Химические соединения сплавов металлов

Работать с металлами человек начал в 4 тысячелетии. В истории, века ознакомления с новыми видами металлов названы в честь них — Бронзовый, Железный, Чугунный.

Однако, в природе невозможно найти ни одного металлического изделия, которое будет на 100% состоять из одного вида металла. В изготавливаемых предметах, деталях или конструкциях есть добавки которые ввёл сам человек или они попали туда естественным путем.

Из-за этого можно утверждать, что все представленные материалы металлического происхождения это сплавы металлов.

Химические соединения сплавов металловРасплавленный металл

Основные определения

Людям, работающим в сфере металлообработки, необходимо знать виды металлов и сплавов, чтобы понимать как происходят те или иные процессы в ходе обработки. Металлические материалы образую группу простых веществ, которые имеют собственные характерные свойства.

Структура представляет собой совокупность атомов, которые выстраиваются в отдельные ячейки. Ячейки, в свою очередь, объединяются между собой, образуя кристаллическую решётку. Внутреннюю часть решётки образуют атомные ядра. Вокруг них располагаются электроны. Кристаллическая решётка представляет собой совокупность простых геометрических форм.

Эту группу веществ определяют по характерным признакам. Механические свойства алюминия, стали, железа, свинца, олова и других видов металлов давно известны науке:

  1. Твёрдость — этот параметр определяет устойчивость материала к проникновению посторонних примесей.
  2. Пластичность — показатель, определяющий сохранение формы предмета под воздействием посторонних сил.
  3. Вязкость — определяет целостность изделия под физическим давлением.
  4. Прочность — показатель сохранения формы материала после воздействия извне.
  5. Износоустойчивость — изменение поверхности материла после трения.
  6. Упругость — изменение формы детали или заготовки с возможностью самостоятельного восстановления к изначальному состоянию.

Среди дополнительных свойств выделяют устойчивость к воздействию высоких температур и холода, а также температуру плавления. К химическим свойствам можно отнести возможность контактировать с другими веществами.

Изначально считалось, что металлы и сплавы обладают тремя характерными признаками — ковкость, пластичность и блеск. Однако оказалось, что некоторые неметаллические вещества также обладают блеском. Сейчас главным признаком металла считается понижение электропроводности при изменении температуры.

В природе существует несколько видов металлов, которые отличаются по своим свойствам, характеристикам и внешнему виду. Каждая из разновидностей по-разному ведёт себя при взаимодействии с другими материалами или под воздействием факторов окружающей среды.

Химические соединения сплавов металловВиды металлов

Черные

В эту группу входит железо и сплавы на его основе. Характерные особенности чёрных металлов:

  • высокая плотность;
  • температура плавления гораздо выше чем у представителей других групп;
  • цвет — тёмно-серый.

К представителям группы чёрных металлов относятся: вольфрам, хром, кобальт, молибден, железо, никель, титан, марганец, уран, нептуний, плутоний и другие. Используются они в различных отраслях и обладают разными свойствами. Популярными считаются сталь и чугун.

В состав черных металлов входит не только железо, но и различные примеси к которым относится сера, фосфор или кремний. В своём составе они содержат разное количество углерода.

Цветные

Представители этой группы более востребованы. Связано это с тем, что цветные металлы применяют в большем количестве отраслей. Их могут использовать в машиностроении, передовых технологиях, радиоэлектронике, металлургии. Ключевые особенности цветных металлов:

  • низкая температура плавления;
  • большой цветовой спектр;
  • хорошая пластичность.

Из-за низкой прочности представителей цветной группы их используют в связке с разными видами более плотных материалов. Представители этой группы: магний, алюминий, никель, свинец, олово, цинк, серебро, платина, родий, золото и другие.

Химические соединения сплавов металловСлитки золота ( pixabay.com)

Мягкие

Можно выделить отдельные виды металлов, которые будут относиться к группе твёрдых и мягких. В качестве мягких выступают:

  1. Алюминий — обладает устойчивостью к коррозии, легким весов, хорошей пластичностью. Используется в электропромышленности, при строительстве самолётов и изготовлении посуды.
  2. Магний — это лёгкий материал, который подвержен воздействию коррозийных процессов. Чтобы избавиться от этого недостатка, его используют в сплавах с другими материалами.

Это ключевые представители группы мягких металлов.

Твердые

Популярными материалами этой группы являются:

  1. Вольфрам — считается самым тугоплавким металлом. Дополнительно к этому, он является одним из самых прочных. Стойкий к химическим воздействиям.
  2. Титан — чем меньше вкраплений других материалов в этом металле, тем прочнее он становится. Используется при строительстве машин, ракет, самолётов, кораблей, а также в химической промышленности. Он хорошо обрабатываются под давлением, не поддается воздействию коррозийных процессов.
  3. Уран — ещё один металл, считающийся одним из самых прочных в мире. Радиоактивен и используется в различных направлениях промышленности.

