2. Если в составе расплава присутствуют два или более компонентов, то в определенных случаях после кристаллизации состав всех зерен оказывается однородным и соответствует составу расплава. При этом структура всех зерен также одинакова и их кристаллическая решетка соответствует решетке одного из компонентов. Такое вещество называется твердым раствором. Например, при сплавлении золота и серебра в любых пропорциях образуется твердый раствор этих компонентов. Твердые растворы наиболее характерны для металлических сплавов. Два металла образуют твердый раствор замещения: атомы одного компонента замещают атомы другого компонента в его кристаллической решетке. На рис. 3.3 а приведен пример такого твердого раствора. В узлах кристаллической решетки находятся не только атомы золота (они показаны светлыми кружками), но и атомы серебра – темные кружки. Количество узлов, занятых атомами серебра, соответствует составу сплава, т. е. концентрации серебра в нем. Так, если сплав содержит 20 % Ag и 80 % Аи, то 20 % всех узлов кристаллической решетки заняты атомами серебра, а остальные 80 % – золота.
Рис. 3.3 а. Схема кристаллической решетки твердого раствора замещения.
Атомная концентрация Au: Ag = 80: 20.
Если атомы двух металлов мало отличаются по размерам (не более 13 %) и имеют одинаковые кристаллические решетки, то между ними образуются непрерывные твердые растворы. Это означает, что при любой концентрации компонентов структура сплава – твердый раствор. Пример такого взаимодействия – сплавы золота и серебра. Между этими двумя металлами существует неограниченная растворимость в твердом состоянии. Если атомы двух металлов значительно отличаются по размерам и металлы имеют разные кристаллические решетки, то они растворимы друг в друге ограниченно. Это значит, что твердый раствор существует только до определенной концентрации второго компонента. При увеличении концентрации выше растворимости образуется химическое соединение.
Твердые растворы могут образовываться и на базе химических соединений. Так, например, кристаллы чистого корунда (окиси алюминия AI2O3) бесцветны и называются лейкосапфиром. Если часть атомов алюминия замещена хромом, то цвет кристалла становится красным – это рубин, если титаном, то синим – сапфир. Интенсивность окраски зависит от концентрации хрома или титана. Таким образом, рубин – это твердый раствор хрома в кристаллической решетке корунда AI2O3, сапфир – твердый раствор титана в решетке корунда.
3. После кристаллизации состав зерен неоднороден: существуют зерна одного состава, имеющие определенное кристаллическое строение, и зерна другого состава со своим кристаллическим строением.
Такое происходит, например, при сплавлении меди и свинца. Их расплав представляет собой однородную жидкость, состав которой в любой точке одинаков. После кристаллизации часть зерен состоит из чистого свинца (100 % РЬ), часть – из чистой меди (100 % Си). Количество тех и других зерен определяется соотношением компонентов сплава. Так, если расплав состоял из 20 % РЬ и 80 % Си, то количество зерен свинца и меди будет находиться в пропорции 20: 80.
Приведенный пример является крайним случаем, и подобные ситуации, когда при кристаллизации образуются чистые компоненты, довольно редки. Чаще всего расплав кристаллизуется с образованием двух твердых растворов или твердого раствора и химического соединения.
В таком случае говорят, что сплав состоит из двух (если кристаллиты двух сортов) или из нескольких фаз. Под фазой понимается часть системы, имеющая определенный состав, строение и свойства.
Таким образом, структура большинства веществ, в частности металлов, в твердом состоянии образована множеством зерен-кристаллитов. Состав и кристаллическая решетка их могут быть одинаковы (однофазный сплав) или различны (двух– или многофазный сплав). Размер этих зерен редко превышает доли миллиметра. Для металлов это 10—100 мкм.
Получение единичных кристаллов достаточно крупного размера – десятки миллиметров и более – довольно сложная техническая задача. Она решена для получения синтетических минералов – ювелирных камней. Чтобы разобраться в материалах ювелирных изделий, полученных ковкой, штамповкой или методами литья, необходимо привести классификацию ювелирных материалов, поскольку в первую очередь от материала зависит общий вид изделия и его способ изготовления. Поэтому раздел 3.2 будет посвящен основам классификации ювелирных материалов.
3.2. Классификация ювелирных материалов
На рис. 3 .Зб приведен классификатор материалов, из которых изготовляются ювелирные изделия. Наибольшее их количество выполняется из сплавов на медной основе и благородных металлов. В меньшей степени используются сплавы на алюминиевой основе и сплавы цинка. Однако для бижутерии, пуговиц, зажимов, пряжек, недорогой домашней утвари, накладок на подарочные папки и оружие и т. п. их значение остается доминирующим. Невысокая стоимость и привлекательный внешний вид, особенно после нанесения декоративных покрытий, обуславливают их широкое применение.
