Тема 3. Фазы и структура в металлических сплавах

3.0. Введение

В сплавах в зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы, твердые растворы, химические со-единения.

3.1. Твердые растворы

Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохра-няет свою кристаллическую решетку, а атомы других (или другого) компонентов распола-гаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры (периоды). Та-ким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу

Различают твердые растворы замещения (рис.18 а) и твердые растворы внедрения (рис.18 б).

Твердые растворы замещения с неограниченной растворимостью могут образовывать-ся при соблюдении условий, приведенных ниже.

• 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 ре-шетке другого компонента.

• Различие в атомных размерах  R компонентов должно быть незначительным и не превышать 8 - 15% .

• Компоненты должны принадлежать к одной и той же группе периодической системы элементов или к смежным родственным группам и в связи с этим иметь близкое строение валентной оболочки электронов в атоме.

Например, ГЦК - решеткой: Ag-Au ( R = 0,2 %), Ni - Cu ( R = 2,7%),

Ni - Rd ( R = 10,5% ).

ОЦК - решеткой: Mo-W ( R = 9,9 %), V - Ti ( R = 2 %).

Твердые растворы внедрения образуются только в тех условиях, когда диаметр атома растворенного элемента невелик (C, N, H ).

В некоторых сплавах (например, медь-золото, железо - алюминий, железо - кремний, никель - марганец), образующих при высоких температурах растворы замещения, при мед-ленном охлаждении или длительном нагреве при определенных температурах протекает процесс перераспределения атомов, в результате которого атомы компонентов занимают оп-ределенные положения в кристаллической решетке. Такие растворы, устойчивые при срав-нительно низких температурах, получили название упорядоченных твердых растворов, или сверхструктур.

3.2. Химические соединения

Химические соединения и родственные им по природе фазы в металлических сплавах многообразны. Характерной особенностью химических соединений, образованных по закону нормальной валентности, приведены ниже.

• Кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов, образующих соединение.

• В соединении всегда сохраняется простое кратное соотношение компонентов. Это по-зволяет выразить их состав простой формулой А n В m,

где А и В - существующие элементы; n и m - простые числа.

• Свойства соединения резко отличаются от свойств образующих их компонентов.

• Температура плавления (диссоциации) постоянная.

• Образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффек-том.

В отличии от твердых растворов химические соединения обычно образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристалли-ческих решеток.

Например: Mg2Sn, M2Pb, Mg2P, Mg3Sb, Mg3Bi2, Mg S и др.

Соединение одних металлов с другими носят общее название интерметаллидов, или интерметаллических соединений.

Соединения металлов с неметаллами (карбиды, нитриды, бориды и т.д.) которые могут обла-дать металлической связью, нередко также называют металлическими соединениями.

Фазы внедрения. Переходные металлы (железо, марганец, хром, молибден и др.) обра-зуют с углеродом, азотом, бором и водородом, т.е. с элементами, имеющими малый атомный радиус, соединения: карбиды, нитриды, бориды и гидриды. Они имеют общность строения и свойств и часто называются фазами внедрения.

Фазы внедрения имеют формулу М4Х, М2Х и МХ.

Кристаллическая структура фаз внедрения определяется соотношением атомных ра-диусов неметалла и металла Rх и Rм. Если Rх / Rм  0, 59, то атомы металла в этих фазах расположены по типу одной из простых кристаллических решеток: кубической (К18, К12) или гексагональной (Г12), в которую внедряются атомы неметалла, занимая в ней опреде-ленные поры.

Фазы внедрения являются фазами переменного состава, карбиды и нитриды, относя-щиеся к фазам внедрения, обладают высокой твердостью.

Рассмотренные выше твердые растворы внедрения образуются при значительно меньшей концентрации второго компонента (C, N, H) и имеют решетку металла раство-рителя, тогд-а как фазы внедрения получают кристаллическую решетку, отличную от ре-шетки металла.

На базе фазы внедрения легко образуются твердые растворы вычитания, называемые иногда твердыми растворами с дефектной решеткой. В твердых растворах вычитания часть узлов решетки, которые должны быть заняты атомами одного из компонент, оказывается свободным. В избытке имеется другой компонент

Электронные соединения. Эти соединения чаще всего образуются между одновалент-ными металлами или металлами переходных групп, с одной стороны и простыми металлами с валентностью от 2 до 5, с другой стороны.

Соединения этого типа имеют определенное отношение числа валентных электронов к числу атомов, т.е. определенную электронную концентрацию

Так, существуют соединения, у которых это соотношение в одних случаях равно 3/2 (1,5), в других - 21/13 (1,62), в третьих - 7/4 (1,75).

Соединения 3/2, обозначаются как  - соединения, 21/13 -  - соединения, 7/4 -  - со-единение.

Фазы Лавеса. Эти фазы имеют формулу АВ2 и образуются между компонентами типа А и В при соотношении атомных диаметров DА/DВ  1,11,6. Фазы Лавеса имеют решет-ку ГПУ или ГЦК.