В техніці для виготовлення деталей і виробів частіше застосовують сплави і значно рідше чисті метали. Оскільки сплави складаються з двох або більше хімічних елементів, то структура сплавів і їх властивості визначаються взаємодією різнорідних атомів (т. Е. Атомів різних елементів, що входять в сплав).
Незважаючи на величезну кількість сплавів, елементи, що входять до них, утворюють певні співвідношення між собою. При кристалізації внутрішня структура сплавів являє собою тверді розчини, механічні суміші або хімічні сполуки. Щоб зрозуміти будову і властивості цих трьох видів складових сплавів, розглянемо кристалізацію сплаву з рідкого стану.
Тверді розчини. У рідкому стані атоми елементів, що входять в сплав, в більшості випадків рівномірно перемішані один з одним і являють собою рідкий розчин. Якщо атоми різних елементів (металів або неметалів) трохи відрізняються один від іншого своїми розмірами і електронною будовою, то при кристалізації вони можуть утворити загальну, т. Е. Спільну, кристалічну решітку, схожу з кристалічною решіткою якого-небудь одного елемента. У такій кристалічній решітці атоми елементів, що входять в сплав, займають різні місця.
Утворився при таких умовах кристал у вигляді зерна або дендрита називається твердим розчином. Елемент, кристалічна решітка якого збереглася, називають розчинником. При кристалізації або перекристалізації сплавів можуть утворитися тверді розчини заміщення і впровадження.
Твердим розчином заміщення називається атомно-крісталлічеекая структура сплаву, в кристалічних решітках якої атоми розчинених елементів заміщають частину атомів розчинника. Тверді розчини заміщення можуть утворювати елементи, які мають однакові за типом кристалічні решітки, при цьому відмінність атомних радіусів розчинника і розчиненої елемента не повинна перевищувати 15%.
При цих умовах більшість елементів утворюють тверді розчини заміщення в будь-якому співвідношенні між собою, т. Е. Мають необмежену розчинність. Наприклад, залізо-хром, залізо - молібден, мідь - нікель і ін. Твердим розчином впровадження називається атомно-кристалічна структура сплаву, в кристалічних решітках якої атоми розчинених елементів розташовуються в порожнинах між атомами розчинника.
Тверді розчини впровадження утворюються в тих випадках, коли атомні радіуси розчинених елементів менше атомних радіусів розчинника. Так, яселезо, хром, молібден утворюють тверді розчини впровадження з вуглецем, азотом і воднем. Тверді розчини впровадження утворюються тільки при обмеженому розчиненні елементів. Наприклад, при температурі тисячі сто сорок сім ° С у-залізо може розчинити 2% вуглецю, з пониженням температури розчинність вуглецю в у-залозі знижується. Мідь може розчинити до 38% цинку - вийде латунь, яку позначають а-латунь.
Все залізовуглецевих сплави являють собою тверді розчини впровадження вуглецю в залозі. Властивості сплавів, що представляють собою тверді розчини, дещо відрізняються від властивостей елементів, що входять в сплав. Переважно всі зерна твердого розчину мають однакові властивості, як це спостерігається в чистих металах. Тверді розчини добре піддаються обробці металів тиском, т. Е, добре куються, штампуються, прокочуються, мають високу міцність, підвищеними антикорозійними властивостями і хорошою зварюваністю, але в той же час мають низькі ливарні властивості (усадку, вологотекучість).
Механічні суміші. Сплави, елементи яких мають різні за типом кристалічні решітки і складаються з атомів, що різко відрізняються своїми розмірами і електронною будовою, утворюють при кристалізації механічні суміші. Механічні суміші можуть складатися з чистих елементів, твердих розчинів, хімічних сполук. При кристалізації механічної суміші кожен компонент самостійно і по черзі утворює кристали. Такі чергуються кристали механічної суміші значно відрізняються один від іншого властивостями.
Сплави, що кристалізуються у вигляді механічних сумішей, мають високі ливарні властивості. Механічні властивості таких сплавів мають середнє значення властивостей компонентів, що входять в сплав, і змінюються прямо пропорційно кількості складових компонентів.
Сплави, структура яких представляє собою механічну суміш, як правило, погано піддаються обробці металів тиском, тому що складаються з кристалів, які сильно відрізняються один від іншого пластичними властивостями.
Механічні суміші можуть утворюватися при кристалізації з рідкого металу і при перекристалізації в твердому стані. Практичне застосування сплавів, що мають структуру механічної суміші, визначається їх властивостями. Як правило, більшість ливарних сплавів при кристалізації утворюють механічні суміші, наприклад: сплав алюмінію і 33% міді; сплав заліза з 4,3% вуглецю; сплав алюмінію з 11 - 13% кремнію; сплав свинцю з 13% сурми і ін.
Хімічні сполуки. Сплави, елементи яких мають різні періоди кристалічних решіток і різну будову атомів, при кристалізації можуть утворити хімічну сполуку металів з металами і металів з неметалами (металоїдами). Кристалічна решітка хімічної сполуки відрізняється від кристалічних решіток елементів, складових з'єднання. Атоми в решітці хімічної сполуки розташовуються впорядкування, атоми одного елемента закономірно, в певній кількості розташовані серед атомів іншого елемента. Зазвичай хімічні сполуки утворюють складні кристалічні решітки.
Елементи утворюють хімічну сполуку завжди в строго визначеному масовому співвідношенні. Тому всі хімічні сполуки можна висловити формулами типу АтВп, де Л і В - елементи, т і п - масове кількість елементів, яке завжди виражається простими числами.
Зазвичай хімічні сполуки мають високі твердістю і міцністю, але в той же час великий крихкістю. Як приклади хімічних сполук можна привести сплав міді з алюмінієм СІМ% сплав магнію з цинком MgZri2, сплав заліза з вуглецем Fe3C, заліза з кремнієм FeSi і ін.
Властивості хімічних сполук завжди сильно (стрибком) відрізняються від властивостей складових його елементів. Наприклад, алюміній має твердість НВ20, мідь - НВ35, а твердість хімічної сполуки СіАЬ дорівнює НВ400; твердість заліза - НВ80, вуглецю (графіту) - НВЗ, а твердість хімічної сполуки Fe3C НВ800. Отже, коли необхідна підвищена твердість вироби (деталі, що працюють на знос, ріжучий інструмент), в сплав вводять елементи, які можуть утворювати хімічні сполуки.
