Вопросы для самопроверки

1. Какие агрегатные состояния вещества Вы знаете? Дайте краткую характеристику каждого.

2. Дайте определение фазы – как состояния вещества. Какие системы по состоянию и количеству фаз Вы знаете?

3. Какое условие необходимо для протекания процесса кристаллизации?

4. Что такое критический зародыш и от чего зависят его размеры?

5. Как влияет степень переохлаждения на число центров и скорость их роста?

6. Чем отличается гомогенное образование зародышей от гетерогенного?

7. Что такое модифицирование расплавленного металла?

8. Может ли происходить рост кристаллов без образования двумерного зародыша?

9. Когда процесс кристаллизации протекает быстрее — при малой, большой и очень высокой степени переохлаждения?

10. Как растет дендритный кристалл?

11. Какие структурные зоны можно выделить в металлическом слитке?

12. Как получить мелкое зерно в литом металле?

1.3. Основы теории сплавов.

1.3.1. Внутреннее строение и свойства механических смесей, твердых растворов и химических соединений

Чистые металлы находят довольно ограниченное применение. Их используют главным образом в электрорадиотехнике (проводниковые, электровакуумные и другие материалы). Основными конструкционными материалами являются металлические сплавы.

Сплав – это вещество, полученное сплавлением двух или более элементов (компонентов). Сплав, приготовленный преимущественно из металлов, называют металлическим. Металлические сплавы можно получать также методами порошковой металлургии, диффузией и другими способами.

Наибольшее применение сплавов в технике объясняется тем, что они обладают более ценными, чем чистые металлы, комплексами механических, физических и технологических свойств. Почти все металлы в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях. В результате растворения образуется однородный жидкий раствор с равномерным распределением одного металла (А) в другом (В).

При образовании сплавов в процессе их затвердевания возможно различное взаимодействие металлов. Если в процессе кристаллизации сила взаимодействия между однородными ядрами окажется больше таковой для неоднородных частиц, то после затвердевания жидких растворов образуется механическая смесь (рис. 1.17). В этом случае в твердом сплаве будут присутствовать зерна двух чистых металлов, отчетливо выявляемых на микроструктуре. Такой тип взаимодействия возникает при большом различии свойств входящих в сплав компонентов (металлов и неметаллов).

Второй вид взаимодействия компонентов в сплавах приводит к формированию твердых растворов (рис. 1.18). В них так же, как и в чистых металлах, ионы в пространстве расположены закономерно, образуя кристаллическую решетку. Здесь один из входящих в состав сплава компонентов сохраняет свою первоначальную решетку, а у второго элемента происходит ее нарушение, и его ядра распределяются в решетке первого. Поэтому данные компоненты сплава называются соответственно растворителем и растворенным веществом.

A B	А(В)
Рис. 1.17 - Микроструктура механической смеси	Рис. 1.18 - Микроструктура твердого раствора

В зависимости от характера распределения остовов растворимого элемента в сплаве различают твердые растворы замещения, внедрения и вычитания (рис. 1.19). В твердых растворах замещения катионы растворимого элемента занимают места таковых основного металла (рис. 1.19, а). Посторонние атомы могут вытеснять частицы растворителя в любых местах, поэтому такие растворы называют неупорядоченными твердыми.

Рис. 1.19 - Схема твердых растворов: а – замещения, б – внедрения.

Размеры ядерных остовов растворимого элемента всегда отличаются от габаритов частиц растворителя, поэтому при образовании твердого раствора замещения кристаллическая решетка металла-растворителя немного искажается, не утрачивая при этом своего основного строения. Твердые растворы замещения могут быть ограниченными и неограниченными. Одно из условий неограниченной растворимости – размерный фактор: чем больше различие в расстояниях между ионами элементов, тем меньше их растворимость. Неограниченная растворимость компонентов присуща системам, в которых ионные радиусы элементов отличаются не более чем на 8 – 15 %. Кроме того, они должны быть изоморфными (иметь близкие по типу и по параметрам кристаллические решетки).

В твердых растворах внедрения частицы растворимого элемента распределяются в кристаллической решетке металла-растворителя, занимая места между его ядрами (рис. 1.19, б). У металла структурные единицы его кристаллической решетки располагаются близко друг к другу и пустоты между ними достаточно малы. Разместиться в таких каналах могут только вещества с минимальными межъядерными расстояниями. Наименьшие размеры катионов имеют некоторые неметаллы: а именно, водород, азот, углерод и бор, которые и образуют с металлами твердые растворы внедрения. Но и у них межатомные расстояния несколько превышают радиусы в кристаллической решетке металлов, поэтому при формировании твердых растворов внедрения решетка также нарушается и в ней возникают напряжения. При этом концентрация таких растворов не может быть высокой: она редко превышает 1 – 2 % (рис. 1.20).

Рис. 1.20 - Искажения кристаллической решетки при образовании твердого раствора замещения (В) и внедрения (С) – а, б, в, г, - предпочтительные расположения растворенных катионов вблизи ядра дислокации

Независимо от типа твердого раствора общим для них является то, что они однофазны и существуют в определенном интервале концентраций. Для данных твердых растворов характерен металлический тип связи.

Твердые растворы вычитания (их иногда называют растворами с дефектной решеткой) образуются на основе некоторых химических соединений, когда к нему добавляется один из входящих в его состав компонентов (растворимый). Его атомы занимают нормальные положения в решетке соединения, а места, где должны были бы располагаться частицы второго составляющего, оказываются незаполненными пустотами. Такие растворы формируются, например, при сплавлении карбида титана TiCcTi, при окислении железа, когда кислород растворяется в оксиде железа(II) –FeO.

Третьей формой взаимодействия между составляющими в сплавах является образование химических соединений. Они имеют ряд особенностей: соотношение чисел ядер элементов в них строго определенное и соответствует стехиометрическому составу, описывающему формулой А_nB_m; они обладают кристаллической решеткой с упорядоченным расположением в ней ядерных остовов компонентов; свойства их заметно отличаются от таковых исходных элементов; они имеют постоянную температуру плавления.