Текст книги "Современные системные технологии в отраслях экономики. Учебное пособие"

Раздел 4.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ПРОМЫШЛЕННОЙ ПРОДУКЦИИ

4.1. Качество как фактор конкурентоспособности современной технологии

Современная система высоких технологий рассматривает задачу технологического обеспечения качества поставляемой на рынок продукции как важнейший фактор конкурентоспособности. Управление качеством является системной экономической задачей, решение которой предусматривает использование современных информационных технологий, прогрессивных материалов, передового технологического оборудования и инструментов.

КАЧЕСТВО ПРОДУКЦИИ – совокупность свойств продукции, обусловливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением.

В современных условиях качество продукции охватывает не только потребительские, но и технологические свойства, конструкторско-художественные особенности, надежность, уровень стандартизации и унификации деталей и узлов и др.

Управление качеством продукции осуществляется путем систематического контроля соответствия показателей качества стандартам, техническим условиям и другой нормативно-технической документации, а также целенаправленным воздействием на качество документации, оборудования, инструмента, сырья, материалов, полуфабрикатов, комплектующих изделий, на уровень квалификации изготовителей. Большое значение при этом имеют экономические методы, которые охватывают вопросы планирования, стимулирования, ценообразования и др.

Важный элемент в управлении качеством продукции – установление обоснованных заданий на выпуск продукции с определенными значениями показателей, которые должны быть достигнуты в процессе производства выпускаемой продукции.

Особое место в обеспечении высокого качества продукции принадлежит стандартизации. Комплексная стандартизация сырья, материалов, полуфабрикатов, комплектующих изделий и готовой продукции – эффективное средство планомерного пвышения качества. Стандартизация устанавливает оптимальные показатели качества, его параметрические ряды, приемы контроля и испытаний, режимы технического обслуживания, методы ремонта, нормы запасных частей и т. п. На каждое разрабатываемое изделие составляют технические условия (ТУ) – документ, входящий в комплект технической документации на промышленную продукцию (изделие), в котором указывают комплекс технических требований к продукции, правила ее приемки и поставки, методы контроля, условия эксплуатации, транспортирования и хранения. Технические требования определяют основные параметры и размеры, свойства или эксплуатационные характеристики изделия, показатели качества, комплектность и т. д. Существуют ТУ как на отдельные виды продукции (изделия), так и на несколько видов сразу – групповые ТУ.

Системно-комплексный подход к организации работ по улучшению качества продукции воплощается в создании систем управления качеством продукции на уровне промышленных предприятий. В этих системах высокие показатели закладываются при проектировании. Они базируются на стандарты предприятия, которые разрабатываются в соответствии с требованиями государственных и отраслевых стандартов. Стандарты предприятия организовывают и регламентируют проведение всех мероприятий по повышению технического уровня и качества продукции, устанавливают порядок действия и ответственность каждого исполнителя, укрепляют производственную и технологическую дисциплину, организацию и механизм деятельности по улучшению качества продукции на предприятии. Документацию на конкретные методы и средства повышения качества продукции разрабатывают в cоответствии с Единой системой государственного управления качеством продукции (ЕС ГУКП). Главная цель ЕС ГУКП заключается в планомерном обеспечении всемерного использования научно-технических, производственных и социально-экономических возможностей для достижения постоянных высоких темпов улучшения качества всех видов продукции в интересах повышения эффективности общественного производства, наиболее полного удовлетворения потребностей людей, обороны страны и экспорта. Эта цель достигается в процессе решения конкретных задач. В ЕС ГУКП такими основными задачами являются: разработка, подготовка и развертывание в необходимом количестве в кратчайшие сроки производства новой продукции, отвечающей по своим показателям требованиям высшей категории качества; своевременное снятие с производства, замена или модернизация морально устаревшей продукции; сохранение качества продукции; сохранение качества продукции в процессе ее доведения до потребителя, полное и эффективное использование качества продукции в процессе потребления.

