Строение сплавов

Чистые металлы обладают комплексом строго определенных свойств, обусловленных собственной природой, что ограничивает их применение в технике. Наиболее широко используются сплавы металлов с различными элементами как металлическими, так и неметаллическими в соответствующих количественных соотношениях. Это позволяет получать определенные характеристики строения сплава и управлять его свойствами согласно требованиям к изготовляемым деталям.

Компонентами сплава называют все элементы, входящие в его состав. В зависимости от числа компонентов различают двойные, тройные и сложные сплавы.

Фазойсплава является его область, имеющая однородное строение, определенные свойства и отделенная от других областей поверхностью раздела. Сплавы могут быть однофазными, двухфазными, трехфазными и многофазными.

В жидком состоянии сплавы имеют однофазное строение в виде атомарной смеси их компонентов. При затвердевании компоненты сплава вступают во взаимодействие друг с другом, характер которого обусловливает получение определенного фазового состава. В зависимости от свойств компонентов и вида их взаимодействия в твердом сплаве могут возникать фазовые состояния трех основных типов.

1. Твердые растворы с кристаллической решеткой одного из компонентов (растворителя), в котором за счет диффузии распределены атомы других компонентов (растворяемых).

2. Химические соединения с новой кристаллической решеткой, в которой атомы компонентов химически связаны в соответствующем количественном отношении, располагаясь в определенных местах решетки.

3. Механические смеси зерен компонентов сплава или образовавшихся фаз, которые не могут взаимно диффундировать либо химически взаимодействовать.

Твердые растворы образуются при наличии растворимости компонентов сплава, которая обусловлена однотипностью их кристаллических решеток и разностью периодов не более 15%. Растворителем при этом служит тот компонент, чья решетка сохраняется в сплаве, если же решетки компонентов одинаковы, то растворителем будет компонент с концентрацией в сплаве более 50%.

Твердый раствор любого числа компонентов является однофазной структурой и в этом смысле он аналогичен жидкому раствору. С повышением температуры скорость диффузии атомов растворяемого компонента и его растворимость повышаются, что уменьшает также неравномерность концентрации компонентов в сплаве. При структурно-фазовых исследованиях компоненты сплава обозначают буквами А, В, С и т.д., твердые растворы – a, b, g, d и т.д.

С учетом расположения атомов компонентов в кристаллической решетке различают твердые растворы замещения, внедрения и вычитания.

Твердые растворы замещения образуются как результат частичного вытеснения атомами растворяемого компонента атомов растворителя с их узловых положений. При этом атомы решетки растворителя переходят на места вакансий либо вытесняются в междоузлия, в итоге создается кристаллическая решетка с распределением атомов растворяемого в решетке растворителя.

Ограниченная растворимость, характеризуемая предельно возможным количественным соотношением компонентов в сплаве, обусловлена величиной разности их периодов от 8 до 15%.

Неограниченная растворимость подразумевает распределение в кристаллической решетке сплава атомов компонентов при любом их соотношении, если разность периодов меньше 8%. Так, Fe_a создает неограниченный ряд твердых растворов с Cr, F_g – c Ni.

Во многих неограниченных твердых растворах при охлаждении до предельных температур атомы компонентов занимают правильно чередующиеся, упорядоченные положения, что приводит к изменению механических и физических свойств структуры.

Твердые растворы внедрения возникают, когда атомы растворяемого компонента размещаются в междоузлиях (порах) решетки растворителя. Для этого необходимо, чтобы радиус атома растворяемого был значительно меньше атома растворителя и соответствовал размеру поры. Этому условию в металлических сплавах удовлетворяет содержание в них некоторых элементов I и II периодов периодической системы, имеющих очень малые радиусы: H, N, C, B. Твердые растворы внедрения всегда являются ограниченными. Например, в основе технических сплавов железа лежат твердый раствор С в Fe_a с решеткой ОЦК и предельной растворимостью 0,02%, а также твердый раствор С в Fe_g с решеткой ГЦК и максимальной растворимостью 2,14%.

При содержании в сплаве более двух компонентов возможно образование раствора замещения с одним растворяемым и раствора внедрения с другим растворяемым.

Твердые растворы вычитания иногда создаются при наличии в качестве растворителя химического соединения компонентов сплава, в кристаллической решетке которого недостает атомов растворяемого элемента. Из-за этого некоторые узлы кристаллической решетки оказываются незанятыми, т.е. возникают «дырки» кристаллической решетки.

Все твердые растворы на основе металлов обладают более высокой твердостью и прочностью, чем чистые металлы, при сохранении хорошей пластичности. Поэтому твердые растворы составляют основу большинства конструкционных сплавов.

Химические соединения в сплавах создаются в случаях, когда компоненты имеют значительные различия строения атомов и кристаллических решеток. При их химическом взаимодействии возникает новая кристаллическая решетка, которая может иметь определенное (стехиометрическое) соотношение чисел атомов компонентов и упорядоченное их расположение, поэтому такие соединения считаются промежуточными фазами.

В зависимости от вида компонентов и химической связи между ними в сплавах различают соединения металлов с металлоидами и металлов с металлами.

Металлы с металлоидами могут создавать межатомные связи ионного типа (оксиды), ионно-ковалентного типа (сульфиды, фосфиды), металлического типа в виде соединений с C, N, B, H (карбиды, нитриды, бориды, гидриды).