Рис. З.Зб. Классификатор ювелирных материалов.
3.3. Диаграммы состояния ювелирных сплавов
В ювелирной технике применяются сплавы на основе благородных металлов: серебра, золота и платины. Это основные металлы. Для имитации золотых и серебряных сплавов используют некоторые сплавы на основе меди и алюминия. Они применяются только для изготовления дешевых изделий – бижутерии.
В зависимости от состава сплав может иметь различную структуру при комнатной температуре. Структурное состояние сплава, превращения при нагреве и охлаждении описываются диаграммами состояния.
Взаимодействие двух компонентов можно изобразить графически. Такое изображение называется диаграммой состояния или диаграммой равновесия. Диаграммы состояния строятся в координатах состав – температура. Они показывают связь между составом, температурой и фазовым состоянием, структурой сплава. Вид диаграммы состояния зависит от характера взаимодействия компонентов в твердом состоянии.
Для построения диаграммы состояния выбирают отрезок на оси абсцисс, который принимается за 100 % компонента (рис. 3.4). Тогда любая точка на этом отрезке соответствует составу сплава, содержащего х% компонента А и 100 % – х% компонента В. Таким образом, если сплав содержит два компонента, то его состав определяется одной точкой на оси абсцисс. По оси ординат откладывается температура.
Рис. 3.4.
Графическое изображение состава двухкомпонентного сплава.
Между некоторыми металлами, применяемыми в ювелирной технике, образуется неограниченная растворимость в твердом состоянии. К таким системам относятся золото – серебро, золото – медь, платина – иридий. Диаграмма состояния для случая неограниченной растворимости в твердом состоянии показана на рис. 3.5. На диаграмме состояния две линии. Верхняя отделяет область, в которой сплавы находятся в жидком состоянии, т. е. в виде расплава. Эта линия называется «линия ликвидуса». Таким образом, при температурах выше линии ликвидуса все сплавы золота и серебра представляют собой расплавленный металл.
Рис. 3.5. Диаграмма состояния Au – Ag.Нижняя линия на диаграмме называется «линия солидуса». При температурах ниже линии солидуса все сплавы в этой системе находятся в твердом состоянии. Их структура – твердый раствор золота и серебра. Между линиями ликвидуса и солидуса в сплавах в равновесии находятся две фазы – жидкость и кристаллы твердого раствора.
Кристаллизация сплава любого состава начинается при охлаждении его немного ниже линии ликвидуса. Разность между теоретической и реальной температурой начала кристаллизации называется степенью переохлаждения. В жидкой фазе зарождаются и растут кристаллы твердого раствора. Кристаллизация сплава происходит при понижении температуры и заканчивается при достижении температуры линии солидуса или несколько ниже.
Если скорость охлаждения сплава невелика, то в результате кристаллизации структура сплава представляет собой однородный твердый раствор, состав которого точно отвечает составу сплава.
Если скорость охлаждения достаточно высокая, то твердый раствор оказывается неоднородным. Это связано с особенностью кристаллизации твердых растворов при температурах, лежащих в интервале между линиями ликвидуса и солидуса. Например, при температуре 1000 °C (рис. 3.6) состав образовавшихся кристаллов твердого раствора определяется точкой А.
Рис. 3.6. Определение состава фаз по диаграмме состояния Au – Ag.
И при содержании в сплаве 50 % Au и 50 % Ag, в твердом растворе будет 70 % Ag и 30 % Au. В то же время в жидкой фазе находятся 70 % Au и 30 % Ag (точка В). При изменении температуры состав твердой фазы изменяется по линии солидуса, жидкой – по линии ликвидуса. Таким образом, при охлаждении, т. е. при изменении температуры, состав твердой фазы непрерывно изменяется.
Изменение состава происходит за счет перемещения атомов, т. е. за счет диффузии. В твердых телах подвижность атомов невелика, диффузия происходит значительно медленней, чем в жидкости. Если скорость охлаждения при кристаллизации достаточно велика, то выравнивающая диффузия не успевает произойти и состав твердого раствора оказывается неоднородным. В центральной части зерен, которая образовалась при более высоких температурах, повышенное содержание Ag, в периферийной части – повышенное содержание Au по сравнению с составом сплава. Это явление называется дендритной ликвацией. Чем шире интервал кристаллизации сплава, т. е. чем больше разница между температурами ликвидуса и солидуса, тем больше вероятность такого явления.