Показатели качества. Качество машин характеризуется рядом показателей, которые можно разделить на следующие три группы.

1. Технический уровень, определяющий степень совершенства машины: мощность, КПД (коэффициент полезного действия), производительность, экономичность и др.

2. Производственно-технологические показатели (или показатели технологичности конструкций), фиксирующие эффективность конструктивных решений с точки зрения обеспечения оптимальных затрат труда и средств на изготовление изделия, его эксплуатацию, техническое обслуживание и ремонт.

3. Эксплуатационные показатели: а) надежность изделия; б) эргономическая характеристика или степень учета комплекса гигиенических, физиологических и других потребностей человека в системе человек – машина – среда; в) эстетическая оценка, т. е. совершенство художественной композиции, внешнее оформление изделия и др.

При оценке качества изделия следует также учитывать степень его патентной чистоты.

Признак продукции определяется качественной или количественной характеристикой любых свойств или состояний продукции. К качественным характеристикам, например, относятся формы изделия, способ крепления деталей изделия (сварка, склейка, клепка и пр.), наличие на поверхности детали определенного покрытия (защитного, декоративного и пр.).

Показатели качества позволяют дать количественную характеристику всех ее свойств. Количественный признак продукции является ее параметром. Параметр продукции количественно характеризует любые ее свойства, в том числе входящие в состав качества продукции. Следовательно, показатель качества может быть частным случаем параметра продукции.

Для оценки качества продукции необходима четкая система показателей и методов их определения. В соответствии с принципами ЕС ГУКП установлена следующая номенклатура основных групп показателей качества по характеризуемым ими свойствам продукции: показатели назначения; показатели надежности (безотказность, долговечность, сохраняемость, ремонтопригодность); эргономические показатели; эстетические показатели; показатели технологичности; показатели транспортабельности; показатели стандартизации и унификации; патентно-правовые показатели; экологические показатели; показатели безопасности.

Надежность является одним из основных свойств промышленной продукции. НАДЕЖНОСТЬ – это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Надежность объекта – сложное свойство, состоящее в общем случае из сочетаний свойств: безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Основным понятием, которое используется в определении надежности, является отказ. Отказом называют событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта, т. е. такого состояния, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

БЕЗОТКАЗНОСТЬ – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки, которое определяется продолжительностью или объемом работы объекта.

Количественные методы оценки качества, которые используются для обоснования решений, принимаемых при управлении качеством продукции и стандартизации, объединены в науку, которая называется КВАЛИМЕТРИЕЙ.

ПОКАЗАТЕЛЕМ КАЧЕСТВА продукции называют количественную характеристику одного или нескольких свойств продукции, составляющих ее качество, рассматриваемую применительно к определенным условиям ее создания и эксплуатации или потребления. Номенклатура показателей качества зависит от назначения продукции. Показатель качества продукции может выражаться в различных единицах (например, километрах в час, часах на отказ и т. д.), а может быть безразмерным. Показатели качества продукции характеризуются непрерывными или дискретными величинами. Они могут быть абсолютными, относительными и удельными.

Единичный показатель качества продукции – показатель, характеризующий одно из ее свойств. Примером единичного показателя двигателя может быть число цилиндров, мощность и др.

Комплексным называют показатель качества продукции, характеризующий несколько ее свойств.

Примером комплексного показателя качества продукции является коэффициент готовности Кг, который для определенного вида изделий определяют по формуле:

где Т – наработка изделия на отказ (показатель безопасности); Т_в – среднее время восстановления (показатель ремонтопригодности).

Из формулы (4.1) видно, что К_г характеризует два свойства изделия – безотказность и ремонтопригодность.

