Сплавы — сложные металлические тела, полученные из двух и более элементов (компонентов). Свойства сплава резко отличаются от свойств исходных компонентов. Даже незначительные добавки одного компонента к другому изменяют свойства первоначального взятого вещества.
У сплавов есть большое сродство с растворами. Как и водные жидкие растворы (сахара, соли и др.) металлические твердые растворы могут иметь различную концентрацию.
Большое влияние на растворимость оказывает температура. С повышением температуры растворимость увеличивается. В металле при понижении температуры происходят почти такие же процессы, как и при обычном растворении соли в воде. В горячей воде можно растворить большее количество соли, чем в холодной. Если охладить насыщенный солью раствор, не имеющий осадка, в нем начнут выпадать кристаллы соли. Если опять нагреть раствор, соль растворится.
Твердый раствор в металле аналогичен охлаждаемому раствору соли в воде в тот момент, когда начинают выпадать кристаллы. Но есть между этими растворами и существенные различия. В жидком растворе атомы растворенного вещества находятся в непрерывном и беспорядочном движении. В твердом растворе атомы растворенного вещества занимают определенное пространственное положение, в зависимости от строения кристаллической решетки.
Различают два основных вида твердых растворов: твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения. В нервом атомы растворенного вещества занимают в кристаллической решетке места атомов растворителя, во втором — они внедрены в пространстве между атомами растворителя. Твердые растворы состоят из однородных по составу и строению кристаллов.
При затвердевании большинство сплавов образуют смеси из кристаллов, различающихся по строению и составу (сплавы меди и висмута, свинца и сурьмы и др.). При строго определенной концентрации сплав может представлять собой химическое соединение двух или более компонентов. В отличие от чистых металлов и твердых растворов химические соединения имеют сложную кристаллическую решетку, не похожую на кристаллические решетки исходных компонентов.
В сложных твердых сплавах, состоящих из нескольких компонентов, могут одновременно существовать твердые растворы, смеси различных чистых компонентов и химические соединения. При переходе из жидкого состояния в твердое сплавы испытывают превращения, сопровождающиеся изменением их внутреннего строения (структуры и свойств). Эти структурные превращения для сплавов конкретных составов происходят при определенных температурах.
Температуры, при которых начинается или заканчивается структурное превращение в сплаве, называются критическими. При критических температурах атомы сплава перестраиваются и образуют новую кристаллическую решетку. Вновь образовавшаяся разновидность сплава по структуре отличается от предшествующего состояния этого же сплава.
В сплаве могут быть две и более структурные разновидности, отделенные одна от другой поверхностями раздела. Однородная часть сплава, отделенная от остальных частей поверхностью раздела, называется фазой. Изменения в структуре сплава при изменении температуры называются структурными, или фазовыми превращениями.
Чистый металл при обычной температуре является однофазным твердым веществом. В расплавленном состоянии чистый металл также является однофазным жидким веществом. Однако при переходе из жидкого в твердое состояние чистый металл имеет одновременно две фазы: жидкую и твердую.
Железо в твердом состоянии может быть двухфазным и иметь две различные кристаллические решетки: a-Fe (альфа-железо) — при температуре ниже 910° С и y-Fe (гамма-железо) — при температуре выше 910° С. Кристаллическая решетка a-Fe - объемно-центрированный куб, Y-Fe — гранецентрированный куб.
Область существования каждой решетки железа можно определить при охлаждении железа от температуры плавления до нормальной. Температура 910° С является критической для превращения одного вида решетки в другой.
В отличие от чистых металлов в сплавах наблюдается большое количество превращений. В сплавах железа с углеродом (углеродистых сталях) железо и углерод взаимодействуют, образуя различные твердые растворы, химические соединения и смеси.
Твердый раствор углерода и примесей (кремния, марганца, серы, фосфора) в a-Fe называется ферритом. От чистого железа феррит отличается только тем, что в его кристаллической решетке, кроме атомов железа, есть небольшое количество атомов углерода и примесей.
Растворимость углерода в железе неодинакова при различных температурах. При температуре 1130° С в железе может раствориться —2% углерода, при 723° С — не более 0,8% углерода. С понижением температуры углерод выделяется из раствора и может соединяться с другими компонентами сплава. Кроме того, углерод может соединяться с железом, образуя химическое соединение.
Химические соединение железа с углеродом называется цементитом (карбид железа), смесь феррита с цементитом — перлитом.
Таким образом, в сплавах железа с углеродом (в углеродистых сталях) железо, углерод и примеси могут образовывать твердые растворы (феррит, аустенит) химическое соединение (цементит) и смесь (перлит). В легированных нержавеющий сталях образуются химические соединения легирующих элементов с углеродом, которые называются карбидами (карбид хрома, карбид титана и др.). Кроме того, в нержавеющих легированных сталях образуются химические соединения железа и легирующих элементов с азотом, которые называются нитридами.