2). Совершенно правильно.

3). Ошибаетесь. При наклепе изменяются как прочностные показатели (_т, _B, НВ), так и показатели пластичности (, ).

№ 25.

1). Неправильно. Рекристаллизация начинается с изменения микроструктуры наклепанного металла, чего при 550°С нет.

2). Правильно.

№ 26.

1). Решение неправильное, см. рис. 53. Разве при 550°С восстанавливается пластичность железа?

2). Неправильно. Получится очень грубокристаллическая структура.

3). Правильно.

№ 27.

1. Ошибаетесь. Тип решетки при рекристаллизации не изменяется.

2. Правильно. В этом основное сходство этих процессов.

№ 28.

1). Правильно. Это горячая обработка.

2). Ошибаетесь. Подсчитайте T_рек  0,4 T_пл.

№ 29.

1). Правильно, но ответ не отражает существа дела.

2). Правильно, но этот ответ не показывает, что происходит с дислокациями при повышенных температурах.

3). Правильно. В этих условиях мало дислокаций одного знака и при образовании стенок образуются малоугловые границы (полигоны).

№ 30.

1). Это дает очень незначительный вклад в изменение свойств металла, что имеет место при отдыхе.

2). Ответ по существу ничего не говорящий. Ведь при наклепе металла тоже образовалась «новая» структура (сравните рис. 50, а и г), но совершенно с противоположным влиянием на свойства.

3. Правильно. Плотность дислокации в пределах зерен независимо от механизма рекристаллизации резко падает, что ведет к понижению предела текучести и к росту пластичности.

Глава VI. Строение и свойства сплавов

1. Металлические сплавы

Сплавы обладают более разнообразным комплексом свойств, изменяющихся в более широких пределах в зависимости от состава, чем чистые металлы. Механические свойства многих сплавов можно существенно изменять термической и другими видами обработки.

Металлическим сплавом называется вещество, полученное из двух или более металлических элементов путём сплавления, спекания, электролиза или другими способами. Вещества, из которых образован сплав, называются компонентами сплава. Компонентами сплавов могут быть как чистые элементы, так и устойчивые химические соединения. При кристаллизации сплавов могут образоваться следующие основные твердые фазы (Материал о фазах, компонентах, а также правило фаз – глава II нужно обязательно повторить):

• твердые растворы;

• химические соединения;

• механические смеси из сплавляемых компонентов.

Характеристика основных фаз в сплавах

А. Твердые растворы. Твердые растворы являются наиболее распространенной фазой в металлических сплавах. Характерной особенностью строения кристаллов твердых растворов является наличие в их кристаллической решетке разнородных атомов, при сохранении типа кристаллической решетки растворителя. По характеру распределения атомов растворенного вещества в кристаллической решетке растворителя различают три типа твердых растворов: твердые растворы замещения, внедрения и вычитания.

Твердые растворы замещения. На рис. 57а представлена схема кристаллической решетки основного металла (растворителя). На схеме (рис. 57б) часть атомов растворителя замещена атомами растворенного вещества, что соответствует строению кристаллической решетки твердого раствора замещения.

Твердые растворы замещения могут быть с ограниченной и неограниченной растворимостью.

В твердых растворах с ограниченной растворимостью возможна концентрация растворенного вещества до определенного предела. При дальнейшем повышении концентрации твердый раствор распадается, и образуются двухфазные смеси.

В твердых растворах с неограниченной растворимостью возможна любая концентрация (от 0% до 100%) растворенного вещества.

Изменение растворимости компонентов в твердом растворе с изменением температуры можно объяснить на основе законов термодинамики, а также зонной теории кристаллических тел.

Для образования твердых растворов с неограниченной растворимостью в соответствии с исследованиями (Юм-Розери) необходимы:

1. изоморфность (однотипность) кристаллических решеток сплавляемых компонентов;

2. близость атомных радиусов компонентов, которые не должны отличаться больше чем на 8 ÷ 13%;

3. близость физико-химических свойств компонентов. Указанные условия не является достаточными. В реальных сплавах наблюдаются твердые растворы с ограниченной растворимостью.