Интегральный показатель качества продукции U позволяет с экономических позиций определить совокупность свойств изделий. При наибольшем значении интегрального показателя качества продукции обеспечивается наибольший полезный эффект, получаемый на каждый рубль затрат. Он определяется отношением суммарного полезного эффекта эксплуатации или потребления продукции к суммарным затратам на ее создание или потребление:

U = Э / (З_с + З_э), (4.2)

где Э – суммарный полезный эффект от эксплуатации или потребления продукции (например, пробег грузового автомобиля в тоннокилометрах за срок службы до капитального ремонта); З_с – суммарные затраты на создание продукции (разработку, изготовление, монтаж и другие единовременные затраты); З_э – суммарные затраты на эксплуатацию продукции (техническое обслуживание, ремонт и другие единовременные затраты).

Наряду с интегральным показателем качества продукции можно применять величину, обратную ему и называемую удельными затратами на единицу эффекта.

Базовое значение показателя качества продукции принимают за основу при сравнительной оценке ее качества. За базовые показатели могут приниматься значения показателей качества лучших отечественных и зарубежных образцов, по которым имеются достоверные данные об их качестве, планируемые значения показателей перспективных образцов и др.

Относительная характеристика качества продукции, основанная на сравнении ее с соответствующей совокупностью базовых показателей, называется УРОВНЕМ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ. При оценке уровня качества используются как технические, так и экономические данные.

Технический уровень продукции определяется относительной характеристикой, основанной на сопоставлении значений показателей, характеризующих техническое совершенство оцениваемой продукции с соответствующими базовыми значениями.

Экономические показатели уровня качества продукции представляют собой особую группу показателей, характеризующих затраты на разработку, изготовление и эксплуатацию или потребление продукции. Примерами экономических показателей могут служить затраты на разработку, изготовление и испытание опытных образцов; себестоимость изготовления продукции.

Оценка уровня качества продукции является основой для выработки соответствующих решений в системе управления качеством продукции.

Определяющим называют показатель качества продукции, по которому принимают решение оценивать ее качество. Комплексный определяющий показатель качества продукции называют обобщенным. Комплексный показатель качества продукции, относящийся к одной группе ее свойств, называют групповым.

Классификация показателей качества продукции по числу характеризуемых свойств приведена на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Классификация показателей качества продукции

Относительное значение показателя качества продукции определяется отношением значения показателя качества оцениваемой продукции к базовому значению этого показателя и выражается безразмерной величиной или в процентах.

Оптимальный показатель качества продукции – это такой, при котором достигается либо наибольший эффект от эксплуатации или потребления продукции при заданных затратах на ее создание и эксплуатацию или потребление, либо заданный эффект при наименьших затратах, либо наибольшее отношение эффекта к затратам.

4.2. Зарубежные модели управления качеством промышленной продукции

На современную теорию и практику управления качеством серьезное влияние оказали разработки всемирно известных зарубежных ученых в области качества. Среди них прежде всего можно выделить концептуальные разработки У. Шухарта, Э. Деминга, Г. Тагути, Дж. Джурана, Ф. Кросби, Л. Фейгенбаума, К. Исикавы, Дж. Ван Эттингера и Дж. Ситтига, представляющие собой сформированные в теоретическом плане модели управления качеством, впоследствии получившие широкое практические применение и развитие [13].

У. Шухарт (1891–1967) – американский ученый и области математической статистики. Главной идеей модели управления качеством У. Шухарта было улучшение качества за счет уменьшения изменчивости (вариабельности) процессов. Он первым указал на жизненную важность непрерывного и осознанного устранения вариаций из всех процессов производства продукции и услуг.

Ученым разработана концепция производственного контроля. Практическим результатом этой концепции стала разработка карт статистического контроля качества (контрольных карт Шухарта). У. Шухартом также было предложено использование статистических методов для управления затратами на качество. Новаторские идеи по использованию статистических методов для снижения затрат на качество позволили многим специалистам считать его основоположником экономического подхода к управлению качеством.

