Будова і властивості металічних сплавів

Металічні сплави – це суміші декількох металів, які пройшли сумісне плавління, і які утворюють одне однорідне тіло , яке має металічні властивості.

Елементи, які утворюють сплав (систему) являються його компонентами. Компонентами системи можуть бути:

− металічні елементи;

− неметалічні елементи (хімічні сполуки, за умови їх достатньої стійкості).

Система – це сукупність фаз, які знаходяться у рівновазі.

Фаза – це однорідна за хімічним складом і будовою частина системи відділена від інших частин поверхнею розподілу.

Правило фаз (правило Гіббса)

Ступінь свободи – число зовнішніх і внутрішніх факторів (температура, тиск, концентрація), яке можна змінювати без зміни кількості фаз у системі.

S = k – f + 2

k – число компонентів, яке визначає систему;

f – число фаз, які знаходяться у стані рівноваги;

2 – вказує на кількість параметрів системи, які змінюються.

Правило фаз справедливе лише для рівноважного стану.

У випадку, коли тиск незмінний у всіх випадках, тоді S = k – f + 1

У момент кристалізації число фаз більше двох (f > 2), тобто є дві фази : тверда і рідка, тоді S = 1 – 2 + 1 = 0.

Це означає, що дві фази знаходяться у рівновазі лише за строго визначеної температури. Ця температура не може бути змінена до тих пір, поки одна із фаз не зникне , тобто поки система не стане моноваріантною (ступінь свободи = 1).

У сплавах можуть утворюватися наступні фази:

− рідкі розчини;

− тверді розчини;

− хімічно-металічні сполуки;

− механічні суміші.

Тверді розчини можуть утворюватися у тих випадках, коли атоми різних елементів, змінюючись у різних співвідношеннях у певному інтервалі концентрацій здатні утворювати загальну кристалічну решітку, при цьому один з компонентів зберігає свою кристалічну структуру, а другий компонент віддає свої у решітку першого компоненту. Згідно з цим, розрізняють:

− тверді розчини заміщення;

− тверді розчини вкорінення;

− тверді розчини віднімання;

Для утворення твердих розчинів необхідні певні умови:

− компоненти повинні мати однакові за типом кристалічні решітки;

− повинні мати приблизно однакові атомні радіуси, різниця в яких має складати не більше 15-17% (правидо Юма);

− компоненти повинні належати до однієї групи періодичної системи елементів Д. І. Мендєлєєва, або до суміжних груп, тому повинні мати приблизно однакову будову валентних оболонок.

Тверді розчини бувають двох видів: з обмеженою і необмеженою розчинністю.

Хімічні металічні сполуки

Такі сполуки дають метали з елементами, які стоять далеко один від одного у періодичній системі елементів Д. І. Мендєлєєва.

Хімічні особливості хімічних металічних сполук:

− кристалічна решітка утворених сполук різко відрізняється від кристалічної решітки вихідних сполук і має складну кристалічну будову;

− у сполуках завжди зберігається просте кратне співвідношеня елементів.

АnBm

n і m – кратні вагові співвідношення.

− хімічні і фізичні властивості отриманого сплаву різко відрізняються від властивостей вихідних компонентів;

− мають однакову температуру плавління і температуру дисоціації.

Т_пл. = Т_дис. = const

Розрізняють наступні види хімічних металічних сполук:

− інтерметалічні сполуки;

− металічні сполуки.

Інтерметалічна сполука – поєднання двох металів з утворенням сполуки, яка не характеризується металічним зв’язком (Mg₂Sn).

Металічна сполука – навпаки характеризується металічним зв’язком навіть, якщо склад сплаву входять неметали (нітриди і карбіди перехідних елементів).

За Курніковим:

Бертоліди – це сполуки змінного складу, які існують у широкій області концентрацій у вигляді твердого розчину.

Дальтоніди – сполуки, які існують лише за строго стехіометричного співвідношення компонентів.

Перехідні метали (Mo, Cr, Mn, &&) утворюють з вуглецем, азотом і воднем відповідно карбіди, нітриди і гідриди. Ці сполуки мають спільність будови і властивостей – ???????

Вони можуть мати склад наступних типів:

− M₄X (Fe₄C, Fe₄N, Fe₄H і тд.);

− M₂X (Fe₂C, Mo₂N і тд.);

− МХ.

Фази вкорінення володіють більшою електропровідністю, яка зменшується з підвищенням температури; мають металічний блиск; майже всі мають ?????.

Механічні суміші

Механічні суміші утворюються тими компонентами, які не взаємодіють один з одним.

Так, при кристалізації багатьох сплавів Cu-Bi, Zn-Sn, Pb-Sn утворюються механічні суміші фаз. (Рентгенограма показує наявність двох кристалічних решіток, які утворюють суміш).

Для твердих розчинів характерні:

− прокатуваність;

− підвищена пластичність;

− чим більш однорідна система, тим більша корозійна стійкість.

Для механічних сумішей характерні:

− високі ливарні властивості;

− низька корозійна стійкість.

Діаграма стану двох фазових систем

Діаграма стану – це графічне зображення області існування і співіснування присутніх у системі фаз за різних температур і складу сплавів. Будується у координатах – температура як функція складу сплаву.

Склад сплаву виражається концентрацією компонентів найчастіше в атомних або масових відсотках.

Кожна точка на діаграмі показує стан сплаву даної концентрації за даної температури.

L-liquids

S-solids

У твердому стані у сплавах утворюється неперервний ряд твердих розчинів.Кожна вертикаль відповідає зміні температури певного сплаву.

Зміна фазового стану сплаву на діаграмі позначається точкою. Наприклад, точка К на діаграмі 1 – це точка кристалізації компоненту В.

Діаграма стану сплавів, складові якого повністю розчиняються в рідкому і обмежено у твердому.

т.Е – точка евтектики (одночасне існування декількох фаз).

Діаграма стану сплава типу евтектичної суміші.

Тверді фази в станах такого типу – хімічно чисті компоненти, або ж це проміжні фази сталого стехіометричного складу.

Діаграма стану з змінною розчинісстю у твердому стані.

Діаграма стану для сплавів, що утворюють хімічні сполуки.

Правило Курнакова

Це правило встановлює зв’язок типом діаграми стану і характером зміни фізико-хімічних властивостей рівноважних сплавів від функції складу:

1). У сплавах, які утворюють механічні суміші залежність властивостей (електроопір, твердість, температурний коефіцієнт, густина) лінійна. Властивість сплаву має проміжне значення між властивостям його компонентів.

2).У сплавах, які утворюють тверді розчини залежність вказаних вище властивостей криволінійна.

3).Якщо на діаграмі стану є одно і двофазні області, то властивості сплавів при зміні складу змінюються наступним чином:

I область – криволінійна залежність;

II область – лінійна залежність (сплави-суміші).

Лекція №10