§ 2. Фазы в металлических сплавах.

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

В жидком состоянии большинство металлов неограниченно растворяются друг в друге, образуя однофазный жидкий раствор.Не растворяются взаимно в жидком состоянии металлы с большой разницей в объёмах атомов и температурах плавления: напр. железо со свинцом, медь со свинцом, которые образуют два несмешивающихся жидких слоя.

При кристаллизации могут образовываться твёрдые растворы.

Твёрдыми растворами наз. фазы, в которых сохраняется решётка одного компонента – растворителя, а атомы другого располагаются в ней, изменяя её размеры.

Таким образом, твёрдый раствор, состоящий из двух или более компонентов, имеет один тип решётки и представляет собой одну фазу.

Твёрдые растворы являются кристаллическими фазами переменного состава. Атомы растворённого элемента В размещаются в кристаллической решётке растворителя – элемента А, либо замещая атомы в узлах решётки, либо внедряясь в междоузлие. В первом случае кристаллы наз. твёрдыми растворами замещения,во втором -твёрдыми растворами внедрения.

Количество замещённых атомов, также как и количество внедрённых, может изменяться в широких пределах, что приводит к переменной растворимости твёрдых растворов.

Растворимость может быть неограниченнойдля твёрдых растворов замещения иограниченной– для тех и других. Твёрдые растворы обозначаются буквами,,и т.д. или А(В) – где А – растворитель, В – растворенный элемент.

Твёрдые растворы замещения.

При образовании твёрдого раствора замещения,атомы растворённого компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решётке.

Вокруг атома растворённого компонента возни-кают местные искажения кристаллической решётки, что приводит к изменению свойств.

Образование твёрдых растворов всегда сопровож-дается увеличением твёрдости и прочности, уме-ньшением пластичности, увеличением электросопро-тивления по сравнению с чистыми металлами.

При образовании твёрдых растворов замещения возможна и неограниченная растворимость элементов в твёрдом состоянии.

Для этого должны соблюдаться следующие условия:

1. компоненты должны обладать одинаковыми по типу кристаллическими решётками;

2. различие в атомных размерах компонентов не должно превышать 8 – 15%:

3. компоненты должны принадлежать одной и той же группе периодической системы или к смежным родственным группам.

Неограниченная растворимость в твёрдом состоянии наблюдается в сплавах меди с никелем, меди с золотом, Fecхромом,Feс никелем

Многие твёрдые растворы замещения при относительно невысоких температурах способны находиться в упорядоченном состоянии, т. е. когда атомы одного и другого металла размещаются в совершенно определённом порядке. Такие твёрдые растворы наз.упорядоченнымиилисверхструктурой.

Переход в упорядоченное состояние происходит при определённой температуре или в интервале температур.

При упорядочении возрастает электропро-водность, твёрдость, прочность, снижается плас-тичность сплава, изменяются магнитные свойства.

Упорядоченные твёрдые растворы можно рассматривать,как промежуточные фазымежду твёрдыми растворами и химическими соединениями.

Твёрдые растворы внедрения.

При образовании твёрдого раствора внедрения атомы растворённого компонента располагаются в междоузлиях (порах) кристаллической решётки растворителя. Такие твёрдые растворы образуют металлы с неметаллами.

Основным условием, определяющим возможность растворения путём внедрения, является размерный фактор. Размермежузельного атома должен быть равным или несколько больше размера поры (междоузлия).

Твёрдые растворы внедрения всегда имеют ограниченную растворимость и встречаются преимущественно тогда, когда растворитель имеет решётки ГПУ или ГЦК.

Примером твёрдых растворов внедрения, имеющих промышленное значение, являются твердые растворы углерода в Fe. Искажение решётки, которое появляется при образовании твёрдых растворов внедрения, превышают те, которые возникают при образовании твёрдых растворов замещения, в связи с чемболее резкоизменяются исвойства. По мере увеличения концентрации растворённого элемента в твёрдом растворе заметно возрастает электросопротивление, коэрцитивная сила, твёрдость и прочность, но заметно понижаются пластичность и вязкость.

Таким образом, твёрдые растворы – это кристаллы, наиболее близкие по свойствам к растворителю, т. к. сохраняют его кристаллическую решётку и тип связи. Твёрдые растворы на основе металлов отличаются хорошей технологической пластичностью: хорошо деформируются в горячем состоянии, а многие и в холодном. Они составляют основу большинства промышленных конструкционных сплавов и сплавов специального назначения.

Химические соединения.

При переходе в твёрдое состояние разнородные атомы могут соединяться в определённой пропорции, образуя новые вещества –химические соединения.

Характерные особенностихимических соединений следующие:

1. Кристаллическая решётка отличается от решёток компонентов, образующих соединение. Атомы в решётке химического соединения расположены упорядоченно, т. е. атомы каждого компонента расположены закономерно и по определённым узлам решётки. Большинство хим. соединений имеют сложную кристаллическую решетку.

2. В соединении всегда сохраняется простое кратное соотношение компонентов. Это позволяет выразить их состав простой формулой AnBm, где А и В - компоненты сплава, аnиm– простые числа.

3. Свойства хим. соединений резко отличаются от свойств образующих его компонентов.

4. Температура плавления постоянная.

5. Образование хим. соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.

В отличие от твёрдых растворов хим. соединение обычно образуется между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решёток.

Соединения одних металлов с другиминосят названиеинтерметал­лических соединенийилиинтерметаллидов.

Соединения металлов с неметаллами, которые могут обладать метал­лической связью , нередко также наз. металлическими соединениями.

Металлические свойства у хим. соединений выражены слабее, чем у чистых металлов и твёрдых растворов. Хим. соединения имеют повышенную твёрдость и пониженную пластичность.

Характерное отличиехим. соединения металлов от твёрдого раствора заключается в том, что твёрдый раствор имеет кристаллическую решётку ме­талла растворителя, а хим. соединение – свою особую кристаллическую ре­шётку.