Чистые металлы характеризуются низким пределом прочности, поэтому в машиностроении применяют главным образом их сплавы. Металлическим сплавом называют сложное вещество, полученное сплавлением (или спеканием) нескольких металлов или металлов с неметаллами. Например, мягкая медь с добавлением олова превращается в более твердую бронзу. При этом улучшаются эксплуатационные и технологические свойства металлического материала.
Для изучения процессов, происходящих в сплавах при их превращениях, а также для описания строения сплавов в металловедении используют понятия: компонент, фаза, система. Компонентами называют вещества, образующие систему. Чистый металл представляет собой однокомпонентную систему, сплав двух металлов - двухкомпонентную систему и т. д. Компонентами могут быть металлы и неметаллы, а также устойчивые, т. е. не диссоциирующие на составные части в рассматриваемых интервалах температур вещества - химические соединения. Так, для цветных металлических сплавов компонентами могут быть металлы (например, медь с цинком образует латунь), а для железоуглеродистых - металлы с небольшим содержанием неметаллов (железо с углеродом - чугун, сталь).
Фазой называют однородную часть системы, имеющую одинаковый состав, одно и то же агрегатное состояние и отделенную от остальных частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяются скачкообразно. Совокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (давлении, температуре), называют системой. Например, однородная жидкость (расплавленный металл) является однофазной системой, при кристаллизации чистого металла система состоит из двух фаз: жидкой (расплавленный металл) и твердой (зерна закристаллизовавшегося металла). Другой пример: механическая смесь двух видов кристаллов образует двухфазную систему, так как каждый кристалл отличен от другого по составу или строению и отделен один от другого поверхностью раздела. Сплав называют однородным (гомогенным), если его структура однофазна, и разнородным (гетерогенным), если его структура состоит из нескольких фаз. Под структурой сплава понимают видимое в микроскоп взаимное расположение фаз, их форму и размеры.
Компоненты в сплавах могут составлять (рис. 13) жидкие и твердые растворы, химические соединения и механические смеси.
Однородные жидкие растворы (рис. 13,а) характерны почти для всех металлов, растворяющихся друг в друге в жидком состоянии в любых соотношениях. В однородном жидком растворе атомы 1 растворимого металла (компонента) А равномерно распределены среди атомов 2 металла В - растворителя. Лишь немногие металлы растворяются в жидком состоянии ограниченно. И только очень немногие металлы из-за большой разницы в размерах своих атомов не растворяются друг в друге в жидком состоянии. В процессе кристаллизации и затвердевания сплавов взаимодействие компонентов может быть различным.
Твердые растворы образуются в результате перехода в твердое состояние однородных жидких растворов. В твердом растворе одно из веществ, входящих в состав сплава, сохраняет присущую ему кристаллическую решетку, а другое в виде отдельных атомов распределяется в кристаллической решетке первого вещества. Твердые растворы бывают двух типов: твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения. Независимо от типа твердые растворы однофазны.
В твердых растворах замещения часть атомов в кристаллической решетке одного из компонентов замещена атомами другого (рис. 13, б). Твердые растворы замещения образуются, например, в сплавах железа с хромом, никелем и с другими элементами. Твердые растворы замещения называют неупорядоченными твердыми растворами, поскольку атомы растворимого элемента могут замещать атомы растворителя в любых узлах решетки.


В твердых растворах внедрения атомы растворенного компонента внедряются в межатомное пространство кристаллической решетки другого компонента-растворителя (см. рис. 13, 6). Твердые растворы внедрения образуются, например, в сплавах железа с водородом, азотом, бором.
Химические соединения (рис. 13, в) образуются при сплавлении различных металлов или металла с неметаллом. Соотношение чисел атомов элементов химического соединения может быть выражено формулой вида А_nВ_m. Химическое соединение - однородное кристаллическое тело, имеет кристаллическую решетку с упорядоченным расположением атомов, которая отлична от решеток элементов, образующих это соединение. Химические соединения, как и чистые металлы, имеют постоянную температуру плавления и, как правило, обладают большой твердостью и значительной хрупкостью.
Механическая смесь (рис. 13, г) двух компонентов А и В образуется тогда, когда при кристаллизации компоненты сплава не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. Механическая смесь может состоять из зерен двух насыщенных твердых растворов или из зерен твердого раствора и химического соединения. В этом случае сплав состоит из кристаллов А и В, которые, если они достаточно крупны, отчетливо выявляются на микроструктуре. Рентгенограмма сплава отчетливо показывает наличие двух решеток компонентов А и В.
Температуры, при которых изменяется строение металлов и сплавов, называют критическими точками. При плавлении и затвердевании чистые металлы имеют одну критическую точку, а сплавы - две. В интервале между этими двумя точками в сплавах существуют две фазы - жидкий сплав и кристаллы.