Фазы в металлических сплавах
Тема № 4
Фазы в металлических сплавах
Чистые металлы обладают низкой прочностью и в ряде случаев не обеспечивают требуемых физико-химических и технологических свойств. Поэтому в технике их применяют редко. Наиболее широко используют сплавы.
Сплавы получают сплавлением или спеканием двух или более металлов или металлов с неметаллом. Вещества, образующие сплавы, называются компонентами.
Сплав может состоять из двух или большего числа компонентов и образовывать одну или несколько фаз.
Фазой называется физически и химически однородная часть системы (металла или сплава), имеющая одинаковый состав, одно и то же агрегатное состояние и отделенная от остальных частей системы поверхностью раздела.
В сплавах в зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы, твердые растворы, химические соединения.
Твердые растворы
Рекомендуемые материалы
Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого или других компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры (периоды).
Твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу.
Различают твердые растворы замещения (рис. 9) и твердые растворы внедрения (рис.10). При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке. Атомы растворенного компонента могут замещать любые атомы растворителя.
При образовании твердого раствора внедрения атомы растворенного компонента располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решетки растворителя. При этом атомы располагаются не в любом междоузлии, а в таких пустотах, где для них имеется больше свободного пространства.
При образовании твердого раствора кристаллическая решетка всегда искажается и периоды ее изменяются. При образовании твердого замещения период решетки может увеличиться или уменьшиться в зависимости от соотношения атомных радиусов растворителя и растворенного компонента. В случае твердого раствора внедрения период решетки растворителя всегда возрастает. Атомы растворенного компонента нередко скапливаются у дислокации.
В растворах замещения атомы меньшего размера (по сравнению с атомами металла растворителя) скапливаются в сжатой зоне решетки (рис.11), атомы больших размеров - в растянутой зоне решетки, при образовании твердого раствора внедрения атомы растворенного элемента располагаются в растянутой области под краем экстраплоскости; в области дислокации чужеродным атомам легче размещаться, чем в совершенной области решетки, где они вызывают значительные искажения решетки. Атомы внедрения значительно сильнее связываются с дислокациями, чем атомы замещения, образуя так называемые атмосферы Коттрелла. Образование атмосфер сопровождается уменьшением искажений решетки, что предопределяет их устойчивость. Выход или отрыв атомов из атмосферы Коттрелла требует значительной энергии.
Твердые растворы замещения с неограниченной растворимостью могут образоваться при соблюдении следующих условий:
1. Компоненты должны обладать одинаковыми по типу (изоморфными) кристаллическими решетками. Только в этом случае при изменении концентрации твердого раствора будет возможен непрерывный переход от кристаллической решетки одного компонента к решетке другого компонента.
2. Различие в атомных размерах компонентов должно быть незначительным и не превышать определенной величины— для сплавов на основе меди до 14-15 %, а для сплавов на основе железа до 9 %.
3. Компоненты должны принадлежать к одной и той же группе периодической системы элементов или к смежным родственным группам и в связи с этим обладать близким строением валентной оболочки электронов в атомах.
Твердые растворы внедрения могут возникнуть только в тех случаях, когда диаметр атома растворенного элемента невелик. Поэтому твердые растворы этого типа получаются лишь при растворении в металле (например, в железе, молибдене, хром и т.д.) углерода (атомный радиус 0,77A), азота (0,71 А), водорода (0,46 А), т. е. элементов с малым атомным радиусом. Твердые растворы внедрения могут быть только ограниченной концентрации, поскольку число пор в решетке ограничено, а атомы основного компонента сохраняются в узлах решетки. Роль этого вида твердого раствора значительна в сталях и чугунах.
Упорядоченные твердые растворы (сверхструктуры). В некоторых сплавах (например, Cu-Au, Fe-Al, Fe-Si, Ni-Mn и др.), образующих при высоких температурах растворы замещения (с неупорядоченным чередованием атомов компонентов), при медленном охлаждении или длительном нагреве при определенных температурах протекает процесс перераспределения атомов, в результате которого атомы компонентов занимают определенные положения в кристаллической решетке.
