Химия - Фролов В.В.
Скачать (прямая ссылка):
Образуя жидкие растворы, в результате кристаллизации которых получаются сплавы, металлы дают системы с разнообразными свойствами, зависящими не только от качественного состава сплава, но и от количественных соотношений компонентов.
Прежде чем перейти к рассмотрению различных типов сплавов и их диаграмм плавкости, полученных на основании физико-химического анализа, интересно посмотреть, как изменяются свойства сплавов по сравнению с чистыми компонентами, взятыми для их приготовления (табл. 10.3).
Т а 6 л и ц а 10.3. Физико-механические свойства сплавов и чистых компонентов
Чистые мет аллы МПа ft, % и с.
МП а Сплавы "и.
МПа о. % Яг,.
МПа Соста п
Ал.кшнннй 78,3 40 196 Дюраль 410 18,0 980 3,8-4% Си 0,4—0,8% Mg 0,4-0,8% Mn остальное AI
Медь 210,5 60 344 Бронза А-5 784 4,0 1960 5.0% AI остальное Си
Цинк 127,0 5—20 344 Латунь 665 3—4 1375 38% Zn остальное Си
Образование различных типов сплавов зависит от сил взаимодействия между атомами (точнее, остовами атомов), образующими данный сплав.
Можно приблизительно классифицировать эти силы взаимодействия по,их величине и по системам, образующимся в результате этих взаимодействий.
1. Отсутствие или очень малое взаимодействие между .атомами металлов является причиной того, что эти металлы не образуют гомогенных растворов даже в жидком состоянии и дают расслаивающиеся жидкие фазы (ликвация) из чистых металлов или из очень ограниченных взаимных растворов.
При охлаждении такой системы образуются два затвердевших
269
слоя, распределяющихся по плотности. Такие системы дают А!—РЬ, А1 — Со1, 2п — РЬ и т. д. Эти пары не используют для создания промышленно важных сплавов.
2. Более сильное взаимодействие между атомами металлов приводит к образованию непрерывных или неограниченных жидких растворов, при кристаллизации которых металлы выделяются- в свободном состоянии и не образуют твердых растворов.
Таким образом, полученный сплав представляет собой гетерогенную систему из кристаллов отдельных компонентов.
Для получения жидкого раствора из двух или нескольких металлов вовсе не требуется более высокая температура, чем температура плавления самого тугоплавкого компонента, так как он будет растворяться в другом жидком металле при значительно более низкой температуре. Например, ртуть растворяет золото (т. пл. 1336 К) при комнатной температуре.
Сплавы этого простейшего типа в технике встречаются довольно часто и будут рассмотрены далее подробно.
3. Еще более сильное взаимодействие между атомами металлов приводит к образованию растворов не только в жидком, но и в твердом состоянии. При кристаллизации жидкого раствора из расплава выпадают кристаллы твердого раствора двух или более металлов и сплав получается гомогенным. Такими сплавами являются, например, нержавеющие или жаропрочные стали, содержащие хром, никель и другие компоненты в небольших концентрациях, растворенные в железе (^-модификация). Образование сплавов этого типа также будет рассмотрено подробно.
4. Сильное взаимодействие атомов металлов между собой приводит к'образованию интерметаллических соединений (интерметал-лиды), имеющих свою собственную кристаллическую структуру и свойства.
Устойчивость интерметаллидов различна,' и одни из них могут существовать и в жидкой, и в твердой фазах, а другие только в твердой фазе, распадаясь при высоких температурах.
В сплавах интерметаллиды ведут себя обычно как самостоятельные компоненты, имеющие определенный состав и температуру плавления. Образование сплавов этого типа будет рассмотрено подробно, так как они представляют собой важную группу сплавов.
Следует помнить, что такая систематизация не исчерпывает всего разнообразия сплавов, а включает лишь основные типы, комбинация которых может дать очень сложные системы сплавов, соответствующие реальным случаям.
Общий метод исследования систем основан на правиле фаз Гиббса — Коновалова, главное уравнение которогЪ С = К + 2 — Ф изменяется следующим образом: С — К + 1 —- Ф, так как не рассматривается газовая фаза в системе и поэтому давление всегда считается- постоянным. Таким образом, получаемые в дальнейшем диаграммы плавкости будут «изобарами».
Полностью давление как параметр равновесия исключить нельзя, так как температуры плавления чистых компонентов и
270
систем, образованных из них, зависят, правда в малой степени, от величины давления.
Экспериментальный метод исследования систем, свойства которых зависят от состава, использует физико-химический (термический) анализ, основы которого были разработаны академиком Н. С. Курнаковым.
Простейшая система сплавов (эвтектические сплавы). Металлы образуют жидкие растворы неограниченной концентрации, но не образуют твердых растворов. При охлаждении жидкого раствора из него выпадают кристаллы чистых компонентов и их смесь создает затвердевший сплав. Исходя из правила фаз Гиббса — Коновалова, можно представить следующие возможные состояния такой системы в зависимости от температуры и соотношения концентра-, дни компонентов — на примере системы Bi — Cd:
