виявляють можливість зміни властивостей металів при сплавленні їх з іншими елементами, а й свідчать про потребу всебічного вивчення сплавів для раціонального використання їх у різних галузях сучасної техніки.

Широке використання металевих сплавів обумовлюється можливістю регулю­вання хімічного складу сплаву з метою зміни властивостей у визначеному напрямку.

Основу властивостей металевих сплавів визначають фазовий склад і струк­тура сплавів, які залежать від компонентів.

Компонентами називають хімічні елементи та їх сполуки, на основі яких формується даний сплав.

Як правило, більшість технічних сплавів є багатокомпонентними, але практично завжди можна виділити два—три основних компоненти, а решта коректує властивості сплаву.

В рідкому стані більшість сплавів однорідна й у фізико-хімічному розумінні є однією фазою. Після затвердіння в сплаві може сформуватися кілька фаз.

Фазою називають однорідну за складом і будовою частину сплаву, що відокремлюється від інших частин поверхнею розділу, при переході через яку стрибкоподібно змінюються хімічний склад і властивості.

В залежності від фізико-хімічної взаємодії компонентів у твердому стані можна спостерігати такі типи фаз: первинні тверді розчини і проміжні фази на базі хімічних сполук.

Якщо компоненти при затвердінні сплаву розчиняються один в іншому, то утворюються так звані первинні тверді розчини.

Правило фаз (закон Гіббса). Правило фаз являє собою математичний вираз умов рівноваги системи, який встановлює математичну залежність між числом ступенів вільності С, кількістю компонентів К та кількістю фаз Ф: С = К + 3 — Ф, де 3 — число зовнішніх змінних чинників (темпера тура, тиск). Якщо тиск прийняти сталим, що цілком допускається при розгляданні металевих систем (3 = 1), тобто якщо з-поміж зовнішніх змінних чинників урахувати лише температуру, правило фаз набуде такого вигляду: С = К+ 1 - Ф.

У сплавах можуть утворюватися механічні суміші, тверді розчини, хімічні сполуки, проміжні фази.

Механічні суміші. Механічна суміш двох компонентів А і В утворюється тоді, коли вони не здатні розчинятися у твердому стані і не вступають у хіміч­ну реакцію з утворенням сполуки. За таких умов сплав складається з кристалів А і В.

Механічні властивості залежать від кількісного співвідношення компонентів А і В, а також від розміру і форми зерен (кристалів). Властивості суміші проміжні — між властивостями чистих металів.

Тверді розчини. Твердими розчинами називають кристалічні речовини, в яких атоми розчинного компонента В розміщені у кристалічній решітці розчинника А. При цьому тип решітки не змінюється.

Тверді розчини бувають розчинами заміщення та розчинами проникнення.

У твердих розчинах заміщення атоми розчинного компонента В заміщують частину атомів розчинника А в його кристалічній решітці.

У твердих розчинах проникнення атоми розчинного компонента розподіля­ються в міжвузлах кристалічної решітки розчинника А.

Тверді розчини бувають обмежені та необмежені.

Необмежені тверді розчини утворюються у будь-яких співвідношеннях компонентів.

В обмежених твердих розчинах розчинність компонентів один в одному обмежена, тобто розчинення відбувається до певної концентрації.

При утворенні твердих розчинів заміщення і проникнення атоми розчинного компонента розміщуються у решітці розчинника довільно.

Хімічні сполуки. У результаті хімічної взаємодії утворюється нова речовина з новими властивостями та будовою, відмінними від властивостей і будови елементів, з яких вона отримана. Наприклад, СиА1₂ має твердість НВ 400, тоді як твердість Си становить НВ 35, а твердість А1 НВ 20.

На основі хімічних сполук утворюються так звані тверді розчини вилучення (до них відносяться карбіди VC, TiC, NbC та ін.). У твердих розчинах вилучення співвідношення атомів елементів має відповідати стехіометричній пропорції (цілим числам).

Проміжні фази (фази проникнення). Проміжні фази утворюються металами перехідних груп з металоїдами¹, що мають малий атомний радіус. При цьому атоми металоїду втілені в кристалічну решітку металу. Типовими прикладами фаз проникнення можуть слугувати карбіди та нітриди WC, MoC, TiN, TaN, TiC та ін. Ці фази є проміжними між хімічними сполуками та твердими розчинами. За повного впорядкування атомів вони можуть перейти у хімічні сполуки.

Питання для самоконтролю

1. Що називається сплавом?

2. Яка структура утворюється при кристалізації сплавів?

3. Що таке твердий розчин?

4. Що таке необмежена розчиність?

5. Що таке обмежена розчинність?

6. Які є тверді розчини?

7. Що таке механічна суміш?

8. Що таке хімічне сполучення?

9. Які властивості хімічних сполучень?

10. Що таке система, фаза, компоненти?

11. Правило фаз.

Дата добавления: 2015-06-25