Урок №14 Будова та характеристика сплавів.

Чисті метали використовують у машинобудуванні обмежено. Більшість металевих матеріалів є сплавами. Металеві сплави — це основний конструкційний матеріал, з якого виготовляють близько 95—97 % деталей машин.

Сплавом називають складну речовину, отриману сплавленням двох або більше компонентів, переважно металевих. Сплави можна отримати також плазмовим напилюванням, спіканням при високих температурах порошків, спресованих із різних компонентів, та іншими методами. Необхідною умовою для будь-якого методу виготовлення сплавів є взаємна дифузія атомів компонентів. Ця умова найлегше задовольняється тоді, коли компоненти перебувають у рідкому стані й утворюють однорідні розчини на атомному рівні. Під час кристалізації залежно від фізико-хімічних властивостей компонентів їх атоми взаємодіють. Унаслідок такої взаємодії формуються структури у вигляді:

• твердого розчину заміщення або проникнення;

• хімічної сполуки;

• механічної суміші з різнорідних кристалів тощо.

Сплави зберігають високу тепло- й 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. Fе та Ni — метали феромагнітні, а сплав Fе з 25 % Ni не має цієї властивості. Сплав, що складається з 50 % Ві, 25 % Рb, 12,5 % Sn і 12,5 % Сd, плавиться при температурі 68 °С, тоді як найбільш легкоплавкий з його компонентів — Sn — має температуру плавлення 232 °С.

Усі ці приклади не лише 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.

У твердому розчині заміщення атоми розчиненого компонента В (рис. 2.1, а) заміщують частину атомів компонента-розчинника А в його кристалічній ґратці. Кількість заміщених атомів може змінюватись у широкому діапазоні. Залежно від цього розрізняють тверді розчини з необмеженою і з обмеженою розчинністю. Якщо атоми одного компонента заміщує необмежена кількість (від 0 до 100 %) атомів іншого компонента, то утворюється необмежений твердий розчин заміщення. Для утворення такого розчину необхідно вибрати компоненти, в яких наявні:

• однаковий тип елементарної кристалічної комірки;

• різниця розмірів атомних радіусів не перевищує 8—15%;

• близька будова валентних атомних рівнів компонентів.

Рис. 2.1. Елементарна кристалічна комірка твердого розчину заміщення (а) і твердого розчину проникнення (б):

А — атом компонента-розчинника; В — атом розчиненого компонента

У деяких випадках навіть за виконання названих умов необмежені тверді розчини не формуються.

Необмежені тверді розчини утворюють такі пари компонентів: мідь — золото, мідь — нікель, γ-залізо — вольфрам, ванадій — титан та інші.

Якщо компоненти не відповідають цим вимогам, вони можуть утворювати обмежені тверді розчини заміщення. Тоді розчинність одного компонента в іншому зменшуватиметься зі збільшенням різниці атомних радіусів компонентів. Як правило, зі зниженням температури така розчинність зменшується. Обмежена розчинність можлива навіть за наявності компонентів із різними типами кристалічних комірок. У твердих розчинах заміщення атоми розчиненого компонента розподіляються переважно невпорядковано.

Окремі тверді розчини заміщення під час повільного охолодження або тривалого нагрівання при певних температурах утворюють упорядковані тверді розчини, в яких атоми компонентів займають чітко визначені положення у вузлах просторової кристалічної ґратки. Умовою повної впорядкованості атомів компонентів є співвідношення між їх кількістю, що визначається цілими числами, як, наприклад, 1:1, 1:2, 1:3 і т. д. Тоді сплав із упорядкованим розташуванням атомів можна умовно приписати хімічній сполуці, зокрема СuZn (рис. 2.2, а), СuАu (рис. 2.2, б), Сu₃Аu (рис. 2.2, в). Коректніше впорядковані тверді розчини слід розглядати як проміжні структури між твердими розчинами й хімічними сполуками.

Рис. 2.2. Елементарні кристалічні комірки впорядкованих твердих розчинів:

а — СuZn; б — СuАu; в — Сu₃Аu

Коли відхилення від поданих вище співвідношень незначні, маємо лише часткову впорядкованість. Під час нагрівання вона поступово зменшується і навіть зовсім зникає.

Виникнення і зникнення впорядкованості атомів супроводжується зміною властивостей сплаву. Впорядковані тверді розчини порівняно з невпорядкованими характеризуються підвищеними твердістю, міцністю й електропровідністю, проте зниженою пластичністю.

У твердому розчині проникнення атоми розчиненого компонента В (див. рис. 2.1, б) можуть перебувати в міжатомних порожнинах просторової кристалічної ґратки компонента розчинника А.