Представители «твёрдой группы» хуже поддаются обработке и используются в меньшем количестве направлений деятельности человека, чем мягкие.

Основные виды сплавов

Существуют различные виды сплавов металлов, однако стоит поговорить только об основных.

Самыми популярными считаются составы на основе железа. К ним относится сталь, чугун и ферриты. Если с первыми двумя сплавами всё понятно, то стоит кратко сказать о том, что такое ферриты. Это соединения металлов, в которых содержится большое количество углерода. Их используют для изготовления катушек индуктивности. Также стоит упомянуть другие основные сплавы металлов.

Химические соединения сплавов металловИзделия выполненные из металлических сплавов

Магниевые сплавы

Обладают высокой прочностью при малом размере и массе заготовки. Слабо защищены от коррозии, не обладают достаточной пластичностью для удобной обработки. Используются в машиностроении. Главная особенность сплавов на основе магния — свойство поглощать вибрации подвижных элементов.

Бериллиевые сплавы

Устойчивы к коррозийным процессам. Бериллий чаще всего смешивается с медью. Такая смесь называется Бериллиевой бронзой. Её используют для изготовления шестерней, контактов, часовых механизмов, подшипников.

Цинковые сплавы

Особенности этих соединений заключаются в низкой температуре плавления, высоким показателе пластичности, устойчивости к коррозиям. Используются для изготовления подшипников, бытовой техники, в машиностроении.

Титановые сплавы

Тяжелый в обработке материал. Сплавы на его основе обладают малым весом, высокой прочностью, стойкостью к воздействию факторов окружающей среды. Чтобы облегчить обработку металла, его необходимо нагреть. Используется в различных направлениях промышленности.

Алюминиевые сплавы

Сплавы на основе этого материала считаются наиболее популярными. Встретить их можно в большинстве сфер жизни человека. У них такие преимущества:

  • коррозийная устойчивость;
  • малый вес;
  • пластичность;
  • электропроводность.

Главный недостаток этого материала — низкая температура плавления. Уже к 200 градусам, свойства сплава ухудшаются. Алюминиевые сплавы используются в различных направлениях промышленности. Благодаря малому удельному весу алюминий получил большую популярность в строительстве самолётов.

Химические соединения сплавов металловАлюминий ( pixabay.com)

Медные сплавы

Большинство соединений на основе меди представляют собой латунь. В зависимости от содержания меди в составе сплава выделяется красная и жёлтая латунь. Из этого материала изготавливаются маленькие детали для высокоточных и миниатюрных механизмов. Обладает высоким показателем пластичности, благодаря чему с соединениями на основе меди легко работать.

Распространение сплавов в современной промышленности

Выделяют следующие направления промышленности, в которых используются сплавы:

  1. Изготовление измерительных приборов.
  2. Ювелирное дело. Изготовление украшений.
  3. Постройка ракет, кораблей, самолётов. Машиностроение.
  4. Создание контактов, микросхем, точных соединений.
  5. Производство оружия.
  6. Аэрокосмическая промышленность.
  7. Криогенная область.
  8. Изготовление медицинского оборудования.
  9. Ядерная физика (детали для реакторов).
  10. Химическая и пищевая промышленность.

Это направления применения металлов и их сплавов в промышленности. Металлы и сплавы можно найти в любых сферах жизни. Каждое соединение обладает своими свойствами и характеристиками, которые изменяются по мере добавления посторонних примесей в состав.

ПОИСК

Рис. 87. Диаграмма плавкости сплава — химического соединения двух металлов Химические соединения сплавов металлов

    Пользуясь правилом фаз, доказать, что эвтектический сплав должен обладать строго определенным составом и постоянной температурой плавления. Является ли эвтектический сплав химическим соединением двух металлов  [c.97]

    Изделия из железокремнистых сплавов изготовляются исключительно отливкой. Механические свойства сплавов плохие сплавы обладают высокой твердостью и хрупкостью. Хрупкость объясняется наличием в сплаве химических соединений — силицидов, поэтому железокремнистые сплавы не могут прокатываться, а вследствие высокой твердости и обрабатываться. Возможно только шлифование их абразивами. Линейная усадка сплава колеблется в пре- [c.189]

    Д. Херд, автор оригинальной монографии по гидридам [15], систематизируя гидриды по группам периодической таблицы, в то же время при постановке вопроса о том, являются ли гидриды переходных металлов настоящими соединениями или сплавами водорода, явно противопоставляет сплавы химическим соединениям, рассматривая их как край- [c.164]

    Исследованные материалы включают диэлектрики, полупроводники и металлические сплавы, химические соединения и прессованные смеси мелкодисперсных порошков, легкоплавкие, тугоплавкие и жаропрочные материалы, вещества, различающиеся по магнитным свойствам.

