Глава X общие свойства металлов. Сплавы

В жидком состоянии большинство металлов растворяются друг в друге и образуют однородный жидкий сплав. В процессе кристалли­зации жидкого сплава различные металлы ведут себя по-разному. Можно выделить три основных случая:

1. Сплав представляет собой механическую смесь кристаллов каждого из компонентов сплава.

2. Сплав представляет собой химическое соединение, образую­щееся в результате взаимодействия сплавляемых металлов.

3. Сплав представляет собой однородную фазу переменного со­става, называемую твердым раствором.

Природу сплавов чаще всего устанавливают на основании изуче­ния диаграмм состояния (фазовых диаграмм), которые показывают, какие фазы могут Существовать при данных условиях. На диаграм­мах состояния по оси ординат откладывают температуру, а по оси абсцисс — состав сплава.

Если два металла М и N не образуют при сплавлении химиче­ских соединений, то диаграмма состояния имеет в общем случае вид, изображенный на рис. 7. Точка а показывает температуру плавления чистою металла М. По мере прибавления к нему ме­талла N температура плавления вначале понижается, а затем, при дальнейшем увеличении содержания металла N в сплаве, снова растет, пока не достигнет точки 6, соответствующей температуре плавления чистого металла N. Кривая аЬс показывает, что из всех сплавов, образуемых металлами М и N, самую низкую температу­ру плавления имеет сплав, состав которого соответствует точке с (в данном случае ов содержит 37% металла N и, следовательно, 63% металла М). Сплав с самой низкой температурой плавления называется эвтектикой.

При охлаждении жидкого сплава, имеющего иной состав, чем эвтектика, из него будет выделяться в виде твердой фазы тот’ металл, содержание которого в сплаве превышает его содержа­ние в эитектике. Например, при охлаждении сплава, содержащего 70% металла N, вначале будет выделяться металл N. По мере его выделения температура кристаллизации будет понижаться, а

состав остающейся жидкой части сплава постепенно будет прибли­жаться к эвтектике. Когда состав жидкой части сплава достигнет состава эвтектики, а температура — эвтектической температуры, вся жидкая часть сплава затвердеет, образовав смесь мельчайших кристаллов обоих металлов.

N

О 20 40 60 80 100

Содержание металла N. %(масс.)

Рис. 7. Диаграмма состо­яния системы из двух металлов, не образующих химических соединений и твердых растворов.

Содержание металла N, % (масс.)

Рис. 8. Диаграмма состо­яния системы из двух металлов, образующих одно химическое соеди­нение.

Если сплавляемые металлы образуют химическое соедипение, то диаграмма состояния имеет характер, показанный на рис. 8. Здесь две эвтектические точки:-ci и с%. Максимум (точка d) соот­ветствует температуре плавления химического соединения, образу­емого металлами М и N, а точка е на оси абсцисс указывает его состав.

		h
		-
а *	ш J J

N

Таким образом, диаграмма состояния системы с химическим соединением как бы составлена из двух диаграмм первого ти­па. Если компоненты образуют между собой два или более хи­мических соединения, то диаграмма как бы составлена из трех, четырех и более диаграмм первого тина. ^ ¹

На рис. 9 приведен пример про- |

О 20 40 60 80 100

Содержание металла N. % (масс.) Рис. 9. Диаграмма состояния си­стемы из двух металлов, образу­ющих непрерывный ряд твердых растворов.

выделяющиеся при охлаждении расплава кристаллы содержат оба компонента. Области I на диаграмме состояния отвечает расплав, области II — сосуществование расплава и кристаллов твердого раствора, области III — твердый раствор.

стейшей диаграммы состояния спла- I ва, компоненты которого образуют Им твердые растворы (случай неогра- Jj ниченной взаимной растворимости).

Точки а и Ь показывают темпе­ратуры плавления чистых метал­лов. Вид кривых плавления (ниж­няя кривая) и затвердевания (верх­няя кривая) обусловлен тем, что

Диаграммы состояния позволяют решать ряд вопросов, касаю­щихся природы сплавов: устанавливать строение сплавов; число и

состав соединений, образуемых сплавляемыми металлами; состав эвтектики и др.

Пример 1. Имеется 400 г сплава олова со свинцом, содержащего (по массе) 30% олова и 70% свинца. Какой из этих металлов и в каком количестве находится в сплаве в виде кристаллов, вкрапленных в эвтектику, если последняя содержит 64% (масс.) олова и 36% (масс.) свинца?

Решение. Вычислим массу каждого из металлов 400 г сплава:

400 ■ 0,30 = 120 г (олова); 400 • 0,70 = 280 г (свинца).

