2. Химические соединения

Химические соединениям родственные им по природе фазы в металличе­ских сплавах многообразны. Характерные особенности химических соеди­нений, образованных до закону нормальной валентности, приведены ниже.

1. Кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов, образующих соединение. Атомы в решетке химического соединения располагаются упорядочено, т.е. атомы каждого компонента расположены закономерно и по определенным узлам решетки. Большинство химических соединений имеют сложную кристаллическую структуру.

2. В соединении всегда сохраняется простое кратное соотношение ком­понентов. Это позволяет выразить их состав простой формулой , гдеА и В — соответствующие элементы; п и т – простые числа.

3. Свойства соединения резко отличаются от свойств образующих его компонентов.

4. Температура плавления (диссоциации) постоянная.

5. Образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.

В отличие от твердых растворов химические соединения обычно образуются между компонентами, имеющими большое различие в электрон­ном строении атомов и кристаллических решеток.

В качестве примера типичных химических соединений с нормальной ва­лентностью можно указать на соединения магния с элементами IV—VI групп Периодической системы: Mg₂Sn, Mg₂Pb, Mg₂P₂, Mg₃Sb₂, Mg₃Bi₂, MgS и др. Соединения одних металлов с другими носят общее название интерметаллидов или интерметаллических соединений. Хи­мическая связь между атомами в интерметаллидах чаще металлическая.

Соединения металла с неметаллом (нитриды, карбиды, гидриды и т.д.), которые могут обладать металлической связью, нередко также называют металлическими соединениями.

Большое число химических соединений, образующихся в металлических сплавах, отличается по некоторым особенностям от типичных химических соединений, так как не подчиняется законам валентности и не имеет по­стоянного состава.

Ниже будут рассмотрены наиболее важные химические соединения, образующиеся в сплавах.

Фазы внедрения. Переходные металлы (Fe, Mn, Сr, Мо и др.) образуют 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 M₄X (Fe₄N, Mn₄N и др.), М₂Х (W₂C, Мо₂С, Fe₂N, Cr₂N и др.), MX (WC, TiC, VC, NbC, TiN, VN и др.).

Кристаллическая структура фаз внедрения определяется соотношением атомных радиусов неметалла () и металла (). Если, то атомы металла в этих фазах расположены по типу одной из простых кри­сталлических решеток: кубической или гексагональной, 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. Карбиды, относящиеся к фазам внедрения, имеют высокую температуру плавления. Многие фазы внедрения обладают высокой твердостью. Рассмотренные выше твердые растворы внедрения образуются при значительно меньшей концентрации второго компонента (С, N, Н) и имеют решетку металла растворителя, тогда как фазы внедрения получают кристаллическую решетку, отличную от решетки металла.

Если условие не выполняется, как это наблюдается для карбида железа, марганца и хрома, то образуются соединения с более сложными решетками, и такие соединения нельзя считать фазами внедрения. На базе фаз 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 компонентов, оказываются свободными. В избытке, по сравнению со стехиометрическим соотношением, имеется другой компонент.

Растворы вычитания образуются, например, в карбидах VС, TiC, ZnC, NbC и др.

Электронные соединения. Эти соединения чаще образуются между одновалентными (Сu, Ag, Au, Li, Na) металлами или металлами переходных групп (Mn, Fe, Co и др.), с одной стороны, и простыми металлами с валентностью от 2 до 5 (Be, Mg, Zn, Cd, Al и др.) 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 отношение в одних случаях равно , в других , в третьих . Каждому из указанный соотношений соответствуют и определенные типы кристаллической решетки.

Все соединения с электронной концентрацией, равной , имеют кубическую объемно-центрированную, сложную кубическую или гексагональную решетку и обозначаются как β-соединения. К соединениям этого типа относятся CuBe, CuZn, Сu₃А1, Cu₅Sn, CoAl, FeAl и др.

Соединения с электронной концентрацией имеют сложную решетку и обозначаются γ-фазой. К ним относятся соединенияCu₅Zn₈, Cu₃₁Sn₈, Cu₉А1₄, Cu₃₁Si₈ и др.

Соединения с электронной концентрацией имеют плотноупакованную гексагональную решетку и обозначаются ε-фазой. К ним относятся соединения СuZn₃, СuСd₃, Cu₃Si, Cu₃Sn, Аu₃Sn и др.

Электронные соединения подобно обычным химическим соединениям имеют кристаллическую решетку, отличную от решетки образующих их 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.