tihonova (523116), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Число компонентов системы - минимальное числохимических веществ, необходимое для образования фаз системы.Сплавами называются вещества, полученные сплавлением двух или более элементов,преимущественно металлических. Помимо сплавления (наиболее распространенногоспособа), сплавы можно получать спеканием, электролизом и др.
способами. Прикристаллизации сплавов могут образоваться следующие основные твердые фазы: твердыерастворы, химические соединения, механические смеси.Твердые растворы являются наиболее распространенной фазой в металлических сплавах.Характерной особенностью строения кристаллов твердых растворов является наличие в ихкристаллической решетке разнородных атомов, при сохранении типа кристаллическойрешетки растворителя.
По характеру распределения атомов растворенного вещества вкристаллической решетке растворителя различают три типа твердых растворов: твердыерастворы внедрения, замещения, вычитания.Твердые растворы внедрения. Атомы растворенного вещества располагаются в порахкристаллической решетки растворителя (рис. 9.1б). Это возможно при условии, что атомырастворенного вещества достаточно малы. Такими атомами являются атомы водорода,углерода, азота, которые с переходными металлами образуют такой тип твердых растворов.Твердые растворы замещения.
На рис. 9.1в часть атомов растворителя замещена атомамирастворенного вещества, что соответствует строению кристаллической решетки твердогораствора замещения.Твердые растворы замещения могут быть с ограниченной и неограниченной растворимостью.В твердом растворе с ограниченной растворимостью возможна концентрация растворенноговещества до определенного предела. При дальнейшем повышении концентрации твердыйраствор распадается, и образуются двухфазные смеси.Изменение растворимости компонентов в твердом растворе с изменением температурыможно объяснить на основе законов термодинамики, а также зонной теории кристаллическихтел.В твердых растворах с неограниченной растворимостью возможна любая концентрация (от0% до 100%) растворенного вещества.Для образования неограниченных твердых растворов необходимы: 1) изоморфность(однотипность) кристаллических решеток сплавляемых компонентов, 2) близость атомныхрадиусов компонентов, которые не должны отличаться больше чем на 8...13%, 3) близостьфизико-химических свойств компонентов.
Однако соблюдение этих условий не всегдадостаточно, в реальных сплавах наблюдаются твердые растворы с ограниченнойрастворимостью.Твердые растворы вычитания образуются на базе кристаллических решеток некоторыххимических соединений, например, карбидов ванадия, титана. В кристаллической решеткехимического соединения появляются свободные узлы, которые ранее занимались атомамиуглерода.При образовании твердого раствора сохраняется решетка одного из элементов - растворителя.Атомы растворенного вещества искажают и изменяют средние размеры элементарнойрешетки растворителя.
При образовании твердых растворов замещения периоды решеткиизменяются в зависимости от разности атомных диаметров растворенного элемента ирастворителя: если атом растворенного элемента больше атома растворителя, тоэлементарная решетка увеличивается, если меньше, то сокращается. В первом приближенииэто изменение пропорционально концентрации растворенного компонента в атомныхпроцентах, но отклонения от линейной зависимости иногда довольно значительны.Изменение параметров решетки при образовании твердых растворов - весьма важныймомент, определяющий изменение свойств.
В общем независимо от вида металлаотносительное упрочнение пропорционально относительному изменению параметрарешетки, причем уменьшение параметра решетки ведет к большему упрочнению, чем еерасширение.Влияние растворенных в железе элементов на прочность: никель, хром и марганецупрочняют железо слабо (возможное изменение структуры при этом не рассматривается),вольфрам, молибден, кремний упрочняют сильно, причем кремний, сжимающий решетку,упрочняет сильнее молибдена и вольфрама, расширяющих решетку железа.Процессы упорядочения. Степень дальнего порядка.Явление упорядочения было впервые обнаружено в 1914 г. Н.С.Курнаковым. При изученииэлектросопротивления сплавов меди и золота было найдено изменение их свойств безвидимого изменения микроструктуры.
Впоследствии применением рентгеновского анализабыло показано, что изменение свойств связано с перераспределением атомов внутрикристаллической решетки.В обычных твердых растворах (внедрения и замещения) атомы растворенного элементараспределяются в решетке растворителя беспорядочно. Однако при известных условияхатомы занимают определенные места в узлах решетки, т.е. от неупорядоченногорасположения переходят в упорядоченное.
