Процесс кристаллизации сплавов

Фазы в металлических сплавах. В сплавах в зависимости от при­роды компонентов их атомы по-разному могут взаимодействовать между собой и образовывать следующие фазы: твердый раствор, химическое соединение и эвтектическую (механическую) смесь.

Фаза — это однородная часть системы или совокупность частей, имеющих одинаковый состав, строение и физико-химические свойства. Разные фазы всегда отделены друг от друга поверхностями раздела (межфазными поверхностями). Химический состав каждой фазы в сплаве можно выразить через концентрации компонентов.

Компонентами называют независимые индивидуальные вещества, наименьшее число которых достаточно для образования всех фаз системы. Компоненты могут переходить из одной фазы в другую, но не могут переходить друг в друга. Компонентами в металлических сплавах обычно являются чистые металлы и неметаллы, а также химические соединения.

Твердый раствор — фаза сплава, в которой один из компонен­тов, являющийся растворителем, сохраняет свою кристалличес­кую решетку, а атомы другого или других компонентов распола­гаются в решетке растворителя, изменяя ее периоды. Твердые ра­створы образуются в тех случаях, когда компоненты сплава спо­собны растворяться один в другом в твердом состоянии. Твердый раствор образуется в некотором интервале концентраций компо­нентов. Различают твердый раствор замещения и твердый раствор внедрения.

При образовании твердого раствора замещения атомы раство­ренного компонента замещают часть атомов растворителя в узлах его кристаллической решетки Твердые растворы за­мещения образуются, если атомные радиусы растворителя и ра­створенного элемента различаются не более чем на 15% (слабое действие размерного фактора). В твердом состоянии сплава раство­римость компонентов уменьшается по мере увеличения различия атомных радиусов компонентов и их валентности. При соблюде­нии размерного фактора и одинаковом типе кристаллической ре­шетки образуются твердые растворы с неограниченной раствори­мостью компонентов.

При образовании твердых растворов внедрения часть межузельных полостей решетки растворителя занята атома­ми компонента сплава. Например, при внедрении атомов углеро­да в решетку железа образуются сплавы Fe —С (сталь или чугун), значительно более твердые, чем чистое железо. Причем обе алло­тропические формы железа (α и γ ) образуют твердый раствор вне­дрения. При заполнении всех промежутков между атомами раство­рителя достигается предел растворимости. Основным условием воз­можности образования твердого раствора внедрения является раз­мерный фактор — то, что размер внедренного межузельного ато­ма должен быть меньше межузельных промежутков, как, напри­мер, в твердых растворах при сплавлении переходных металлов с неметаллами (водород, кислород, азот, бор), имеющими малый радиус. Твердые растворы внедрения всегда имеют ограниченную растворимость.

Сплавляемые металлы могут образовывать между собой хими­ческие соединения. В металлических сплавах химические соединения образуются так­же между металлами и неметаллами, как, например, цементит Fe₃C в стали и чугуне. Микроструктура химических соединений, как и твердых растворов, состоит из однородных зерен. Однако в отличие от твердых растворов химические соединения имеют обыч­но особую кристаллическую решетку, отличающуюся от кристал­лической решетки компонентов. Химические соединения метал­лов отличаются от типичных химических соединений перемен­ным составом, отличным от стехиометрического, что обусловле­но наличием связи металлического типа.

Наконец, сплавы могут состоят из смеси индивидуальных кри­сталлических компонентов, образующихся при строго определен­ных соотношениях их количеств. Такие сплавы называются эвтек­тическими смесями. Примером является оловянный припой — трет­ник (64 % Sn и 36 % РЬ), а также перлит в структуре стали.

В жидком состоянии большин­ство металлических материалов имеют неограниченную взаимную растворимость, образуют однофазный жидкий раствор. Исключе­ние составляют такие пары, как Fe—РЬ, Си—РЬ, которые прак­тически не растворяются один в другом в жидком состоянии и разделяются по плотности, образуя два несмешивающихся жид­ких слоя. Переход из жидкого состояния в твердое протекает, как и при кристаллизации чистых металлов, при наличии некоторого переохлаждения в результате образования центров кристаллиза­ции (зародышей), которые растут в виде дендритных кристаллов.

Материаловедение позволяет предвидеть характер твердофаз­ного взаимодействия компонентов в сплаве. Если атомные разме­ры и температуры плавления компонентов с одинаковым типом кристаллических решеток различаются незначительно, то образу­ются твердые растворы с неограниченной растворимостью (Fe — Ni, Fe —Co, Nb—Mo, W—Та). Напротив, ограниченную растворимость имеют металлы со значительной разностью атомных размеров и температур плавления (Al — Bi, Zn —Pb, Cu —Sn), причем чем больше разница, тем меньше растворимость. При очень большой разнице атомных размеров и разном типе кристаллических реше­ток растворимость может быть очень малой, а образующаяся струк­тура может представлять собой механическую смесь.