№ 63. В каких группах периодической системы располагаются элементы, которые при их сплавлении могут образовать неограниченные твердые растворы? Ответ (см. на с. 61): 1) в отдаленных; 2) в одной или соседних; 3) не имеет значения.

2. Твердые растворы внедрения. В этом случае атомы растворенного вещества располагаются в порах кристаллической решетки растворителя (рис. 57в). Это возможно при условии, что атомы растворенного вещества достаточно малы. Такими атомами являются атомы водорода, углерода, азота и, по-видимому, бора, которые с переходными металлами образуют такой тип твердых растворов.

3. Твердые растворы вычитания (рис. 57д), образуются на базе кристаллических решеток некоторых химических соединений, например, карбидов ванадия, титана. В кристаллической решетке химического соединения образуются свободные узлы на месте атомов углерода.

Концентрация сплава определяет в среднем относительное количество разнородных атомов в кристаллической решетке твердого раствора. Локальные отклонения концентрации называются флуктуациями концентраций и имеют большое значение в процессах фазовых превращений.

На расположение растворенных атомов в кристаллической решетке растворителя оказывают влияние взаимодействие упругих полей напряжений дислокаций и примесных атомов. Атомы элемента, растворенного по способу внедрения, притягиваются к области растяжения под краем экстраплоскости краевой дислокации. Там же преимущественно располагаются атомы, растворенные по способу замещения, если размеры этих атомов больше размеров атомов основного металла. Если растворенные атомы имеют размеры меньше размеров атомов растворителя, то они притягиваются к области гидростатического сжатия дислокации и располагаются над краем экстраплоскости. Энергия связи с краевой дислокацией внедренных атомов примерно 0,2 ÷ 0,5 эВ, а для атомов замещения эта энергия - 0,05 ÷ 0,1 эВ. Цепочки инородных атомов вдоль края экстраплоскости называются атмосферой Котрелла. С повышением температуры эти атмосферы рассасываются диффузией. Установлены и другие виды размещения растворенных атомов как около краевых, так и винтовых дислокаций (атмосферы Сузуки), вмещающие большее количество растворенных атомов, чем атмосферы Котрелла.

Образующиеся атмосферы блокируют дислокации и затрудняют их движение. При нормальных условиях дислокации могут отрываться от атмосфер (рис. 58), для чего требуется более высокие напряжения, чем при движении дислокации без атмосфер. Этим можно объяснить упрочнение сплавов при образовании твердых растворов.

Напряжение , необходимое для отрыва дислокации от облака примесных атомов, по расчетам Котрелля и Билби

где А - коэффициент,  - расстояние атома примеси от дислокаци­онной линии, b — вектор Бюргера. Для твердого раствора углерода в Fe_м получим дн/см² (100 кГ/мм²), учтя, что см, см идн/см².

В таблице 3 приведены некоторые данные о степени уп­рочнения (в долях модуля сдвигаG) от концентраций различных точечных дефектов в кристаллах.

Таблица 3.

Материал	Дефекты
Al	Атомы замещения	1/10
Сu	То же	1/20
Fe	То же	1/16
Fe	Атомы внедрения углерода	3
Nb	Атомы внедрения азота	2
Al (закал.)	Вакансионные диски	2

Б. Химические соединения. Характерной особенностью химических соединений (рис. 57г) является:

1. постоянство состава, которое может быть выражено формулой химического соединения;

2. наличие нового типа кристаллической решетки, отличного от типа решеток оплавляемых компонентов;

3. ярко выраженные индивидуальные свойства;

4. постоянство температуры кристаллизации, как и у чистых компонентов.

Химические соединения металлов делятся на две группы.

Первая - соединения с нормальной валентностью, которые дают металлы с типичными неметаллами (О, S, Сl и т.д.). Такими соединениями являются оксиды, сульфиды, хлориды. В сплавах эти соединения присутствуют в виде так называемых неметаллических включений.