Подобный процесс называют упорядочением, арастворы с упорядоченным расположением атомов растворенного элемента упорядоченными твердыми растворами.Процесс упорядочения носит диффузионный характер, превращение сопровождаетсяперемещением атомов, поэтому медленное охлаждение способствует упорядочению.Упорядоченные твердые растворы являются промежуточными фазами между химическимисоединениями и твердыми растворами. При полной упорядоченности они напоминаютхимическое соединение, т.к. имеется определенное число атомов, которое можно выразитьформулой, и расположение атомов в решетке упорядоченное. Эти фазы могут бытьпричислены к твердым растворам, т.к. у них сохранилась решетка металла-растворителя.В твердых телах многие фазы являются кристаллами, т.е.
имеют дальний порядок. Термин"ближний порядок" используют в тех случаях, когда хотят указать на существованиеправильной координации первых ближайших соседей. Такой порядок возникает припостоянном числе ковалентных связей (в атомах кремния, в кварцевом стекле) илиобусловлен отношением радиусов ближайших ионов, от которого зависит и координационноечисло.Если порядок расположения распространяется не только на ближайших соседей, но и насоседей, находящихся на более далеком расстоянии, возникает структура с дальнимпорядком. Дальний порядок является характерной особенностью кристаллическихматериалов.
Наличие дальнего порядка обусловливает повторяющуюся картинурасположения атомов в пределах всего кристалла. Можно говорить об "элементарнойячейке", которая повторяется во всех трех измерениях. Она представляет собой наименьшийобъем, путем трансляции которого можно полностью воспроизвести структуру кристалла.Интерметаллические соединения (электронные соединения, фазы Лавеса, фазы внедрения).Молекулярные фазы.Химические соединения. Характерной особенностью химических соединений является:1) постоянство состава, которое может быть выражено формулой химического соединения, 2)наличие нового типа кристаллической решетки, отличного от типа решеток сплавляемыхкомпонентов, 3) ярко выраженные индивидуальные свойства, 4) постоянство температурыкристаллизации, как у чистых компонентов.Химические соединения металлов делят на две группы:Первая - соединения металлов с нормальной валентностью, которые дают металлы стипичными неметаллами (O, S, Cl и т.д.).
Такими соединениями являются оксиды, сульфиды,хлориды. В сплавах эти соединения присутствуют в виде так называемых неметаллическихвключений.Другая группа - металлические соединения. Из этой группы наиболее важными являютсяфазы внедрения и электронные соединения.
Металлические соединения отличаютсяразнообразием типов межатомных связей (металлической, ковалентной, ионной) спреобладанием металлической связи. Благодаря этому металлические соединенияхарактеризуются металлическим блеском, электропроводностью. Металлические соединенияпри обычных температурах тверды и хрупки, однако при нагреве до температур,составляющих 70-90% от температуры плавления, эти соединения очень пластичны.
Этообъясняется увеличением при нагреве доли металлической связи между атомами.Металлическими соединениями являются также соединения переходных металлов суглеродом (карбиды), с азотом (нитриды), с водородом (гидриды), с бором (бориды). Этисоединения могут иметь как очень сложную, так и простую решетку типа г.ц.к., г.п.у., режео.ц.к. Тип решетки определяется величиной отношения атомного радиуса неметалла катомному радиусу металла. Соединения с простой решеткой называются фазами внедрения.Их химическая формула: МеХ, Ме2Х, МеХ2, Ме4Х (Ме - металл, Х - неметалл). Например,Fe2N, Fe4N, WC.
Фазы внедрения имеют большое практическое значение, обеспечиваязначительное упрочнение металлических сплавов.Электронные соединения или фазы Юм-Розери типичны для сплавов систем Cu-Zn, Cu-Sn,Cu-Al. Эти соединения отличаются постоянными соотношениями числа валентныхэлектронов к числу атомов, т.е. электронной концентрацией N, равной 3/2, 21/13, 7/4.Например, CuZn (N=3/2), CuZn3 (N=7/4), Cu5Zn8 (N=21/13). При N=3/2 соединения имеютрешетку типа о.ц.к., при N=21/13 - сложнуюрешетку, при N=7/4 - гексагональнуюрешетку.
На базе электронных соединений могут образоваться и твердые растворы.К химическим металлическим соединениям относятся также фазы Лавеса, имеющие формулутипа АВ2, когда отношения атомных радиусов ra/rb приблизительно равно 1,2 (чаще 1,1...1,6),например, MgZn2 (решетка г.п.у.), MgCu2 (г.ц.к.). К этим фазам относятся соединения рядапереходных металлов (TiCr2, ZrW2 и др.). Фазы со структурой никельарсенида образуютсямежду переходными металлами и простыми металлами (NiAs, FeSn, NiSb). Фазы Лавесавстречаются как упрочняющие интерметаллидные фазы в жаропрочных сплавах.Механические смеси двух компонентов А и В образуются тогда, когда они не способны квзаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию собразованием соединения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