Поскольку процентное содержание олова в сплаве меньше, чем его содержание в эвтектике, то, очевидно, что все олово входит в состав эвтектики. Исходя из этого, определяем массу эвтектики:

120 : х = 64 : 100; ж = 120 • 100/64 = 187,5 г.

Остальная часть сплава представляет собой кристаллы свинца, вкрапленные в эвтектику. Масса их равна: 400 — 187,5 = 212,5 г.

Пример 2. При сплавлении олова с магнием образуется интерметаллическое соединение Mg2Sn. В какой пропорции нужно сплавить указанные металлы, что­бы полученный сплав содержал 20% (масс.) свободного магния?

Решение. Определяем процентное (по массе) содержание магния и олот?а в Mg2Sn. Получаем: 28,7% магния и 71,3% олова.

Согласно условию задачи, в 100 г сплава должно содержаться 20 г магния и 80 г Mg₂Sn. Вычисляем, сколько граммов каждого из металлов входит в состав 80 г Mg2Sn:

80 - 0,287 = 23 г Mg; 80 ■ 0,713 = 57 г Sn .

Следовательно, для приготовления 100 г сплава указанного в задаче состава на 57 г олова надо взять 23 + 20 = 43' г магния, т. е. олово и магний должны быть взяты в отношении 57:43.

Задачи

739. Чем обусловлена общность физических свойств металлов? Охарактеризовать эти свойства.

740. На основе метода молекулярных орбиталей (МО) объяснить особенности строения металлов в кристаллическом состоянии.

741. Указать важнейшие способы добывания металлов из руд.

742. Пользуясь данными табл. 5 приложения, определить, какая из приведенных ниже реакций может происходить при стандартных условиях:

W Оз (к.) + 3 С О (г.) = W (к.) + 3 С 0₂ (г.);

W 0₃ (к.) + 3 С (графит) = W (к.) + 3 С О (г.);

WO_s (к.) + 3 Са (к.) =W (к.) + ЗСаО (к.).

739. Возможно ли получение металлического титана по реакции:

TiCl₄ (ж.) + 2 Mg (к.) = Ti (к.) + 2MgCl₂ (к.).

Ответ подтвердить расчетом AG^gg.

739. По диаграмме плавкости системы Cd — Bi (рис. 10) опре­делить, какой из металлов и при какой температуре начнет вы­

деляться первым при охлаждении жидких сплавов, содержащих:

а) 20% Bi; б) 60% Bi; в) 70% Bi?

WOO?

\900

CS

1800

S 700 I Mg 600

63(ГС

Sb

0 20 40 60 80 100

Содержание Sb, %(масс.)

Рис. 11. Диаграмма состоя­ния системы Mg — Sb.

Рис. 10. Диаграмма состо­яния системы Cd — Bi.

Ъ200

1/50

40 60 80 100

Содержание Bi, %(масс.)

500

739. Какой металл будет выделяться при охлаждении жидкого сплава меди и алюминия, содержащего 25% (масс.) меди, если эв­тектика включает 32,5% (масс.) меди? Какую массу этого металла можно выделить из 200 г сплава?

740. Сплав олова со свинцом содержит 73% (масс.) олова. Найти массу эвтектики в 1 кг твердого сплава, если эвтектика включает 64% (масс.) олова?

741. Си 1000	1083° С
     “ 900 а'
     ! 800 сэ Q.
     8 700	*	\ 650°С
     ^ 600	-	1 \ / " 1 \ /
     500	16	* \/ 1 , '43, ,

     400' ^{и 1}

     О 20 40 60 80 too

     Содержание Mg, %(масс.) Рис. 12. Диаграмма состоя­ния системы Си — Mg.

     Серебряные монеты обычно че­канят из сплава, состоящего из равных масс меди и серебра. Сколько граммов меди находится в 200 г такого сплава в виде кристаллов, вкрапленных в эв­тектику, если последняя содержит 28%

(масс.) меди?

739. По диаграмме плавкости системы Mg — Sb (рис. 11) установить формулу интерметаллического соединения, обра­зуемого этими металлами. Каков будет состав твердой фазы, которая выделя­ется первой при охлаждении жидкого сплава, содержащего 60% (масс.) сурь­мы? Что будет представлять собой за­твердевший сплав?

740. По диаграмме плавкости системы Си — Mg (рис. 12) най­ти формулы интерметаллических соединений, образуемых этими металлами.

741. При сплавлении магния и свинца образуется интерметал­лическое соединение, содержащее 81% (масс.) свинца. Установить формулу соединения и рассчитать, сколько граммов этого соеди­нения находится в 1 кг сплава, образованного равными массами магния и свинца.