Взаимодействие компонентов в сплавах. Механические смеси, твердые растворы, химические соединения.

Сплавы – это металлические материалы, состоящие из двух и более элементов, в том числе и неметаллов. Входящие в состав сплава вещества принято называть компонентами сплава, причем компоненты могут быть простыми (Fe, Cu) и сложными (Fe3C, CuAl2). При взаимодействии компоненты сплава образуют различные фазы. Фазой называется однородная по составу, строению и свойствам часть сплава, отделенная четко выраженной границей от других его частей.

В расплавленном состоянии большинство металлов растворяются друг в друге без ограничений, образуя жидкий раствор. При кристаллизации они могут образовать подобную структуру – твердый раствор одного компонента в решетке другого. Иногда компоненты вступают в химическое взаимодействие и образуют химическое соединение. Но бывает и так, что между компонентами в твердом состоянии нет никакого взаимодействия, и тогда они кристаллизуются раздельно, каждый образует свои собственные кристаллы, а сплав представляет собой механическую смесь кристаллов исходных компонентов.

Механическая смесь–образуется в том случае, когда при кристаллизации жидкого сплава из компонентов, которые условно обозначим А и В, каждый компонент строит свою кристаллическую решетку.

В результате затвердевший сплав состоит из кристаллов двух компонентов, которые связаны только по границам (рис. 5.1). Кристаллизация сплавов, как правило, идет в интервале температур, но есть в системе А+В такой состав, когда затвердевание обоих компонентов происходит при постоянной температуре, которая значительно ниже температуры кристаллизации каждого компонента.

Рис. 5.1 Микроструктура сплава приобразовании механической смеси.

Механическая смесь, которая кристаллизуется при постоянной температуре, называется эвтектикой.Эвтектика имеет мелкую структуру с чередующимися кристаллами одной и другой фазы (часто пластинчатой формы). Эвтектические сплавы обладают повышенной жидкотекучестью, низкой температурой плавления, что приводит к хорошим литейным свойствам.

Твердый раствор – образуется в том случае, когда при кристаллизации жидкого сплава только один из компонентов строит свою кристаллическую решетку, а атомы второго элемента располагаются в его кристаллической решетке. Компонент, строящий свою кристаллическую решетку, называется растворителем, а второй компонент – растворимым.

Существует три типа твердых растворов: растворы внедрения, замещения и вычитания, Растворы вычитания встречаются редко, поэтому рассматриваться не будут.

Растворы внедрения дают элементы, имеющие маленький атомный размер (C, N, H, B), они размещаются между атомами в кристаллической решетке растворителя (рис. 5.2), при этом возникают искажения и напряжения в кристаллической решетке.

Растворы замещения – в этом случае атомы растворенного элемента замещают атомы растворителя в узлах кристаллической решетки.

Химическое соединение–получается в том случае, когда при затвердевании сплава строится новая кристаллическая решетка, непохожая на решетку ни того, ни другого элемента. Атомы А и В занимают определенные узлы и находятся в определенном соотношении, которое выражается химической формулой (например, химическое соединение Fe и C-Fe3C, Al и Cu – CuAl2). Атомы в химическом соединении прочно связаны друг с другом, кристаллическая решетка, как правило, сложная, что не допускает смещения одной части кристалла относительно другой. Все это обусловливает высокую твердость и хрупкость химических соединений.

4. Структура неметаллических материалов (полимерные материалы, стекло, керамика).

Критерии выбора материалов. Механические и физические свойства