Работы Шухарта оказали большое влияние на У. Э. Деминга (1901–1993) – всемирно известного ученого в области математической статистики и менеджмента. Творчески развив и обогатив идеи У. Шухарта, Э. Демипг впервые разработал программу менеджмента качества.

В этой программе наиболее системными являются разделы «Цепная реакция» и «Принцип постоянного улучшения».

«Цепная реакция». Цель раздела – показать руководству и персоналу предприятия взаимосвязь качества труда, эффективности производства и стабильности положения работников предприятия. Эта взаимосвязь представлена в виде диаграммы (рис. 4.2), в которой показано, что повышение качества в конечном счете приводит к сохранению рабочих мест, что улучшает мотивацию работников и, в свою очередь, приводит к дальнейшему повышению качества.

Рис. 4.2. Цепная реакция Деминга

♦ планирование – план (Plan);

♦ выполнение работ – выполнение (Do);

♦ проверка результатов – контроль (Check);

♦ корректирующие действия – действие (Action).

«Принцип постоянного улучшения (цикл Деминга)» приобрел широкую известность в менеджменте качества. Именно по циклу Демингаосуществляется управление и обеспечение требуемого качества и дальнейшее его улучшение.

Цикл Деминга (РДСА) включает четыре этапа работ в области менеджмента качества (рис. 4.3):

Рис. 4.3. Цикл Деминга

С именем Э. Деминга в определенной степени связаны возрождение и развитие экономики Японии. В конце 1940-х гг. экономика Японии находилась в кризисном состоянии. Производимые японскими предприятиями товары отличались дешевизной и низким качеством. Однако в руководстве нескольких крупных компаний в 1948–1949 гг. обратили внимание на то, что повышение качества естественно и неизбежно вызывает повышение производительности. Наблюдение это было результатом работы групп японских инженеров, изучавших американскую литературу по контролю и управлению качеством, которые стали организаторами Японского союза ученых и инженеров (Union of Japanese Scientistsand Engineers – JUSE). По инициативе JUSE и при поддержке правительства Японии в 1950 г. для чтения лекций был приглашен Э. Деминг, который впоследствии еще несколько раз приезжал в Японию для чтения лекций.

Слова Э. Деминга, которые он произнес на семинаре в 1950 г. в Токио, выступая перед японскими инженерами, оказались пророческими: «Слушайте меня, и через пять лет вы будете конкурировать с Западом. Продолжайте слушать до тех пор, пока Запад не будет просить защиты от вас».

В 1960-х гг. японские товары появились на рынке большинства стран, а к началу 1980-х Япония уже производила 40 % от мирового производства цветных телевизоров, 75 % – транзисторных радиоприемников и 95 % видеомагнитофонов. С 1970-х гг. мир заговорил о «японском экономическом чуде».

Методы статистического контроля качества, проповедуемые Э. Демингом, были быстро и с энтузиазмом восприняты японскими инженерами, особенно на уровне производственных предприятий.

Среди американских специалистов, приглашенных для чтения лекций и консалтинга в Японию, также был известный американский специалист в области управления качеством Джозеф М. Джуран (род. 1904).

Дж. Джуран первым обосновал необходимость перехода от контроля качества к управлению качеством. Дж. Джураном разработана знаменитая «спираль качества» («спираль Джурана») – вневременная пространственная модель, определившая основные стадии непрерывно развивающихся работ по управлению качеством (рис. 4.4) и ставшая прообразом многих появившихся позже моделей управления качеством.