Як відомо, в елементарних кристалічних комірках розрізняють два типи порожнин — октаедричні й тетраедричні. Кожна з октаедричних порожнин оточена шістьма атомами, розташованими у вершинах октаедра, а кожна з тетраедричних порожнин оточена чотирма атомами у вершинах тетраедра. Якщо припустити, що будь-яка просторова ґратка збудована з жорстких куль радіусом r, що дотикаються між собою, то максимальний радіус сфери, яку можна розташувати в порожнинах ГЦК, дорівнює 0,41r і 0,225r відповідно для октаедричних і тетраедричних порожнин. Октаедричні порожнини ГЦК бачимо в центрі куба і посередині його ребер (рис. 2.3, а). Тетраедричні порожнини зображені на рис. 2.3, б.

Рис. 2.3. Октаедричні (а) й тетраедричні (б) порожнини в кубічній гранецентричній комірці:

А — атом металу; В — порожнина

Умовою для утворення твердого розчину проникнення є розмірний фактор у вигляді співвідношення

r_x / r_м <0,59,

(2.1)

де r_x — радіус прониклого атома неметалу; r_м — радіус атома металу.

Зважаючи на невеликі розміри порожнин кристалічної ґратки металу-розчинника, можна стверджувати, що в них можуть перебувати лише атоми неметалів з малими розмірами (Карбон, Нітроґен, Бор).

Зазначимо, що в металах з ГЦК- і ГЩУ-комірками розмір найбільшої міжатомної порожнини становить 0,41 r_м , і в металах з ОЦК-коміркою — відповідно 0,29 r_м , тому метали з ЩК-коміркою практично не утворюють твердих розчинів проникнення. Тверді розчини проникнення бувають тільки обмеженими, концентрація розчиненого компонента в них практично не перевищує 2 %. У твердому розчині проникнення Карбону в Ферумі з ГЦК-коміркою — аустеніті — максимальна розчинність становить 2,14 % С.

Утворення твердих розчинів (рис. 2.4) супроводжується зміною параметрів кристалічної комірки металу-розчинника, з чим пов'язують зміну властивостей твердого розчину. Тверді розчини проникнення мають кристалічну ґратку спотворенішу, ніж тверді розчини заміщення. Тому зі збільшенням концентрації компонента проникнення в них сильніше зростають твердість і міцність при одночасному зменшенні пластичності.

Рис. 2.4. Схема мікроструктури твердого розчину

У металознавстві прийнято позначати компоненти великими літерами латинського алфавіту (А, В, С), тверді розчини — малими літерами грецького алфавіту (α, β, γ), а впорядковані тверді розчини — α´, β´, γ´

Хімічна сполука найчастіше утворюється з елементів, які істотно відрізняються за будовою і властивостями. Співвідношення кількості атомів елементів, що входять до складу сполуки, чітко визначене й виражається простою формулою А_mВ_n (де А і В — хімічні елементи (компоненти), а m i n — прості цілі числа) (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Кристалічні ґратки хімічного з'єднання

Елементарна кристалічна комірка хімічної сполуки відмінна від кристалічних комірок компонентів, що її утворили. Хімічні елементи в ній займають чітко визначені положення. Властивості хімічної сполуки істотно відрізняються від властивостей компонентів.

Переважно хімічним сполукам властива низька пластичність і висока твердість, яка істотно перевищує твердість компонентів.

На відміну від твердих розчинів, хімічні сполуки мають сталу температуру плавлення (дисоціації).

Механічна суміш складається із різнорідних кристалів. Така структура утворюється тоді, коли під час кристалізації сили взаємодії між однорідними атомами більші, ніж сили взаємодії між різнорідними атомами. Переважно в кристалічній ґратці одного компонента розчиняються в обмеженій кількості атоми іншого компонента. Тоді мікроструктура сплаву у вигляді механічної суміші складається зі зерен твердого розчину α та зерен твердого розчину β (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Схема мікроструктури механічної суміші:

α — зерна твердого розчину компонента В у компоненті А; β — зерна твердого розчину компонента А в компоненті В

Коли взаємною розчинністю компонентів можна знехтувати, умовно вважають, що механічна суміш складається із зерен компонента А та зерен компонента В.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1. Що таке сплави?

2. Як відрізняються властивості сплавів від властивостей чистих металів?

3. Які структури мають сплави?

4. Коли утворюються необмежений та обмежений твердий розчин заміщення?

5. Чим відрізняються твердий розчин заміщення від твердого розчину проникнення?

6. Чи можуть тверді розчини проникнення бути необмеженими?

7. Наведіть приклади металів, які утворюють тверді розчини.

8. У яких випадках утворюється хімічна сполука?

9. Які властивості мають хімічні сполуки порівняно з властивостями компонентів?

10. За яких умов утворюється механічна суміш?

Д/з: опрацювати, скласти конспект,дати відповідь на контрольні запитання.