Оксиды простого строения вида MeO имеют кристаллическую структуру с частично заполненными металлическими узлами, поэтому обладают полупроводниковыми свойствами. Двойные оксиды вида MeOּFe₂O₃ содержат в кислородных междоузлиях решетки ионы металла. Это придает им высокое электросопротивление и определенные магнитные свойства, что позволяет создавать на их основе высокочастотные магнитомягкие материалы – ферриты.

Сульфиды и фосфиды образуются при соединении металлов I…III групп с металлоидами V, VI групп подгруппы В периодической системы, например, ZnS, AlP и обладают полупроводниковыми свойствами.

Карбиды, нитриды, бориды, гидриды приобретают кристаллическую структуру в зависимости от соотношения атомных радиусов металлоида и металла. Если указанное соотношение меньше, чем 0,59, то атомы металлоида могут внедряться между атомами металла, которые при этом образуют простую плотноупакованную решетку ГЦК или ГПУ, и получившиеся соединения называются фазами внедрения. В случае соотношения атомных радиусов больше 0,59 образуются более сложные кристаллические структуры с большим числом атомов в элементарной ячейке.

Фазы внедрения представляют карбиды TiC, WC, MoC, VC, нитриды данных металлов, а также Fe и Сr. Они могут иметь переменный состав, отличающийся от стехиометрического меньшим числом атомов в междоузлиях, и характеризуются высокими значениями электропроводности, твердости и тугоплавкости. Поэтому наличие таких карбидов и нитридов предусмотрено в структуре коррозионностойких, жаростойких, износостойких конструкционных сталей, а также инструментальных сталей и твердых сплавов.

Фазы со сложной кристаллической структурой включают карбиды Fe₃C (цементит), MnC, Cr₇C₃. Они имеют повышенные показатели твердости, хрупкости, тугоплавкости, что позволяет использовать их при создании структуры и соответствующих свойств конструкционных, инструментальных сталей и сплавов.

Металлы с металлами могут соединяться, образуя металлическую межатомную связь, при этом возникают фазы электронного типа, фазы Лавеса, s-фазы и др.

Электронные фазы создаются при взаимодействии одновалентных металлов I группы, либо переходных металлов с металлами II…V групп периодической системы. В них образуются определенные значения электронной концентрации – числа валентных электронов, приходящихся на один атом.

При электронной концентрации, равной 1,5, возникает кристаллическая решетка ОЦК, обозначаемая b-фаза и соответствующая соединениям типа CuZn, Cu₃Al, Cu₅Sn и др. При пониженных температурах эта b-фаза упорядочивается либо распадается на двухфазные смеси, чем обеспечивается упрочнение латуней и бронз.

Если электронная концентрация составляет 1,62, то соединения образуют g-фазу со сложной кристаллической решеткой (Cu₅Zn₈, Co₅Zn₂₁), упорядоченным расположением атомов и повышенной хрупкостью.

Когда электронная концентрация равна 1,75, в соединениях возникает e-фаза с решеткой ГПУ (CuZn₃, Cu₃Sn) и неупорядоченным строением, что приближает их свойства к твердым растворам.

Фазы Лавеса образуются, если соотношение атомных радиусов взаимодействующих металлов из различных групп периодической системы составляет 1,2. В этих условиях создаются упорядоченные сложные плотноупакованные решетки типа ГЦК либо ГПУ, придающие фазам постоянный состав, диамагнитные свойства, а также повышенную прочность. Это используется при взаимодействии переходных металлов и создании фаз Лавеса NbFe₂, MoFe₂, TiFe₂, TiCr₂ в жаропрочных сплавах.

s-фазы в сплавах переходных металлов, имеющих близкие атомные размеры, возникают с частично упорядоченной сложной кристаллической решеткой. Например, в коррозионностойких хромистых сталях при их медленном охлаждении из области существования твердого раствора или изотермической выдержке выделяются кристаллы s-фазы, вызывающие повышение твердости и хрупкости.

Механические смеси возникают в условиях, когда физико-химические свойства компонентов сплава или выделившихся в нем фаз не позволяют им образовать твердый раствор либо вступить в химическое взаимодействие. В этом случае структура сплава может представлять чередующиеся зерна выделившихся фаз пластинчатой, игольчатой или сфероидальной формы и называется эвтектикой либо эвтектоидом.

Эвтектика образуется при кристаллизации сплава из жидкого состояния с получением указанной структуры. Так, кристаллизация сплавов Fe – C с концентрацией углерода более 2,14% приводит к появлению частиц твердого раствора С в Fe_g и переходной фазы Fe₃C, создающих эвтектическую смесь двух указанных фаз с повышенной твердостью и хрупкостью.

Эвтектоид возникает при наличии у компонентов сплава полиморфизма с образованием подобных фаз в ходе полиморфных превращений компонентов в твердом состоянии. Например, у сплавов Fe–C, содержащих менее 2,14% углерода, при охлаждении твердого раствора С в Fe_g происходит распад раствора с образованием эвтектоидной смеси частиц твердого раствора С в Fe_a и переходной фазы Fe₃C. Такой эвтектоид приобретает сочетание пластичности и прочности.

Дата добавления: 2014-10-31