Структура и свойства металлических сплавов

Структура и свойства металлических сплавов

Металлическими сплавами называют растворы в жидком состоянии двух или более металлов или металлов с не­металлами, образующие при затвердевании механическую смесь, твердые растворы или химические соединения. Сплавы распростра­нены в технике гораздо шире, чем чистые металлы, благодаря раз­нообразию их физико-механических, технологических и эксплуата­ционных свойств. Например, железо почти не применяется, но за­то широко распространены сталь и чугун, являющиеся сплавами железа с углеродом и содержащие также то или иное количество других примесей. Сталь и чугун служат основными материалами для изготовления деталей машин и конструкций. Медь в чистом виде так­же находит ограниченное применение (главным образом, в электро­технической промышленности); значительно большее распростра­нение получили ее сплавы с цинком (латуни) или с оловом, алюми­нием, кремнием и другими элементами (бронзы). В чистом виде алю­миний применяется мало, гораздо чаще для изготовления деталей машин и конструкций используют его сплавы с кремнием (силуми­ны) или с медью, марганцем, магнием и некоторыми другими эле­ментами (дуралюмины).

Большое количество металлических сплавов, так же как и метал­лов, получают в жидком (расплавленном) состоянии и кристал­лизуют в изложницах или литейных формах. Эти сплавы называют литейными, в отличие от порошковых, получаемых без расплавле­ния методами порошковой металлургии. Можно получить сплавы электролизом, возгонкой и другими методами.

Сплавы получают сплавлением двух или нескольких компонен­тов. Компонентами называют химические элементы или их устойчивые соединения, образующие сплав. Например, в спла­вах свинца с сурьмой компонентами являются свинец и сурьма, а в сплавах железа с углеродом — железо и химическое соединение, образуемое им с углеродом, — Fе3С. В зависимости от числа ком­понентов сплавы разделяют на двухкомпонентные (двойные, или бинарные) и многокомпонентные: трехкомпонентные (тройные), четырехкомпонентные (четверные) и т. д.

Компоненты, входящие в сплав, взаимодействуют друг с другом как в жидком, так и в твердом состоянии.

В жидком состоянии компоненты могут образовывать жидкие растворы с неограниченной или ограниченной растворимостью друг в друге или обладать полной нерастворимостью.

Ограниченная растворимость металлов друг в друге в жидком состоянии встречается редко (например, в сплавах меди со свинцом, алюминия со свинцом) и еще реже полная нерастворимость (напри­мер, в сплавах железа со свинцом, железа с висмутом). При сплавле­нии такие металлы образуют два слоя: внизу находится металл более тяжелый, вверху — более легкий.

Необходимо отметить, что на взаимодействие металлов в жид­ком состоянии оказывают влияние внешние факторы, например, вибрационные колебания, магнитное, электрическое поля и др. Ме­таллы, не сплавляющиеся друг с другом или обладающие ограни­ченной растворимостью в жидком состоянии, при воздействии на них, например, ультразвуковых колебаний, образуют жидкие ра­створы с неограниченной растворимостью или же их растворимость друг в друге значительно увеличивается (железо и цинк, алюминий и свинец, алюминий и кадмий). Очевидно, такое влияние ультра­звуковых колебаний может быть объяснено ускорением диффузи­онных процессов, протекающих в жидких сплавах.

Вопрос о взаимодействии компонентов при сплавлении имеет большое практическое значение при создании новых сплавов. Од­нако еще нельзя, основываясь на теории сплавов, заранее устано­вить, будут ли сплавляемые компоненты обладать полной или огра­ниченной растворимостью в жидком состоянии или они не будут растворяться совсем. Положение о том, что ограниченная раство­римость и нерастворимость компонентов в сплаве обусловлены боль­шим различием величины их атомных диаметров и температур плав­ления, для ряда сплавов (например, сплавов железа с медью, ни­келя с серебром и др.), не подтверждается.

В большинстве случаев компоненты неограниченно растворяются в жидком состоянии и образуют при сплавлении однородный жидкий раствор.