1.4. Фазовый состав сплавов

Термин «сплав» в настоящее время имеет более широкое значение, чем во время его появления. Если раньше промышленные материалы, со­держащие несколько элементов, получали преимущественно путем спла­вления, то сейчас для этого используют различные технологические спо­собы: порошковую металлургию (прессование твердых частиц и их по­следующее спекание при высоких температурах), диффузионный метод (проникновение одного вещества в другое твердое вещество при высоких температурах), плазменное напыление, кристаллизацию из паров в ваку­уме, электролиз и т.д. Преимущественное использование в промышленно­сти находят сплавы металлов с металлами или неметаллами. В сплавах элементы могут по-разному взаимодействовать между собой, образуя раз­личные по химическому составу, типу связи и строению кристаллические фазы. Фазой называется однородная, отделенная поверхностью раздела часть металла или сплава, имеющая одинаковые состав, строение и свой­ства. В зависимости от атомно-кристаллической структуры различают твердые растворы и промежуточные фазы. Твердыми растворами назы­ваются кристаллы, в которых сохраняется тип кристаллической решет­ки элемента-растворителя. В промежуточных фазах образуется новый тип кристаллической решетки, отличающийся от решеток элементов, его образующих.

Таким образом, помимо классификации кристаллов по видам связи используют классификацию по типам кристаллической решетки, которая позволяет прогнозировать характер изменения свойств сплава в зависи­мости от химического состава.

1.4.1. Твердые растворы

Твердые растворы являются кристаллическими фазами переменно­го состава. Атомы растворенного элемента В размещаются в кристал­лической решетке растворителя — элемента А, замещая атомы в узлах решетки или внедряясь между узлами. В первом случае кристаллы назы­вают твердыми растворами замещения, во втором — твердыми раство­рами внедрения. Количество замещенных атомов, так же как и количество внедренных, может изменяться в широких пределах, что и приводит к переменной растворимости твердых растворов.

Твердые растворы обозначаются буквами греческого алфавита: альфа, бетта, гамма и т.д. или А(В), где А — растворитель, В — растворенный элемент.

Твердые растворы замещения. Замещение атомов растворителя А атомами растворенного элемента В возможно, если атомные радиусы от­личаются не более, чем на 15 %. Это условие называют размерный фак­тор. В твердых растворах атомы растворенного вещества, как правило, распределяются в решетке растворителя статистически. Вокруг атома растворенного вещества возникают местные искажения пространствен­ной решетки, которые приводят к изменению свойств и среднего перио­да решетки. Растворение элементов с меньшим атомным радиусом, чем атомный радиус растворителя, вызывает уменьшение среднего периода решетки, а с большим — его увеличение.

Образование твердых растворов всегда сопровождается увеличением электрического сопротивления и уменьшением температурного коэффи­циента электрического сопротивления; твердые растворы обычно мене-епластичны (исключение составляют твердые растворы на основе меди) и всегда более твердые и прочные, чем чистые металлы.

Растворимость элементов в твердом состоянии уменьшается при уве­личении различия в атомных радиусах сплавленных элементов и их ва­лентности.

При образовании твердых растворов замещения возможна и неогра­ниченная растворимость элементов в твердом состоянии, т.е. когда при любом количественном соотношении сплавляемых элементов все разно­родные атомы размещаются в узлах общей пространственной решетки.

Неограниченная растворимость наблюдается при соблюдении размер­ного фактора и если элементы имеют одинаковый тип кристаллической ре­шетки. Неограниченная растворимость в твердом состоянии наблюдается в сплавах Cu-Au, Cu-Ni, Ge-Si. В полиморфных металлах встречается неограниченная растворимость в пределах одной модификации простран­ственной решетки. Например, Fe(альфа) дает неограниченный ряд твердых рас­творов с хромом (ОЦК решетки), a Fe(гамма) — неограниченный ряд твердых растворов с никелем (ГЦК решетки).

