3. Фазы и структура в металлических сплавах

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

3.1. Твердые растворы

        Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (или другого) компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры (периоды). Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу         Различают твердые растворы замещения ( рис. 4.18а) и твердые растворы внедрения ( рис.4.18б).

     

   Рис. 4.18. Кристаллическая решётка твёрдого раствора замещения (а) и внедрения (б).

Твердые растворы замещения с неограниченной растворимостью могут образовываться 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 решетке другого компонента.

• Различие в атомных размерах Δ 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 (Δ R = 0,2 %), Ni - Cu (Δ R = 2,7%), Ni - Rd (Δ R = 10,5% ). ОЦК - решеткой: Mo-W (Δ R = 9,9 %), V - Ti (Δ 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 медленном охлаждении или длительном нагреве при определенных температурах протекает процесс перераспределения атомов, в результате которого атомы компонентов занимают определенные положения в кристаллической решетке. Такие растворы, устойчивые при сравнительно 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 позволяет 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 эффектом.

        В отличии от твердых растворов химические соединения обычно образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических 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 обладать металлической связью, нередко также называют металлическими соединениями.         Фазы внедрения. Переходные металлы (железо, марганец, хром, молибден 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 М₄Х, М₂Х и МХ.         Кристаллическая структура фаз внедрения определяется соотношением атомных радиусов неметалла и металла R_х и R_м. Если R_х / R_м ≤ 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 определенные поры. Фазы внедрения являются фазами переменного состава, карбиды и нитриды, относящиеся 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 растворителя, тогда как фазы внедрения получают кристаллическую решетку, отличную от решетки 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 одновалентными 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 -  - соединение.         Фазы Лавеса. Эти фазы имеют формулу АВ₂ и образуются между компонентами типа А и В при соотношении атомных диаметров D_А/D_В  1,11,6. Фазы Лавеса имеют решетку ГПУ или ГЦК.