Другая группа — металлические соединения. Из этой группы наиболее важными являются фазы внедрения и электронные соединения. Металлические соединения отличаются разнообразием типов межатомных связей (металлической, ковалентной, ионной) с преобладанием металлической связи. Благодаря этому, металлические соединения характеризуются металлическим блеском, электропроводностью, и в отдельных случаях сверхпроводимостью. Металлические соединения при обычных температурах тверды и хрупки, но при нагреве до температур, составляющих 70÷90% от температуры плавления, - очень пластичны. Это объясняют увеличением при нагреве доли металлической связи между атомами.

Металлическими соединениями являются также соединения переходных металлов с углеродом (карбиды), с азотом (нитриды), с водородом (гидриды), с бором (бориды). Такие соединения могут иметь как очень сложную, так и простую решетку типа г.ц.к., г.п.у, реже о.ц.к. Тип решетки определяется величиной отношения атомного радиуса неметалла к атомному радиусу металла. Соединения с простой решеткой называется фазами внедрения. Химическая формула их проста: МеХ, Ме₂Х, МеХ₂, Ме₄Х (Me — металл, X — неметалл), например, Fe₂N, Fe₄N, WC. Фазы внедрения имеют большое практическое значение, обеспечивая упрочнение металлических сплавов.

Электронные соединения (фазы Юм-Розери) типичны для сплавов систем Сu—Zn, Сu—Sn, Сu—Аl и др. Эти соединения отличаются постоянными соотношениями числа валентных электронов к числу атомов, т.е. электронной концентрацией N, равной 3/2, 21/13 и 7/4; например: CuZn ─ N=3/2, CuZn₃ ─ N=7/4, Cu₅Zn₈ ─ N=21/13. При N=3/2 соединения имеют -решетку типа о.ц.к., при N=21/13 - сложную -решетку, а при N=7/4 - гексагональную -решетку. На базе электронных соединений могут образоваться твердые растворы.

К химическим металлическим соединениям относятся также фазы Ловеса, имеющие формулу типа АВ₂, когда отношения атомных радиусов (чаще 1,1÷1,6), напримерMgZn₂ (решетка г.п.у.), MgCu₂ (решетка г.ц к.). К этим фазам относятся соединения ряда переходных металлов (TiCr₂, ZrW₂ и др.).

Фазы со структурой никельарсенида образуются между переходными металлами и простыми металлами (NiAs, FeSn, NiSb и др.).

Промежуточными между твердыми растворами и химическими соединениями являются упорядочение твердые растворы.

Упорядоченными называются твердые растворы, в которых атомы компонентов A и В расположены не стохастически, как в обычных твердых растворах, а упорядочение. Обычно строение (структура) упорядоченного твердого раствора является промежуточной между фазой с совершенным порядком (химические соединения) и фазой с полным беспорядком (твердый раствор). Упорядоченные твердые растворы называются также сверхструктурами. Состав сверхструктур можно выразить химической формулой. Так для сплавов Аu—Сu известны сверхструктуры Cu₃Au и CuAu с составом 1:3 и 1:1 атомов Аu и Сu соответственно. Образование сверхструктур сопровождается резким изменением свойств сплава (растет прочность, снижается пластичность).

№ 64. Сверхструктура возникает при медленном охлаждении обычного твердого раствора. Какой из ответов правильно характеризует энергетические условия её образования, если энтальпии H (энергия взаимодействия) атомов А и В обозначены: для твердого раствора — H_т.p., для сверхструктуры — H_с.с., a S_c.с. и S_T.p. - энтропия сверхструктуры и твердого раствора, соответственно? Ответ (см. на с. 62): для образования сверхструктуры необходимо, чтобы 1) H_т.р.>H_с.с.; 2) H_с.с.>H_т.р; 3) энтропия S_c.c.> S_т.p..

Механические смеси. При сплавлении компонентов с большим различием атомных радиусов и значительным различием электрохимических свойств, их взаимная растворимость очень мала и образуется механическая смесь кристаллов (например, сплавы Рb—Sb, Zn—Sn, Pb—Bi и др.). Между тем следует пом­нить, что абсолютного отсутствия взаимной растворимости в ре­альных сплавах не встречается.