UA-75651220-1

Поняття про сплави

Переважна більшість металевих матеріалів - це не чисті метали, а сплави. Щоправда, для спеціальних цілей виготовлюють особливо чисті метали, але навіть метали найвищої чистоти, строго кажучи, являють собою сплави. Навіть при чистоті 99,9999 % (за масою) кожний грам металу все ще містить сотні трильйонів сторонніх атомів домішок.

Для готування сплавів - легування - до металу спеціально додають один або кілька інших металів або навіть неметалів. Легування дозволяє змінювати властивості даного металу. Наприклад, відносно м’яка мідь, легована оловом, перетворюється в значно твердішу бронзу. Щоб підвищити міцність виробів із золота, до нього додають різні метали, оскільки чисте золото м’яке й легко деформується. Із заліза переважно внаслідок легування вуглецем одержують сталь, що називають вуглецевою. Леговані сталі крім вуглецю містять інші спеціально введені (легуючі) елементи, такі як марганець, нікель, хром тощо.

Мета легування полягає в тому, щоб поліпшити експлуатаційні й технологічні властивості металевого матеріалу. Нерідко, якщо не вдається одночасно поліпшити всі властивості матеріалу так, як цього хотілося б, доводиться шукати якесь компромісне рішення. Наприклад, бронза міцніше міді, але менш пластична. Чистий алюміній проводить електричний струм краще, ніж будь-який його сплав, але міцність його значно нижче. Тому при виготовленні сплавів металурги виходять з того, які властивості в даному конкретному застосуванні сплаву особливо важливі й, отже, повинні бути, наскільки це можливо, посилені, а якими властивостями можна дещо поступитися. Ніж або сокира повинні довго залишатися гострими; дзвін повинен звучати голосно й чисто; ливарний матеріал у розплавленому вигляді повинен добре заповнювати форму, і тому розплав повинен мати високу плинність, тобто малу в’язкість; конструкційна сталь для спорудження мостів має бути міцною, в’язкою і добре зварюватися; метал для підшипників має бути стійким до зношування. У більшості випадків, щоб одержати потрібні властивості металу, його доводиться легувати декількома елементами й піддавати певній обробці. У ті часи, коли наукові засади легування були невідомі, готування сплавів уявлялося таємничим мистецтвом, магією й багато випадково відкритих закономірностей цього процесу становили секрет родини або цеху. 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 межу 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.

Утворення твердих розчинів (рис. 1.2.64) супроводжується зміною параметрів кристалічної ґратки 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. 1.2.64. 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 АmВn (де А і В - хімічні елементи (компоненти), а m i n - прості цілі числа) (рис. 1.2.65).
Рис. 1.2.65. Кристалічні ґратки хімічного з’єднання
Елементарна кристалічна комірка хімічної сполуки відмінна від кристалічних ґраток 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 з 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. 1.2.66).
Рис. 1.2.66. 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.

Основу властивостей металевих сплавів визначають фазовий склад і структура сплавів, які залежать від компонентів.

Компонентами називають хімічні елементи та їх сполуки, на основі яких формується певний сплав.

Як правило, більшість технічних сплавів є багатокомпонентними, але практично завжди можна виділити 2-3 основних компоненти, а решта корегує властивості сплаву.

У рідкому стані більшість сплавів однорідна й у фізико-хімічному розумінні є однією фазою. Після затвердіння в сплаві може сформуватися кілька фаз.

Фазою називають однорідну за складом і будовою частину сплаву, що відокремлюється від інших частин поверхнею розділу, при переході через яку стрибкоподібно змінюються хімічний склад і властивості.

Система - це будь-яка речовина, що складається з компонента або сплаву заданого складу чи сукупності нескінченно великої кількості сплавів, утворених певними компонентами. Система характеризується температурою та масовими частками компонентів.