Рис. 4.4. Спираль Джурана

1 – исследование рынка; 2 – разработка проектного задания; 3 – проектно-конструкторские работы; 4 – составление технических условий; 5 – разработка технологии и подготовка производства; 6 – материально-техническое снабжение; 7 – изготовление инструмента, приспособлений и контрольно-измерительных средств; 8 – производство; 9 – контроль процесса производства; 10 – контроль готовой продукции; 11 – испытание рабочих характеристик продукции; 12 – сбыт; 13 – техническое обслуживание; 14 – исследование рынка

Дж. Джуран – автор концепции AQI (Annual Quality Improvement), концепции ежегодного улучшения качества. В философии менеджмента качества непрерывное улучшение подразумевает, что на смену политике стабильности приходит политика изменений. В концепции AQI основное внимание сосредоточено на стратегических решениях, более высокой конкурентоспособности и долгосрочных результатах. Этот ученый впервые сформулировал подход к обеспечению качества, классифицировав затраты на обеспечение качества, выделив четыре основные категории затрат: затраты на предупреждение дефектности, затраты на оценку качества, издержки вследствие внутренних отказов и издержки изза внешних отказов.

Вывод: теоретические положения менеджмента качества как основного фактора современного инновационного развития определяют системность задач в управлении производственными процессами. Современная постиндустриальная система экономического развития ориентирована на технологические принципы управления качеством продукции. Высшая степень культуры производственного процесса проявляется в рассмотрении и анализе совокупности всех составляющих элементов инновационной технологии.

4.3. Технологическое управление качеством конструкционных материалов

4.3.1. Атомно-кристаллическое строение металлов

Металлы – кристаллические вещества. В твердом состоянии их атомы располагаются в пространстве в строго определенном порядке, образуя атомно-кристаллическую структуру. Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов, существующее в кристалле. Правильное, закономерное расположение атомов в пространстве характеризует кристаллическое состояние. В кристалле каждый атом имеет одно и то же количество близлежащих атомов-соседей, расположенных на одинаковом от него расстоянии. В кристалле правильное чередование атомов на одинаковых расстояниях сохраняется для сколь угодно далеко удаленных атомов, то есть существует так называемый дальний порядок в расположении атомов.

Если кристалл рассечь плоскостью, то мы увидим, что атомы расположены упорядоченно (рис. 4.5). Это так называемая кристаллографическая плоскость, многократное повторение которой в пространстве образует кристаллическую решетку, в узлах которой находятся атомы.

Атомная кристаллическая решетка характеризуется:

1) параметром а – расстояние между плоскостями для каждого вида металла. Например, параметр решетки хрома равен 0,288 нм;

2) элементарной кристаллической ячейкой, то есть наименьшим комплексом атомов, перемещение которого в пространстве образует атомную кристаллическую решетку, в которой атомы металла расположены под определенным углом.

Рис. 4.5. Атомная кристаллическая решетка

Металлам присущи следующие типы элементарных кристаллических ячеек (рис. 4.6): кубическая объемно центрированная (ОЦК), кубическая гранецентрированная (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ). Кубические решетки могут быть тетрагональными, когда с/а ≠ 1.

Рис. 4.6. Типы кристаллических решеток

Элементарная ячейка кубической гранецентрированной решетки ограничивается 14 атомами: 8 из них расположены по вершинам куба и 6 – по граням. Элементарная ячейка гексагональной решетки (рис. 5.6) ограничена 17 атомами из них 12 атомов расположены по вершинам шестигранной призмы, 2 атома – центре оснований и 3 – внутри призмы.

Параметр решеток (сторона куба или шестигранника) у меди – 0,36 нм, у алюминия – 0,405 нм, у цинка – 0,267 нм и т. д.

Каждый атом состоит из положительно заряженного ядра и нескольких слоев (оболочек) отрицательно заряженных и движущихся вокруг ядра электронов. Электроны внешних оболочек атомов металлов, называемые валентными, легко отщепляются, быстро движутся между ядрами и называются свободными. Вследствие наличия свободных электронов атомы металлов являются положительно заряженными ионами. Таким образом, в узлах решеток, обозначенных кружками на рис. 4.6, находятся положительно заряженные ионы.