Такие твердые растворы получили название упорядоченных твердых растворов или сверхструктур. Образование сверхструктуры сопровождается изменением свойств.
Химические соединения
Химические соединения и родственные им по природе фазы в металлических сплавах многообразны. Характерными особенностями химических соединений, образованных по закону нормальной валентности, отличающими их от твердых растворов, являются следующие:
1. Кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов, образующих соединение. Атомы в решетке химического соединения располагаются упорядоченно, т. е. атомы каждого компонента расположены закономерно и по определенным узлам решетки. Большинство химических соединений имеет сложную кристаллическую структуру.
2. В соединении всегда сохраняется кратное массовое соотношение элементов. Это позволяет выразить их состав простой формулой, где А и В - соответствующие элементы; n и m - простые числа.
3. Свойства соединения резко отличаются от свойств образующих его компонентов.
4. Температура плавления (диссоциации) постоянная. В отличие от твердых растворов химические соединения обычно образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток.
Примером типичных химических соединений с нормальной валентностью являются соединения магния с элементами IV —- VI групп периодической системы и др.
Соединения одних металлов с другими носят общее название интерметаллидов или интерметаллических соединений. Химическая связь между атомами в интерметаллидах чаще металлическая.
Большое число химических соединений, образующихся в металлических сплавах, имеют некоторые особенности, отличающие их от типичных химических соединений: так, некоторые из них не подчиняются законам валентности и не имеют постоянного состава.
Фазы внедрения. Переходные металлы Fe, Mn, Сг, Мо и др. образуют с углеродом, азотом, бором и водородом, т. е. элементами с малым атомным радиусом, такие соединения, как карбиды, нитриды, бориды и гидриды. Они имеют много общего в строении и свойствах; часто их называют фазами внедрения.
Рекомендация для Вас - 16 Методология социологических исследований.
Фазы внедрения имеют формулу: M4X(Fe4) , M2x(Fe2N), MX(TiN) и др. Кристаллическая структура фаз внедрения определяется соотношением атомных радиусов неметалла (Rx) и металла (Rm). Если Rx/Rm < 0.59, то атомы металла в этих фазах расположены по типу одной из простых кристаллических решеток: кубической (К8, К12) или гексагональной (Г12),в которую внедряются атомы неметалла, занимая в ней определенные поры.
Фазы внедрения являются фазами переменного состава, а соответствующие им химические формулы обычно характеризуют максимальное содержание в них неметалла. Фазы внедрения обладают высокой электропроводностью, уменьшающейся с повышением температуры, и металлическим блеском. Карбиды, относящиеся к фазам внедрения, плавятся при высокой температуре.
Если условие Rx/R < 0,59 не выполняется, как это наблюдается для кар-бидов железа, марганца и хрома, то образуются соединения с более сложными решетками; такие соединения нельзя считать фазами внедрения.
Электронные соединения. Эти соединения образуются между одновалентными элементами (Си,Ag,Au,Li,Na) или металлами переходных групп (Fe, Mn, Со и др.) и простыми металлами с валентностью от 2 до 5 (Be, Mg, Zn, Cd, Al и др.). Особенно часто электронные соединения встречаются в сплавах Си, Ag или Au.
Соединения этого типа имеют определенное отношение числа валентных электронов к числу атомов, т. е. определенную электронную концентрацию. Так, существуют соединения, у которых это отношение в одних случаях равно 3/2 (1,5); в других 21/13 (1,62), в третьих 7/4 (1,75). Каждому из указанных соотношений соответствуют и определенные типы кристаллической решетки.
Электронные соединения подобно обычным химическим соединениями имеют кристаллическую решетку, отличную от решетки образующих компонентов, но в отличие от химических соединений с нормальной валентностью электронные соединения образуют с компонентами, из которых они состоят, твердые растворы в широком интервале концентраций.
