Сплавы, образующие химические соединения

Рассмотрим диаграмму состояния сплавов, когда компоненты об­разуют устойчивые химические соединения, и изменение механиче­ских и электрических свойств этих соединений в зависимости от кон­центрации образующих компонентов (рис. 10.12); рассмотрим для случая, когда два металла или металл и металлоид образуют одно ус­тойчивое химическое соединение. Сплавы, образующие химические соединения одного металла с другим, назваются интерметаллидами.

Устойчивое химическое соединение А_тБ_п, состоящее из химических элементов А и Б, является по существу самостоятельным компонен­том, который может образовывать сплавы с каждым из входящим в него элементов (А и Б).

Диаграмму состояния сплавов, в которых присутствует устойчи­вое химическое соединение А_тВ_п, можно разделить на две части, фактически на две самостоятельные диаграммы состояния (см. рис. 10.12, а). В месте соединения двух диаграмм можно выделить точку перелома или острие вершины — точку С, соответствующую концен­трациям компонентов А и Б, при которых образуется устойчивое химическое соединение А_тБ_п. Эту точку (С) называют сингулярной. Одна часть диаграммы (левая) характеризует сплавы, образуемые компонентом А и компонентом химического соединения А_тБ_п (об­ласть А-А_тБ_п). Правая часть диаграммы характеризует сплавы, обра-

0%Mg

Рис. 10.12. Диаграмма состояния сплавов, образующих химические соединения (а), и изменение механических и электрических свойств в зависимости от состава в общем виде (б) и для системы Zn—Mg (в), где 1 — Mg, 2 - MgZn, 3 - Mg₂Zn₃, 4 - MgZn₄, 5 - MgZn₆, 6 - Zn

зуемые Б и А_тБ_п (область В-А_тБ_п). При этом в левой области нет ком­понента Б, а в правой — А. Сплавы каждой части диаграммы представляют собой сплавы с ограниченной растворимостью в твер­дом состоянии и образуют соответствующие эвтектики (эвтектику I и эвтектику II).

у-Фаза — это сплавы, образующие твердые растворы, состоящие из вещества А_тБ_п с растворенными в нем химическими элементами А и Б. При этом слева от пунктирной перпендикулярной линии, опу­щенной из точки С, в А_тБ_п растворен компонент А, а справа — ком­понент Б; а-фаза — это твердый раствор компонента Б в А, р-фаза — твердый раствор компонента А в Б.

В точке В образуется эвтектика I — механическая смесь а- и у- фазы. Слева от точки В по линии КВ кристаллизуются сплавы, со­стоящие из механической смеси кристаллов а-фазы и эвтектики I (а + у), справа от точки В по линии BF — механическая смесь, со­стоящая из кристаллов у-фазы и эвтектики I (а + у). В точке D (соб­ственно по всей линии NDM) образуется эвтектика II, представляю­щая механическую смесь р- и у-фазы (р + у). Слева точки D образуется механическая смесь, состоящая из кристаллов у-фазы и эвтектики II (р + у), а справа точки D — механическая смесь из р-фазы и эвтектики II (р + у).

Физико-химические свойства сплавов (твердость, удельное элек­трическое сопротивление и др.) в зависимости от концентрации элементов А и Б изменяются неравномерно (см. рис. 10.12, б). Когда

12*
образуются сплавы твердые растворы, свойства проявляют криволи­нейную концентрационную зависимость, когда образуются сплавы гетерогенные структуры — аддитивную зависимость. Составу, обра­зующему сплав химическое соединение А_тБ_п, на концентрационной зависимости соответствует экстремум изменения физико-химичес­ких свойств.

Если компоненты А и Б при определенных соотношениях об­разуют друг с другом несколько выраженных устойчивых химических соединений, то на кривой зависимости удельного электрического со­противления р, ТКр (и других физико-химических характеристик) от состава наблюдаются несколько сингулярных точек, каждая из кото­рых соответствует новому химическому соединению. Между этими точками свойства сплавов изменяются линейно или криволинейно, в зависимости от типа образующихся сплавов. На рис. 10.12, в показа­на зависимость удельного электрического сопротивления от состава сплавов системы Mg—Zn.

Химические соединения обладают свойствами, обычно резко от­личающимися от свойств образующих компонентов. Химические со­единения металлов с углеродом — карбиды и азотом — нитриды имеют очень высокую твердость, но хрупки, например твердость по Виккерсу карбида вольфрама WC равна 1790, карбида титана TiC — 2850, нитрида тантала TaN — 3230.

Представленная на рис. 10.12, б, в, а также на рис. 10.7, б и 10.10, б зависимость физико-химических свойств (механических и электрических) сплавов от концентрации образующих компонентов является приближенной схемой, так как при ее построении не учи­тывались влияние формы и размеров образующихся кристаллов, их взаимное расположение, твердость и температура плавления, кото­рые оказывают существенное влияние на свойства сплавов, особен­но сплавов, образующих гетерогенные структуры.

В заключение отметим, что, чем больше расстояние между линия­ми ликвидуса и солидуса, т.е чем больше интервал кристаллизации, тем больше склонность сплавов к образованию ликваций, рассеянной пористости и трещин в отливках. Лучшими литейными свойствами обладают эвтектические сплавы. Они лучше обрабатываются резани­ем, дают наилучшую чистоту обработки поверхности. Однофазные сплавы (твердые растворы) лучше поддаются деформации.

10.4. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ

Железо в чистом виде встречается очень редко. Его получают из железных руд при высоких температурах, которые создают за счет горения кокса (угля). Образующееся железо Fe растворяет в себе оп­ределенное количество углерода и небольшое количество примеси: сопутствующих металлов и металлоидов (Mn, Si, Р, S) и из воздуха газов — 0₂, N₂, Н₂.

Железо с углеродом образует сплавы: твердые растворы внедрения и химическое соединение, которые, в свою очередь, формируют сплавы ге­терогенной структуры. В зависимости от содержания углерода С в Fe получают стали (содержание С до 2,14 %) или чугуны (С от 2,14% и более).

Таким образом, то, что в обиходе называют железом, является сплавом железа с углеродом в виде стали или чугуна, представляю­щих собой важнейшие материалы в технике.

Дата добавления: 2015-08-09