Общие сведения о сплавах

При сплавлении двух металлов в ряде случаев образуется вполне однородный жидкий раствор одного металла в другом. Таким свойством взаимной растворимости обладают, например, пары: медь — никель, свинец — сурьма. Другие металлы при расплавлении не образуют однородный раствор, а располагаются двумя несмешивающимися жидкими слоями разной концентрации. Примером этого могут служить пары: свинец — цинк, свинец — медь и др. Имеется, наконец, группа металлов, обладающих весьма малой растворимостью, как-то пары: свинец — алюминий, висмут — алюминий, свинец — железо. Эти металлы при расплавлении образуют несмешиваемые слои, состоящие практически из чистых металлов.

Все пары металлов, дающие при расплавлении однородный жидкий раствор, при застывании могут образовывать механические смеси (эвтектики), твердые растворы и химические соединения.

Механические смеси. Рассмотрим пример образования сплава свинец — сурьма. Эти металлы, находясь в расплавленном состоянии, образуют однородный жидкий раствор. При затвердевании расплава образуется сплав, структура которого зависит от его состава.

На рис. 8 схематически изображены структуры сплавов с различным содержанием свинца и сурьмы (Pb и Sb). В сплавах 1 и 5, представляющих собой чистые металлы после перехода их из жидкого состояния в твердое, структуры состоят из однотипных кристаллов, плотно примыкающих один к другому. В сплаве 2 наряду с кристаллами чистого свинца наблюдается новое вещество. Подобная картина обнаруживается и в сплаве 4, где кристаллы чистой сурьмы разъединены тем же веществом. Наконец, в сплаве 3 структура состоит только из вещества, отмеченного в сплавах 2 и 4. Это вещество, как показывает химический анализ, состоит из 87% свинца и 13% сурьмы. По структуре оно представляет собой механическую смесь из мельчайших кристалликов свинца и сурьмы. Такая смесь кристалликов называется эвтектикой, а сплав — эвтектическим.

Из сопоставления разных структур сплавов Pb—Sb можно сделать следующий вывод. В сплавах, где содержание свинца превышает 87%, структура состоит из кристаллов свинца и эвтектики. В сплавах же с содержанием свинца меньше 87% структура состоит из кристаллов сурьмы и эвтектики.

Эвтектика обладает свойством плавиться и затвердевать при температуре ниже температур плавления металлов, из которых она состоит. В нашем примере эвтектика плавится при температуре 245°С, тогда как свинец и сурьма плавятся соответственно при 327 и 631°С.

Сплавы, в которых количество свинца больше или меньше 87%, начинают плавиться при температуре 245°С, а полное расплавление заканчивается при более высокой температуре. Так, например, в сплаве 2 (90% Pb) расплавление заканчивается при температуре 270° С, а в сплаве 4 (20% Pb) — при 540°С.

На этом свойстве эвтектических сплавов основано применение их в качестве припоев для пайки. Известный оловянносвинцовый припой третник, состоящий из 61,9% олова и 38,1% свинца, плавится при температуре 183° С. Чистое же олово плавится при температуре 232, а свинец — при 327°С.

В сплавах, состоящих из нескольких элементов, могут образовываться тройные, четверные и тому подобные эвтектики.

Твердые растворы. Примером образования сплава со структурой твердого раствора может служить пара медь — никель. Эти металлы как в жидком, так и в твердом состояниях растворяются один в другом при любой концентрации. В охлажденном состоянии сплав меди с никелем представляет собой однородное вещество — твердый раствор, состоящий из однотипных кристаллов раствора. Под микроскопом нельзя различить в этом сплаве ни меди, ни никеля.

Температура кристаллизации сплавов, образующих твердые растворы, занимает промежуточное положение между температурами кристаллизации чистых металлов и зависит от их процентного содержания и скорости охлаждения сплава. Принятый в производстве труб сплав мельхиор (70% меди и 30% никеля) при медленном охлаждении начинает кристаллизоваться при 1290, а окончательно затвердевает при 1150°С. Как видим, эти температуры выше, чем у меди (1083°С), и ниже, чем у никеля (1452°С). С увеличением содержания меди температура кристаллизации сплава понижается.

Химические соединения. Довольно часто при сплавлении металлов и неметаллов между отдельными их компонентами образуются химические соединения.

В этом случае химические соединения играют роль самостоятельного вещества, способного образовывать сплав как с одним, так и с другим основным металлом.

В качестве примера можно привести сплав дуралюмин марки Д6. Этот сплав содержит 93% алюминия, 5% меди и по 1% магния и марганца. Значительная часть меди образует с алюминием химическое соединение, которое в свою очередь образует сплав с алюминием. Магний и марганец присутствуют в этом сплаве также в виде различных химических соединений.