Регистрация ионов производилась фотографическим (Ф) и электрическим (Э) способами.

Анализ полученных результатов показывает, что в пределах погрешности измерений выход ионов из лазерной плазмы зависит от массы ионов, как Следует отметить, что полученная закономерность вы- [c.181]

    Сплавы — химические соединения — не применяются в качестве конструкционных материалов вследствие значительной хрупкости, твердости и плохих технологических свойств. Наоборот, сплавы — твердые растворы — широко используются в качестве конструкционных материалов, устойчивых против ксфрозии. [c.45]

    Хрупкость объясняется наличием в сплаве химических соединений — силицидов, поэтому железокремнистые сплавы не могут прокатываться, а вследствие высокой твердости и обрабатываться. Допускается только шлифовка их абразивами.

Линейная усадка сплава колеблется в пределах 1,2—2,6% внутренние напряжения в отливках так велики, что некоторые отливки подвергаются растрескиванию при хранении.

Читайте также:  Вес ваз 21011 на металлолом

Железокремнистые сплавы весьма чувствительны к резким перепадам температуры (выше 50°) и не переносят местного или быстрого нагрева. [c.108]

    Связь между образованием химических соединений (или твердых растворов) и смачиванием подтверждают данные о взаимодействии различных твердых металлов (железо, никель, медь, золото, серебро) с жидкими металлами (серебро, сурьма, теллур, цинк, свинец, кадмий, висмут, олово, алюминий) в атмосфере водорода [125].

При полной несмешиваемости в жидком и твердом состояниях смачивание отсутствует (например, при контакте жидкого висмута с железом, жидкого кадмия с алюминием), тогда как в системах с образованием растворов, эвтектических сплавов, химических соединений имеет место хорошее смачивание [130]. [c.

91]

    Кристаллические решетки сплавов химических соединений более сложны. Сплавы — твердые растворы определенных химических соединений — представляют собой смеси входящих в сплав металлов с их химическим соединением. Структура сплавов в значительной степени зависит от относительного содержания входящих в них отдельных компонентов. [c.327]

    Образуют сплавы, химически соединения или адсорбционные слои, повышающие сопротивление корродирующему действию среды Препятствуют спеканию и рекристаллизации [c.236]

    Сплав — химическое соединение 1 [c.26]

    Антифрикционные сплавы с малым коэффициентом трения, например подшипниковый металл, должен иметь разнородную структуру, образованную смесью кристаллов разной твердости.

При вращении оси или вала из такого сплава прежде всего разрушаются менее твердые кристаллы, в результате чего трущаяся поверхность подшипника уменьшается и улучшаются условия его смазки. Такими свойствами обладают баббиты, являющиеся, например, сплавом свинца, олова и сурьмы.

Наиболее твердыми являются сплавы химических соединений, например карбиды, образованные металлами с углеродом Среди них выделяются карбиды вольфрама, кобальта, титана, бора и других металлов. [c.169]

    При образовании в сплаве химических соединений на кривой состав — свойство в точке, отвечающей составу хими- [c.32]

    Образование промежуточной фазы или интерметаллического соединения не всегда проявляется в виде максимума на кривой затвердевания. Максимум отсутствует, если соединение неустойчиво при высокой температуре в расплавленном состоянии.

В этом случае на диаграмме наблюдается появление раздельной фазы с областью устойчивости, ограниченной определенными концентрациями и температурами. Пределы этих областей устойчивости промежуточных фаз определяются путем измерения других физических свойств (помимо температуры затвердевания) плотности, коэффициента теплового расширения, степени намагничивания и др.

Ниже будет рассматриваться вопрос, можно ли считать промежуточные фазы сплавов химическими соединениями в обычном смысле этого слова. [c.588]

    Образующиеся в сплавах химические соединения, подчиняющиеся стехиометрическим законам Дальтона, называются далг,-тонидами. Термин дальтониды можно распространить как на все химические соединения постоянного стехиометрического состава, так н на твердые растворы, для которых имеется сингулярная точка, отвечающая при различных условиях одному и тому же составу. [c.411]

    Сплавы химические соединения характеризуются очень высокой твердостью и электросопротивляемостью, но в то же [c.329]

    Смешиваемые металлы при их сплавлении образуют химические соединения определенного состава. Например, при исследовании сплава меди и цинка обнаружены кристаллы состава Си2Пд.