Ионы, однако не находятся в покое, а непрерывно колеблются около положения равновесия. С повышением температуры амплитуда колебаний увеличивается, что вызывает расширение кристаллов, а при температуре плавления колебания частиц усиливаются настолько, что кристаллическая решетка разрушается.

Реально кристаллы имеют дефекты и их структура отличается от схем приведенных идеальных решеток. Точечными дефектами являются пустые узлы, или вакансии (рис. 4.7 а), и межузельные атомы (рис. 4.7 б); количество этих дефектов возрастает с повышением температуры. Важнейшими линейными дефектами являются дислокации (краевые и винтовые), представляющие как бы сдвиг части кристаллической решетки (по линии АВ на рис. 4.7в).

Рис. 4.7 Виды дефектов кристаллической решетки.

Дислокации характеризуются большой протяженностью в одном направлении и малой в другом. Поверхностные дефекты вызываются наличием субзерен или блоков 1,2 внутри кристалла (рис. 4.7 г), а также различной ориентацией кристаллических решеток зерен 1,2 (рис. 4.7д). По границам зерен решетка одного кристалла переходит в решетку другого, здесь нарушена симметрия расположения атомов.

Дефекты кристаллов оказывают существенное влияние на механические, химические и технологические свойства металлов.

Анизотропность и спайность кристаллов. В отдельных кристаллах свойства различны в разных направлениях. Если взять большой кристалл (существуют лабораторные и производственные методы выращивания крупных кристаллов), вырезать из него несколько одинаковых по размеру, но различно ориентированных образцов, и испытать их свойства, то иногда наблюдается весьма значительная разница в свойствах отдельных образцов. Например, при испытании образцов, вырезанных из кристаллов меди, относительное удлинение изменялось в пределах от 10 до 55 %, а предел прочности – от 14 до 35 кгс/мм² для различных образцов. Это свойство кристаллов называют АНИЗОТРОПНОСТЬЮ. Анизотропность объясняется особенностями расположения атомов в пространстве.

Следствием анизотропности кристаллов является СПАЙНОСТЬ, которая выявляется при разрушении. В местах излома кристаллов можно наблюдать правильные плоскости, указывающие на смещение частиц под влиянием внешних сил не беспорядочное, а правильными рядами, в определенном направлении, соответственно расположению частиц в кристалле. Эти плоскости называются плоскостями спайности.

Аморфные тела изотропны, т. е. все эти свойства одинаковы во всех направлениях. Излом аморфного тела всегда имеет неправильную искривленную так называемую раковистую поверхность.

Металлы, затвердевшие в обычных условиях, состоят не из одного кристалла, а из множества отдельных кристаллитов, различно ориентированных друг к другу, поэтому свойства литого металла приблизительно одинаковы во всех направлениях; это явление называют квазианизотропностью (кажущейся изотропностью).

4.3.2. Аллотропия металлов

АЛЛОТРОПИЯ металлов (или полиморфизм) – их свойство перестраивать решетку при определенных температурах в процессе нагревания или охлаждения или действия давлением. Свойство аллотропии имеет большое практическое значение в технологических процессах термообработки металлов, назначение которых – получение необходимых физических и механических свойств – прочности, износостойкости, пластичности и др. (см. раздел 5). Аллотропию обнаруживают все элементы, меняющие валентность при изменении температуры, например железо, марганец, никель, олово и др. Каждое аллотропическое превращение происходит при определенной температуре. Например, одно из превращений железа происходит при температуре 911ºС, ниже которой атомы составляют решетку центрированного куба (рис. 4.8), а выше – решетку гранецентрированного куба.

Температура, соответствующая какому-либо превращению в металле, называется критической точкой.

Переход из жидкого состояния в твердое при охлаждении сопровождается образованием кристаллической решетки, т. е. кристаллизацией. Чтобы вызвать кристаллизацию, жидкий металл нужно переохладить несколько ниже температуры плавления.