Многие твердые растворы замещения при относительно невысоких температурах способны находиться в упорядоченном состоянии, т.е. вме­сто статистического распределения разносортных атомов в узлах про­странственной решетки атомы одного и другого металла размещаются в совершенно определенном порядке. Такие твердые растворы называются упорядоченными¹.

Переход из неупорядоченного в упорядоченное состояние происходит при определенной температуре или в определенном интервале темпера­тур. Температура, при которой твердый раствор полностью разупорядо-чивается, называется точкой Курнакова и обозначается (тетта)К. Упорядочение происходит обычно только при медленном охлаждении твердого раствора из температурной области выше (тетта)К.

Упорядоченные твердые растворы встречаются в системах с значи­тельной или неограниченной растворимостью в твердом состоянии; при этом полная упорядоченность возникает при концентрациях твердого рас­твора, соответствующих простым атомным соотношениям компонентов типа АВ или АВ3 Частичная упорядоченность наблюдается при соста­вах, близких к указанным. Расположение атомов в упорядоченных твер­дых растворах двух сплавов меди с золотом, составов, соответствующих концентрациям АиСиз и AuCu.

Возникновение и исчезновение порядка в расположении атомов твер­дых растворов сопровождается изменением свойств. При упорядочении возрастают электропроводность, температурный коэффициент электри­ческого сопротивления, твердость и прочность; снижается пластичность сплава. У ферромагнитных сплавов изменяются магнитные свойства: на­пример, у пермаллоев (магнитные сплавы железа с никелем) при упорядо­чении в несколько раз уменьшается магнитная проницаемость. Некоторые сплавы в неупорядоченном состоянии парамагнитны, а после упорядоче­ния становятся ферромагнитными, например сплавы Гейслера (Mn-Cu-А1).

Твердые растворы внедрения. Такие твердые растворы возникают при сплавлении переходных металлов с неметаллами, имеющими малый атомный радиус — водородом, азотом, углеродом, бором.

Основным условием, определяющим возможность растворения путем внедрения, является размерный фактор. Размер межузельного атома дол­жен быть несколько больше размера поры.

Твердые растворы внедрения всегда имеют ограниченную раствори­мость и встречаются преимущественно тогда, когда растворитель имеет ГП или ГЦК решетки, в которых имеются поры с радиусом 0,41R, где R — радиус атома растворителя. В ОЦК решетке растворимость путем внедрения мала, так как размер пор не превосходит 0,29R.

Примером твердых растворов внедрения, имеющих промышленное значение, являются твердые растворы углерода в Fe(гамма) и Fe(альфа). Так, Fe(гамма) с ГЦК решеткой растворяет до 2,14 % (мас.) углерода, a Fe(альфа) с ОЦК ре­шеткой почти совсем его не растворяет (максимальная растворимость со­ставляет около 0,02 % (мас.)).

Искажения решетки при образовании твердых растворов внедрения больше, чем при образовании твердых растворов замещения, поэтому у них более резко изменяются и свойства. По мере увеличения концентра­ции растворенного элемента в твердом растворе заметно возрастают элек­трическое сопротивление, твердость и прочность, но и значительно пони­жаются пластичность и вязкость.

В сплавах, содержащих более двух элементов, возможно растворение в одном и том же растворителе и путем замещения, и путем внедрения. Так, при сплавлении железа с марганцем и углеродом получится твердый раствор, в котором марганец растворяется путем замещения, а углерод — путем внедрения.

В заключение следует подчеркнуть, что твердые растворы — это кристаллы, наиболее близкие по свойствам к растворителю, так как со­храняют его кристаллическую решетку и тип связи. В частности, твер­дые растворы на основе металлов отличаются высокой технологической пластичностью: хорошо деформируются в горячем, а многие и в холодном состоянии.

Твердые растворы составляют основу большинства промышленных конструкционных сплавов и сплавов специального назначения.