Если же какой-либо металл в сплаве оказывается в количестве большем, чем это требуется для образования данного химического соединения, то это соединение растворяется в избытке соответствующего металла (получается сплав химического соединения металлов с избыточным компонентом). [c.307]

    Легированные стали. Как разнообразны применения стали, так разнообразны и предъявляемые к ней в каждом случае требования.

От строительной или конструкционной стали (арматура зданий, мосты, суда) требуется высокая прочность и хорошая свариваемость, от инструментальной (режущий, мерительный и штамовый инструмент) — высокая твердость и износоустойчивость, от стали других назначений — упругость, жаростойкость, жароупорность, кислотоупорность, высокие магнитные свойства (сердечники электромагнитов) или, наоборот, немагнитность. Придание стали заданных механических, физических или химических свойств достигается введением в нее добавочных, легирующих элементов, по одному, по два и более. В качестве легирующих элементов в металлургии используются главным образом металлы старших групп периодической системы ванадий, хром, марганец, вольфрам, молибден, никель, а из металлоидов кремний и бор. Легирующие элементы либо образуют в массе сплава химические соединения с его другими составными частями, чаще всего карбиды, либо же при затвердевании сплава кристаллизуются в виде твердого раствора в а-, а иногда в у-железе. Так, при затвердевании высоколегированных никелевых и марганцевых сталей превращения у-железа в а-железо не происходит, и затвердевшая сталь представляет твердый раствор никеля или марганца в у-железе. Большинство легированных сталей и прочих промышленных сплавов, как дюралюминий, электрон, латунь, бронза, имеют структуру твердых растворов. [c.699]

    Сплавы химические соединения характеризуются очень высокой твердостью и электросопротивляемостью, но в то же время и хрупкостью. Их основное применение — для режущих инструментов и резцов станков. К этой категории относятся карбиды многих металлов, победит (Wз oз з) и др. [c.316]

    Например, отмеченная в главе 7 близость размеров атомов и свойств нижних пар элементов побочных подгрупп (Ад — Аи Ни — Оз), а также близость элементов в силу горизонтальной аналогии (Мп — Ге Со — N1) приведет к тому, что при этих сочетаниях получатся сплавы твердые растворы . Наоборот, отдаленность свойств двух металлов, например сочетание типичного металла (кальция) с нетипичным металлом (свинцом), приведет к сплавам — химическим соединениям (СазРЬ). [c.330]

Металлические сплавы

Металлическими сплавами называют сложные по составу вещества, образовавшиеся в результате взаимодействия двух или нескольких металлов либо металлов с некоторыми неметаллами. Химические элементы или их устойчивые соединения, входящие в

сплав, принято называть компонентами. Сплавы могут состоять из двух, трех и более компонентов.

Компонент, преобладающий в сплаве количественно, называется основным. Компоненты, вводимые в сплав для придания ему нужных свойств, называются легирующими. Совокупность компонентов сплава называется системой.

Сплавы классифицируют по числу компонентов — на двойные (бинарные), тройные, четвертные и многокомпонентные; по основному элементу — железные, алюминиевые, магниевые, титановые, медные и т.д.; по применению — конструкционные, инструментальные, жаропрочные, антифрикционные, пружинные, шарикоподшипниковые и т.д.

; по плотности — тяжелые (на основе вольфрама, рения, свинца и др.), легкие (алюминиевые, магниевые, берил- лиевые и др.); по температуре плавления — тугоплавкие (сплавы на основе ниобия, молибдена, тантала, вольфрама и др.), легкоплавкие (припои, баббиты, типографские сплавы и т.д.

); по технологии изготовления полуфабрикатов и изделий — литейные, деформируемые, спеченные, гранулированные, композиционные и т.д.

Способность различных металлов образовывать сплавы далеко не одинакова; структура сплавов после их затвердения также может быть самой разнообразной.

Металлические сплавы в жидком состоянии, как правило, однородны и представляют одну фазу.

Фазой называют однородную часть неоднородной системы, отделенную от других ее частей поверхностями раздела. При переходе сплавов из жидкого состояния в твердое в них может образоваться несколько фаз.

После затвердевания в зависимости от природы компонентов сплавы могут состоять из одной, двух и более твердых фаз.

Возможно образование твердых растворов, химических соединений и механических смесей, состоящих из двух или нескольких фаз.

Твердыми растворами называют сплавы (из двух или более компонентов), в которых атомы растворимого компонента располагаются в кристаллической решетке компонента растворителя.

При образовании твердого раствора растворителем называют тот металл, кристаллическая решетка которого сохраняется как основа.

Если оба металла обладают одинаковыми по типу кристаллическими решетками и вследствие этого неограниченной взаимной растворимостью в твердом состоянии (образуют непрерывный ряд твердых растворов), то растворителем является тот из них, концентрация которого в сплаве превышает 50% (атомных).

