HomeЦветные металлы и сплавы › Металлические сплавы

Металлические сплавы

Металлические сплавыВ технике для изготовления деталей и изделий чаще применяют сплавы и значительно реже чистые металлы. Поскольку сплавы состоят из двух или более химических элементов, то структура сплавов и их свойства определяются взаимодействием разнородных атомов (т. е. атомов различных элементов, входящих в сплав).

 

Несмотря на огромное число сплавов, элементы, входящие в них, образуют определенные соотношения друг с другом. При кристаллизации внутренняя структура сплавов представляет собой твердые растворы, механические смеси или химические соединения. Чтобы понять строение и свойства этих трех видов составляющих сплавов, рассмотрим кристаллизацию сплава из жидкого состояния.

 

Твердые растворы. В жидком состоянии атомы элементов, входящих в сплав, в большинстве случаев равномерно перемешаны друг с другом и представляют собой жидкий раствор. Если атомы разных элементов (металлов или неметаллов) немного отличаются один от другого своими размерами и электронным строением, то при кристаллизации они могут образовать общую, т. е. совместную, кристаллическую решетку, сходную с кристаллической решеткой какого-либо одного элемента. В такой кристаллической решетке атомы элементов, входящих в сплав, занимают различные места.

 

Образовавшийся при таких условиях кристалл в виде зерна или дендрита называется твердым раствором. Элемент, кристаллическая решетка которого сохранилась, называют растворителем. При кристаллизации или перекристаллизации сплавов могут образоваться твердые растворы замещения и внедрения.

 

Твердым раствором замещения называется атомно-кристалличеекая структура сплава, в кристаллических решетках которой атомы растворенных элементов замещают часть атомов растворителя. Твердые растворы замещения могут образовывать элементы, имеющие одинаковые по типу кристаллические решетки, при этом различие атомных радиусов растворителя и растворенного элемента не должно превышать 15%.

 

При этих условиях большинство элементов образуют твердые растворы замещения в любом соотношении между собой, т. е. обладают неограниченной растворимостью. Например, железо-хром, железо — молибден, медь — никель и др. Твердым раствором внедрения называется атомно-кристаллическая структура сплава, в кристаллических решетках которой атомы растворенных элементов располагаются в пустотах между атомами растворителя.

 

Твердые растворы внедрения образуются в тех случаях, когда атомные радиусы растворенных элементов меньше атомных радиусов растворителя. Так, яселезо, хром, молибден образуют твердые растворы внедрения с углеродом, азотом и водородом. Твердые растворы внедрения образуются только при ограниченном растворении элементов. Например, при температуре 1147° С у-железо может растворить 2% углерода, с понижением температуры растворимость углерода в у-железе понижается. Медь может растворить до 38% цинка — получится латунь, которую обозначают а-латунь.

 

Все железоуглеродистые сплавы представляют собой твердые растворы внедрения углерода в железе. Свойства сплавов, представляющих собой твердые растворы, несколько отличаются от свойств элементов, входящих в сплав. Преимущественно все зерна твердого раствора обладают одинаковыми свойствами, как это наблюдается в чистых металлах. Твердые растворы хорошо поддаются обработке металлов давлением, т. е, хорошо куются, штампуются, прокатываются, обладают высокой прочностью, повышенными антикоррозионными свойствами и хорошей свариваемостью, но в то же время имеют низкие литейные свойства (усадку, жидкотекучесть).

 

Механические смеси. Сплавы, элементы которых имеют различные по типу кристаллические решетки и состоят из атомов, резко отличающихся своими размерами и электронным строением, образуют при кристаллизации механические смеси. Механические смеси могут состоять из чистых элементов, твердых растворов, химических соединений. При кристаллизации механической смеси каждый компонент самостоятельно и поочередно образует кристаллы. Такие чередующиеся кристаллы механической смеси значительно отличаются один от другого свойствами.

 

Сплавы, кристаллизующиеся в виде механических смесей, обладают высокими литейными свойствами. Механические свойства таких сплавов имеют среднее значение свойств компонентов, входящих в сплав, и изменяются прямо пропорционально количеству составляющих компонентов.

 

Сплавы, структура которых представляет собой механическую смесь, как правило, плохо поддаются обработке металлов давлением, потому что состоят из кристаллов, которые сильно отличаются один от другого пластическими свойствами.

 

Механические смеси могут образовываться при кристаллизации из жидкого сплава и при перекристаллизации в твердом состоянии. Практическое применение сплавов, имеющих структуру механической смеси, определяется их свойствами. Как правило, большинство литейных сплавов при кристаллизации образуют механические смеси, например: сплав алюминия е 33% меди; сплав железа с 4,3% углерода; сплав алюминия с 11 — 13% кремния; сплав свинца с 13% сурьмы и др.

 

Химические соединения. Сплавы, элементы которых имеют различные периоды кристаллических решеток и различное строение атомов, при кристаллизации могут образовать химическое соединение металлов с металлами и металлов с неметаллами (металлоидами). Кристаллическая решетка химического соединения отличается от кристаллических решеток элементов, составляющих соединение. Атомы в решетке химического соединения располагаются упорядочение, атомы одного элемента закономерно, в определенном количестве расположены среди атомов другого элемента. Обычно химические соединения образуют сложные кристаллические решетки.

 

Элементы образуют химическое соединение всегда в строго определенном массовом соотношении. Поэтому все химические соединения можно выразить формулами типа АтВп, где Л и В — элементы, т и п — массовое количество элементов, которое всегда выражается простыми числами.

 

Обычно химические соединения обладают высокими твердостью и прочностью, но в то же время большой хрупкостью. В качестве примеров химических соединений можно привести сплав меди с алюминием СиМ% сплав магния с цинком MgZri2, сплав железа с углеродом Fe3C, железа с кремнием FeSi и др.

 

Свойства химических соединений всегда сильно (скачком) отличаются от свойств образующих его элементов. Например, алюминий имеет твердость НВ20, медь — НВ35, а твердость химического соединения СиАЬ равна НВ400; твердость железа — НВ80, углерода (графита) — НВЗ, а твердость химического соединения Fe3C НВ800. Следовательно, когда необходима повышенная твердость изделия (детали, работающие на износ, режущий инструмент), в сплав вводят элементы, которые могут образовывать химические соединения.

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.