20 Фазы в сплавах

Металлическим сплавом называется вещество, состоящее из двух или более элементов (металлов или металлов с металлоидами), обладающее металлическими свойствами. Способы приготовления сплавов: сплавление, реже спекание, электролиз или возгонка. Сплав считается металлическим, если его основу (свыше 50 мас. %) составляют металлические компоненты. Металлические сплавы обладаютболее высокими прочностными и другими механическими свойствами по сравнению с чистыми металлами. По этой причине они получили широкое применение в качестве конструкционных материалов.

При сплавлении нескольких веществ образуются новые фазы. Химические соединенияобразуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток. Существуют устойчивые и неустойчивые химические соединения. Устойчивое химическое соединение характеризуется строго определенной температурой плавления, а у неустойчивое плавится в интервале температур. Различают химические соединения с нормальной валентностью, электронные соединения и фазы внедрения.

Характерные особенности химических соединений:

1 – кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов, образующих соединение; обычно сложная кристаллическая решетка;

2 – в соединении всегда сохраняется простое кратное весовое соотношение элементов, А_nВ_mгдеnиmпростые числа;

3 – свойства соединения резко отличаются от свойств образующих его компонентов;

4 – температура плавления (диссоциации) постоянная;

5 – образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.

Соединения одних металлов с другими называются интерметаллидами (NiAl,Ni₃Al). Химическая связь между атомами в интерметаллидах обычно металлическая.Электронные соединенияне подчиняются правилу валентности, но имеют определенную электронную концентрацию. Например:- фаза СuZnс электронной концентрацией 3/2,-фазаCu₅Zn₈cэлектронной концентрацией 21/13 и- фазаCuZn₃с электронной концентрацией 7/4. Электронные соединения имеют также свою кристаллическую решетку, но в отличие от химических соединений с нормальной валентностью, имеют переменный состав.

Фазы внедрения– на основе химических соединений, фазы переменного состава. Образуют переходные металлыFe,Mn,Cr,Moс элементами, имеющими малый атомный радиус (углеродом, азотом, бором, водородом). При образовании фазы внедрения меняется решетка растворителя. Пример фаз внедрения:TiC,Fe₄N,W₂C.

Фазы Лавесаимеют общую формулу АВ₂, образуются между компонентами с соотношением атомных диаметров 1,2 (1,1 – 1,6). Имеют гексагональную или гранецентрированную кубическую решетки. Пример:CaAl₂,AgBe₂,TiCr₂.

-фазы– образуют соединения переходных металлов , содержит примерно 50% каждого из образующих элементов. Обладает повышенной твердостью и хрупкостью, нежелательна в сплавах. Пример:FeCr,VMn,CoCr,FeMo.

Основу любого сплава составляют твёрдые растворы. Твердыми растворами называют фазы переменного состава, в которых один из компонентов сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого располагаются в решетке первого, изменяя ее размеры. Твердые растворы замещенияобразуются путем замены атомов растворителя атомами растворенного компонента (рис. 27).

Рисунок 27 - Кристаллические решетки твердого раствора замещения при неограниченной растворимости компонентов

В зависимости от соотношения атомных радиусов растворяемого элемента и растворителя параметр решетки при образовании твердого раствора замещения может уменьшаться или увеличиваться. Твердые растворы замещения могут быть упорядоченными – атомы растворенного элемента занимают строго определенные узлы кристаллической решетки растворителя.

Твердые растворы внедренияобразуются путем размещения атомов растворенного компонента в свободных промежутках между атомами решетки растворителя. Пример – твердый раствор углерода, азота, водорода и бора в- или-железе, когда растворяются элементы с малыми атомными радиусами с недостроенными внутренними электронными оболочками. Твердые растворы внедрения всегда имеют ограниченную растворимость, параметр кристаллической решетки увеличивается при образовании такого раствора (рис. 28).

Рисунок 28 – Кристаллическая решётка твердого раствора внедрения

Твердые растворы вычитания(растворы с дефектной решеткой) образуются когда при добавлении растворяемого компонента узлы решетки, где должны быть атомы растворяемого компонента заполнены, а где атомы растворителя – свободны. Такие растворы образуются только на базе химических соединений. При образовании такого раствора происходит уменьшение параметра решетки.

В отличие от химических соединений при образовании твердых растворов:

1 – сохраняется тип кристаллической решетки растворяемого компонента;

2 – состав переменный;

3 – плавление происходит в интервале температур.

4 – для образования твердого раствора не требуется тепловой расход.

Общее с химическими соединениями – свойства образующих компонент меняются, но в значительно меньшей степени.

Твердые растворы замещения с неограниченной растворимостью могу образовываться при соблюдении следующих условий:

1 – Кристаллические решетки компонентов должны быть одинаковы.

2 - Различие в атомных размерах компонентов должно быть незначительным и не превышать 8-15% (9 % для сплавов на основе железа).

3 – 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 атомах. Если не выполняется хотя бы одно из этих условий, растворимость ограничена.

Примеры твердых растворов с неограниченной растворимостью: Ni-Cu,Ag-Au,Fe-Co,Fe-Crи др.

Если элементы, входящие в состав сплава, не растворяются друг в друге в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения, то при этих условиях из атомов каждого элемента образуется отдельная кристаллическая решетка, и кристаллы (зерна) элементов, входящие в сплав, образуют механическую смесь. При образовании механической смеси каждый элемент кристаллизуется самостоятельно, и свойства сплава получаются средними между свойствами элементов, которые его образуют.

Механические смеси образуются также в случаях, когда элементы обладают ограниченной растворимостью, а также когда они образуют химическое соединение. Если в сплаве количество элементов превышает их предельную растворимость, то возникает механическая смесь двух насыщенных твердых растворов. При наличии химического соединения образуется механическая смесь из зерен твердого раствора и химического соединения.

Химический состав сплава определяет его фазовый состав, свойства, режим термообработки. Обычно химический сталей и сплавов указывается в мас. %. Например: сталь 45ХН имеет следующий химический состав: 0.41-0.49 углерода, 0,17 - 0,37 кремния, 0,45 - 0,8 хрома, 1 - 1,4 никеля, фосфора не более 0,035, серы не более 0,035, меди не более 0,3.

Фазой называется однородная по химическому составу и кристаллическому строению часть системы, отделенная от других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачком. Однородная жидкость является однофазной системой, а механическая смесь двух видов кристаллов – двухфазной.