Для образования непрерывного ряда твердых растворов необходимы одинаковый тип кристаллических решеток компонентов и небольшая разность периодов кристаллических решеток.

Твердый раствор замещения образуется путем замены части атомов растворителя в его кристаллической решетке атомами растворяемого компонента (рис. 1.6, а). Эти растворы могут быть ограниченными и неограниченными.

В твердых растворах могут происходить диффузионные переходы компонентов из мест с большей их концентрацией в места с меньшей концентрацией до тех пор, пока концентрация не станет одинаковой во всем объеме. Однако диффузия в твердых растворах протекает значительно медленнее, чем в жидких, и скорость ее уменьшается с понижением температуры.

Различают три типа твердых растворов: замещения, внедрения и вычитания. Рассмотрим только первые два типа твердых растворов, так как твердые растворы вычитания встречаются сравнительно редко.

Рис. 1.6. Схема образования твердых растворов: о — атом основного металла (растворителя); • — атом растворенного металла

Обычно компоненты, у которых атомные периоды решетки отличаются не более чем на 8%, образуют неограниченный ряд твердых растворов замещения; на 8—15% — твердые растворы замещения с ограниченной взаимной растворимостью; более чем на 15% — не образуют твердых растворов[1].

Твердые растворы внедрения образуются путем размещения атомов растворенного компонента в свободных промежутках между атомами кристаллической решетки растворителя (рис. 1.6, б).

Химические соединения образуются при строго определенном количественном соотношении компонентов сплава и характеризуются кристаллической решеткой, отличающейся от решеток исходных компонентов. Химические соединения, как правило, обладают характерными физико-механическими свойствами: высокой твердостью, повышенной хрупкостью, высоким электросопротивлением.

Химические соединения в сплавах образуются между металлами (интерметаллические соединения), а также между металлами и неметаллами. Некоторые соединения металлов с неметаллами (карбиды, нитриды, оксиды, фосфиды и др.) получили в технике самостоятельное применение.

Механические смеси формируются при одновременном выпадении из жидкого расплава при его охлаждении кристаллов составляющих его компонентов (эвтектические смеси). В кристаллах, которые входят в состав механической смеси, сохраняется кристаллическая решетка исходных компонентов сплава. Механические смеси могут состоять из чистых компонентов, твердых растворов, химических соединений и т.д.

Правило фаз (закон Гиббса) устанавливает количественную зависимость между числом степеней свободы, числом фаз и числом компонентов. Под числом степеней свободы системы понимают число независимых внешних (температура, давление) и внутренних (концентрация) переменных, которые можно произвольно менять без изменения числа фаз в системе.

Для металлических сплавов, находящихся под постоянным давлением, переменными величинами являются температура и концентрация. В этом случае правило фаз принимает следующий вид:

где С— число степеней свободы; К— число компонентов системы;

Ф — число фаз.

При кристаллизации чистого металла система состоит из одного компонента (К= 1), твердой и жидкой фаз (Ф = 2). При неизменном давлении такая система нонвариантна (число степеней свободы равно нулю) и в ней нельзя произвольно изменять температуру, не изменяя числа фаз.

Для чистого расплавленного металла (К = 1, Ф= 1, С= 1) система одновариантна, т.е. при изменении температуры равновесие системы не нарушится.

Основы теории сплавов

Чистые металлы находят довольно ограниченное применение в качестве конструкционных материалов. Основными конструкционными материалами являются сплавы. Они обладают более ценными комплексами механических, физических и технологических свойств, чем чистые металлы.

Сплавом называют вещество, полученное сплавлением двух или более элементов (компонентов).

Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называют металлическим сплавом. Металлические сплавы можно также получать методами порошковой металлургии (спеканием), диффузией, осаждением нескольких элементов на катоде при электролизе водных растворов.

К основным понятиям в теории сплавов относятся система, компонент, фаза.

Система — группа тел, выделяемых для наблюдений и изучения. В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы.

Компонентами называют вещества, образующие систему, взятые в наименьшем количестве. В металлических сплавах компонентами могут быть элементы (металлы и неметаллы) и химические соединения (не диссоциирующие при нагревании). Чистые компоненты обозначаются прописными буквами латинского алфавита А, В, С, Д.

  • Фазой называется однородная часть системы, отделенная от другой части системы поверхностью раздела, при переходе через которую состав, строение и свойства изменяются скачком.
  • Сплавы могут быть однофазными, двухфазными, трехфазными.
  • В зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы, твердые растворы и химические соединения.

Почти все металлы в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях. В результате образуется однородный жидкий раствор с равномерным распределением атомов одного металла среди атомов другого металла.