Рис. 4.8. Аллотропические превращения железа

Свойство аллотропии (полиморфизма) широко используется в технологических процессах термической и механической обработки материалов и определяет перспективность и широкие возможности современных технологий управления качеством конструкционных материалов и изделий промышленного производства.

В системе обеспечения качества продукции необходимо ориентироваться на современные инновационные технологии термообработки и физико-механического воздействия. Технологический процесс термообработки металлов, сплавов, а также ряда конструкционных материалов, имеющих кристаллическую структуру в твердом состоянии, дает возможность управления их физико-механическими свойствами. В частности, широко распространенные в промышленности современные технологические способы термообработки обеспечивают в режиме отжига высокие эксплуатационные характеристики металлов, а способы закалки придают высокую твердость, износостойкость, надежность и долговечность размерной поверхности деталей машин и механизмов. Подробнее о современных технологических способах термообработки см. раздел 5.

4.4. Теория сплавов и технологические принципы управления свойствами конструкционных материалов

Чистые металлы в технике используются редко, так как, во-первых, в чистом виде их получить сложно и поэтому они дороги, во-вторых, они обладают низкими прочностными характеристиками, и, в-третьих, имеют низкие технологические свойства, например, высокую температуру плавления. Поэтому в машиностроении применяются в основном сплавы металлов.

СПЛАВ – это вещество, полученное сплавлением двух или более компонентов.

КОМПОНЕНТНЫЕ СПЛАВЫ – простые вещества, составляющие сплав, или их химические соединения, если они устойчивы и не распадаются в процессе нагревания.

ФАЗА СПЛАВА – однородная по химическому составу и физическим свойствам часть сплава, отделенная от других составляющих (фаз) поверхностью раздела. Однородная жидкость является однофазной, а механическая смесь двух видов кристаллов, или жидкости и твердых кристаллов – двухфазной. Фазами могут быть химические элементы, твердые и жидкие растворы и химические соединения.

Строение металлического сплава, а следовательно, и его свойства зависят главным образом от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, составляющие сплав.

Необходимое условие существования сплава – растворимость компонентов в жидкой фазе хотя бы частичная.

Виды твердых сплавов. В твердом состоянии наблюдаются следующие виды взаимодействия компонентов.

1. Компоненты А и В образуют твердые растворы. Твердый раствор – гомогенное вещество переменного состава, состоящее из двух или нескольких компонентов. В отличие от механической смеси твердый раствор является однофазным, состоит из одного вида кристаллов, имеет одну кристаллическую решетку; в отличие от химического соединения твердый раствор существует не при строго определенном соотношении компонентов, а в интервале концентраций.

При образовании твердого раствора сохраняется решетка одного из элементов, который называется растворителем.

При образовании твердых растворов возможны два принципиально отличных случая.

а) Твердые растворы замещения (рис. 4.9). Растворение компонента Вв металле А происходит путем частичного замещения атомов А атомами В. Такие растворы могут быть ограниченными и неограниченными. При неограниченной растворимости любое количество атомов А может быть заменено атомами В, до тех пор, пока все атомы А будут замещены и совершится плавный переход к чистому компоненту В.

Рис. 4.9. Твердый раствор замещения

Неограниченная растворимость возможна при соблюдении следующих условий:

– оба компонента имеют одинаковую кристаллическую решетку;

– достаточно малое различие атомных размеров компонентов; если атомные размеры сильно различаются, то образование твердого раствора сильно искажает решетку, что приводит к накоплению в ней упругих искажений (упругой энергии) и наступает предел растворимости;

– элементы должны быть близко расположены в периодической таблице Д. И. Менделеева, то есть иметь близкие друг к другу по строению валентные оболочки.

б) Твердые растворы внедрения (рис. 4.10). Атомы растворенного вещества В располагаются между атомами вещества А. Для образования таких растворов диаметр атома вещества В должен быть невелик, а внутри решетки вещества А должно иметься достаточное пространство для размещения атома вещества В.