1.2. Сплавы
Смешиванием двух или нескольких из ~40 металлов удается получить весьма разнообразные сочетания свойств. Большое влияние на свойства чистых металлов оказывает также введение в них даже незначительных количеств неметаллических примесей - углерода, кремния или бора. Например, медь, которая в чистом состоянии представляет собой мягкий, ковкий металл, при введении в нее приблизительно 1% бериллия становится гибкой и упругой.
Различные типы сплавов зависят от характера взаимодействия входящих в них металлов. Многие сочетания металлов взаимно растворимы друг в друге в широком диапазоне концентраций и образуют жидкие растворы в расплавленном состоянии. Превращаясь в твердые вещества при остывании, они могут:
а) остаться полностью однородными растворами,
б) образовать две или несколько фаз, т.е. кристаллы одного металла окажутся равномерно распределенными в объеме другого металла, или
в) образовать интерметаллические соединения (Сu5Zn8, Al6Mn, …).
Между тремя указанными типами твердых сплавов существует много промежуточных случаев.
Способность образовывать твердые растворы (сплавы типа «а») обнаруживают металлы, сходные друг с другом по валентности, атомно-орбитальным потенциалам (электроотрицательности), эффективным атомным радиусам и химическим свойствам. Например, такие пары металлов, как Na —К, Сu — Ag, Ag —Аu, Ni —Pd или Sb —Bi, могут быть использованы для получения сплавов с любым соотношением компонентов. При отверждении расплава с беспорядочным расположением атомов, возникает та или иная степень упорядоченности.
|
Рис. 1.5. Беспорядочная и упорядоченная структура в сплавах типа твердых растворов. |
На рис. 1.5 сопоставлены совершенно неупорядоченная решетка, состоящая из атомов двух сортов, и полностью упорядоченная решетка из таких же атомов (суперрешетка). Суперрешетки с ГЦК структурой образуют не только сплавы состава АВ, но также и состава А3В (например Cu-Au, Ni-Fe и Fе-Al). В сплавах с такой решеткой три четверти ее узлов заняты атомами А и одна четверть—атомами В, причем эти атомы чередуются в узлах решетки регулярным образом. |
Способность к образованию интерметаллических соединений, т.е. сплавов типа «в» обнаруживают пары металлов, сильно отличающихся по электроотрицательности и химическим свойствам. Многие интерметаллические соединения характеризуются простыми отношениями суммы числа валентных электронов к числу атомов. Так, например, для одной группы сплавов этого типа указанное отношение равно 3/2 (во всех этих соединениях медь одновалентна): CuBe(1+2)/2=3/2;Cu3Al(3+3)/4=3/2.
Для других групп сплавов типа «в» указанное отношение равно 21/13 или 7/4. Такие отношения определяются числом низколежащих энергетических уровней, пригодных для образования валентной зоны. При постепенном добавлении металла с более высокой валентностью, например Be, Zn или Аl, к металлу с более низкой валентностью типа Сu, Ag или Аu наступает момент, когда все низколежащие энергетические уровни заполняются электронами, и тогда начинает образовываться новая твердая фаза. Она отличается от прежней фазы кристаллической структурой, обеспечивающей большее число низколежащих энергетических уровней, доступных для заселения дополнительными электронами. Например, если варьировать состав медно-цинкового сплава, постепенно добавляя к меди все большее количество цинка, последовательно образуются такие твердые фазы, как CuZn, Cu5Zn8 и CuZn3. Отношение числа валентных электронов к числу атомов в этих фазах составляет соответственно 3/2, 21/13 и 7/4, и они обладают ОЦК структурой, структурой γ-латуни (слегка искаженная ОЦК структура) и ГП структурой. Теоретические исследования показывают, что при переходе к каждой следующей структуре возрастает число низколежаших энергетических уровней в валентной зоне кристалла. Например, число низколежащих энергетических уровней в валентной зоне γ-латуни достаточно лишь для расселения 21/13 электрона в расчете на каждый атом.
В сплавах типа «б» компоненты не образуют друг с другом ни твердый раствор, ни интерметаллическое соединение. В этих сплавах температура плавления понижается из-за присутствия другого металла подобно понижению температуры замерзания воды вследствие наличия в ней растворенного вещества. Это приводит к образованию в сплаве двух твердых фаз, которое удобно исследовать с помощью фазовых диаграмм.