  1. Твердые растворы — это фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (или другого) компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры.
  2. Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу.
  3. В зависимости от характера распределения атомов элемента различают твердые растворы внедрения, замещения и вычитания.

В твердых растворах внедрения атомы растворимого элемента распределяются в кристаллической решетке металла-растворителя, занимая места между его атомами. Разместиться в таких пустотах могут только атомы с очень малыми размерами. Наименьшие размеры атомов имеют некоторые металлоиды и водород, азот, углерод, бор, которые и образуют с металлами твердые растворы внедрения.

В твердых растворах замещения атомы растворимого элемента занимают места атомов основного металла. Посторонние атомы могут замещать атомы растворителя в любых местах, поэтому такие растворы называют неупорядоченными твердыми растворами.

Твердые растворы замещения могут быть ограниченной и неограниченной растворимости. Так, в алюминии может растворяться до 5,5 % меди, в меди — до 39% цинка. Неограниченной растворимостью обладают, например, компоненты систем: Сu-Ni, Cu-Au, Ag-Au, Cu-Pt, Fe-Cr, Fe-Ni.

Для образования твердых растворов неограниченной растворимости должны выполняться следующие условия: компоненты должны иметь одинаковые по типу кристаллические решетки; различие в атомных размерах компонентов должно быть незначительным и не превышать 8…15 % (например, Аg и Cu — DR = 0,2%, Сu и Ni — DR = 2,7 %); компоненты должны принадлежать к одной и той же группе периодичной системы или смежной родственной группе и иметь в атомах близкое строение валентной оболочки электронов.

В некоторых сплавах с понижением температуры в твердых растворах замещения может произойти процесс перераспределения атомов, в результате которого атомы растворенного элемента займут строго определенные места в решетке растворителя. Такие твердые растворы называют упорядоченными, а их структуру — сверхструктурой.

Температуру перехода в упорядоченное состояние называют ”точкой Курнакова”. Полностью упорядоченные растворы образуются, когда отношение компонентов в сплаве равно целому числу: 1:1, 1:2, 1:3 и т.д. В этом случае сплаву можно приписать формулу химического соединения, например, CuAu, Cu3Au.

Их можно рассматривать как промежуточные фазы между твердыми растворами и химическими соединениями. В отличие от химического соединения сохраняется решетка растворителя, и при нагреве выше точки Курнакова степень упорядочения постепенно уменьшается и они становятся неупорядоченными.

Упорядоченные твердые растворы характеризуются большей твердостью, прочностью, меньшей пластичностью и электросопротивлением.

Твердые растворы вычитания образуются на основе некоторых химических соединений, когда к этому химическому соединению добавляется один из входящих в его формулу элементов.

Атомы этого элемента занимают нормальные положения в решетке соединения, а места, где должны были бы находиться атомы второго компонента, оказываются незаполненными, пустыми.

Такие твердые растворы образуются, например, при сплавлении химического соединения NiAl с Аl, карбида титана ТiС с Тi, когда FeО растворяет кислород.

Твердые растворы принято обозначать строчными буквами греческого алфавита a, b, g, d.

Химические соединения и родственные им по природе фазы в металлических сплавах многообразны. Они обычно образуются элементами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решетках.

Характерные особенности химических соединений:

  1. кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов, образующих соединение;
  2. сохраняется простое кратное соотношение компонентов в виде АnВm;
  3. свойства соединения резко отличаются от свойств образующих его компонентов;
  4. температура плавления (диссоциации) постоянная.

Образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.

Соединения одних металлов с другими называются интерметаллидами. Связь между атомами в интерметаллидах чаще металлическая. Примером являются соединения Мg2Sn, Мg2Pb.

При образовании химического соединения металла с неметаллом возникает ионная связь, например, в соединении NaCl.

Переходные металлы (Fe, Mn, Cr, Mo, W, V и др.) образуют с углеродом карбиды, с азотом нитриды, с бором бориды, с водородом гидриды (железо гидридов не образует) Они имеют общность строения и свойств и называются фазами внедрения. Они имеют формулы: МХ (WC, VC, TiC, NbC, TiN, VN, и др.); М2Х (W2C, Mo2C, Fe2N и др.); М4 Х (Fe4N, Mn4N и др.).

Кристаллическая структура фаз внедрения определяется соотношением атомных радиусов неметалла (Rx) и металла (Rм). Если Rx/Rм < 0,59, то атомы металла в этих фазах расположены по типу одной из простых кристаллических решеток: кубической (К8, К12) или гексагональной (Г12), в которую внедряются атомы неметалла, занимая в ней определенные поры.

  • Если это условие не выполняется, как это наблюдается для карбида железа, марганца и хрома, то образуются соединения с более сложными решетками, и такие соединения нельзя считать фазами внедрения.
  • Многие фазы внедрения обладают высокой прочностью, твердостью и их часто применяют в сталях для получения повышенной прочности (стали с дисперсионным упрочнением).
  • Кроме того, к химическим соединениям относятся электронные соединения и фазы Лавеса (АВ2),например, MgZn2, MgCu2, CaAl2.

Электронные соединения чаще образуются между одновалентными (Сu, Ag, Au, Li, Na) металлами или металлами переходных групп (Fe, Mn, Co и др.) с одной стороны и простыми с валентностью от 2 до 5 (Вe, Mg, Zn, Cd, Al и др.).

2. ХИМИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Химические соединения и родственные им по природе фазы в металлических сплавах многообразны. Характерные особенности химических соединений, образованных по закону нормальной валентности, приведены ниже.

1. Кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов, образующих соединение.

2. В соединении всегда сохраняется простое кратное соотношение компонентов. Это позволяет выразить их состав простой формулой где А и В — соответствующие элементы; — простые числа.

3. Свойства соединения резко отличаются от свойств образующих его компонентов.

4. Температура плавления (диссоциации) постоянная.

5. Образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.

В отличие от твердых растворов химические соединения обычно образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток.

Соединения одних металлов с другими носят общее название интерметалладову или интерметаллических соединений.

Соединения металла с неметаллом (нитриды, карбиды, гидриды и т. д.), которые могут обладать металлической связью, нередко также называют металлическими соединениями.

Большое число химических соединений, образующихся в металлических сплавах, отличается по некоторым особенностям от типичных химических соединений, так как не подчиняется законам валентности и не имеет постоянного состава.

Ниже будут рассмотрены наиболее важные химические соединения, образующиеся в сплавах.

Кристаллическая структура фаз внедрения определяется соотношением атомных радиусов неметалла и металла Если то атомы металла в этих фазах расположены по типу одной из простых кристаллических решеток: кубической или гексагональной в которую внедряются атомы неметалла, занимая в ней определенные поры.

Фазы внедрения являются фазами переменного состава. Карбиды и нитриды, относящиеся к фазам внедрения, обладают высокой твердостью.

Рассмотренные выше твердые растворы внедрения образуются при значительно меньшей концентрации второго компонента и имеют решетку металла растворителя, тогда как фазы внедрения получают кристаллическую решетку, отличную от решетки металла.

Если условие не выполняется, как это наблюдается для карбида железа, марганца и хрома, то образуются соединения с более сложными решетками, и такие соединения нельзя считать фазами внедрения.

На базе фаз внедрения легко образуются твердые растворы вычитания, называемые иногда твердыми растворами с дефектной решеткой. В твердых растворах вычитания часть узлов решетки, которые должны быть заняты атомами одного из компонентов, оказываются свободными.

В избытке по сравнению со стехиометрическим соотношением имеется другой компонент.

Растворы вычитания образуются, например, в карбидах .

Электронные соединения. Эти соединения чаще образуются между одновалентными металлами или металлами переходных групп , с одной стороны,

и простыми металлами с валентностью от 2 до , с другой стороны. Соединения этого типа имеют определенное отношение числа валентных электронов к числу атомов, т. е.

определенную электронную концентрацию.

Так, существуют соединения, у которых это отношение в одних случаях равно 3/2 (1,5); в других в третьих Каждому из указанных соотношений соответствуют и определенные типы кристаллической решетки.

Все соединения с электронной концентрацией, равной 3/2 (1,48), имеют кубическую объемно центрированную, сложную кубическую или гексагональную решетку и обозначаются как -соединения. К соединениям этого типа относятся и др.

Соединения с электронной концентрацией 21/13 (1,62) имеют сложную решетку и обозначаются -фазой. К ним относятся соединения и др.

Соединения с электронной концентрацией 7/4 (1,75) имеют плотноупакованную гексагональную решетку и обозначаются -фазой. К ним относятся соединения и др.

Электронные соединения подобно обычным химическим соединениям имеют кристаллическую решетку, отличную от решетки образующих их компонентов. Но в отличие от химических соединений с нормальной валентностью электронные соединения образуют с компонентами, из которых они состоят, твердые растворы в широком интервале концентраций.

Фазы Лавеса. Эти фазы имеют формулу и образуются между компонентами типа А и В при отношении атомных диаметров (чаще Фазы Лавеса имеют плотноупакованную кристаллическую решетку гексагональную или гранецентрированную кубическую . К фазам Лавеса относятся .

Кроме рассмотренных металлических соединений существует и ряд других, например фазы со структурой никельарсенида а также фазы, обозначаемые но о них будет сказано при рассмотрении конкретных сплавов.

Сплавы, их классификация и свойства

Существует несколько способов классификации сплавов:

  • по способу изготовления (литые и порошковые сплавы);
  • по способу получения изделия (литейные, деформируемые и порошковые сплавы);
  • по составу (гомогенные и гетерогенные сплавы);
  • по характеру металла – основы (черные –основа Fe, цветные – основа цветные металлы и сплавы редких металлов – основа радиоактивные элементы);
  • по числу компонентов (двойные, тройные и т.д.);
  • по характерным свойствам (тугоплавкие, легкоплавкие, высокопрочные, жаропрочные, твердые, антифрикционные, коррозионностойкие и др.);
  • по назначению (конструкционные, инструментальные и специальные).

Свойства сплавов

Свойства сплавов зависят от их структуры.

Для сплавов характерны структурно-нечувствительные (определяются природой и концентрацией элементов, составляющих сплавы) и структурно-чувствительные свойства (зависят от характеристик основы).

К структурно-нечувствительным свойствам сплавов относятся плотность, температура плавления, теплоту испарения. тепловые и упругие свойства, коэффициент термического расширения.

Все сплавы проявляют свойства, характерные для металлов: металлический блеск, электро- и теплопроводность , пластичность и др.

Также все свойства, характерные для сплавов можно разделить на химические (отношение сплавов к воздействию активных сред – вода, воздух, кислоты и т.д.) и механические (отношение сплавов к воздействию внешних сил).

Если химические свойства сплавов определяют путем помещения сплава в агрессивную среду, то для определения механических свойств применяют специальные испытания.

Так, чтобы определить прочность, твердость, упругость, пластичность и другие механические свойства проводят испытания на растяжение, ползучесть, ударную вязкость и др.

Основные виды сплавов

Широкое применение среди всевозможных сплавов нашли различные стали, чугун, сплавы на основе меди, свинца, алюминия, магния, а также легкие сплавы.

Стали и чугуны – сплавы железа с углеродом, причем содержание углерода в стали до 2%, а в чугуне 2-4%. Стали и чугуны содержат легирующие добавки: стали– Cr, V, Ni, а чугун – Si.

Выделяют различные типы сталей, так, по назначению выделяют конструкционные, нержавеющие, инструментальные, жаропрочные и криогенные стали. По химическому составу выделяют углеродистые (низко-, средне- и высокоуглеродистые) и легированные (низко-, средне- и высоколегированные). В зависимости от структуры выделяют аустенитные, ферритные, мартенситные, перлитные и бейнитные стали.

Стали нашли применение во многих отраслях народного хозяйства, таких как строительная, химическая, нефтехимическая, охрана окружающей среды, транспортная энергетическая и другие отрасли промышленности.

В зависимости от формы содержания углерода в чугуне — цементит или графит, а также их количества различают несколько типов чугуна: белый (светлый цвет излома из-за присутствия углерода в форме цементита), серый (серый цвет излома из-за присутствия углерода в форме графита), ковкий и жаропрочный. Чугуны очень хрупкие сплавы.

Области применения чугунов обширны – из чугуна изготавливают художественные украшения (ограды, ворота), корпусные детали, сантехническое оборудование, предметы быта (сковороды), его используют в автомобильной промышленности.

Сплавы на основе меди называют латунями, в качестве добавок они содержат от 5 до 45% цинка. Латунь с содержанием от 5 до 20% цинка называется красной (томпаком), а с содержанием 20–36% Zn – желтой (альфа-латунью).

Среди сплавов на основе свинца выделяют двухкомпонентные (сплавы свинца с оловом или сурьмой) и четырехкомпонентные сплавы (сплавы свинца с кадмием, оловом и висмутом, сплавы свинца с оловом, сурьмой и мышьяком), причем (характерно для двухкомпонентных сплавов) при различном содержании одинаковых компонентов получают разные сплавы. Так, сплав, содержащий 1/3 свинца и 2/3 олова — третник (обычный припой) используется для пайки трубо- и электропроводов, а сплав, содержащий 10-15% свинца и 85-90% олова – пьютер, ранее применялся для отливки столовых приборов.

Сплавы на основе алюминия двухкомпонентные – Al-Si, Al-Mg, Al-Cu. Эти сплавы легко получать и обрабатывать. Они обладают электро- и теплопроводностью, немагнитны, безвредны в контакте с пищевыми, взрывобезопасны.

Сплавы на основе алюминия нашли применение для изготовления легких поршней, применяются в вагоно-, автомобиле- и самолетостроении, пищевой промышленности, в качестве архитектурно-отделочных материалов, в производстве технологических и бытовых кабелепроводов, при прокладке высоковольтных линий электропередачи.

Примеры решения задач

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector