Строение сплавов

Лекция 5.

Чистые металлы применяют в качестве конструкционных мате­риалов в ограниченных размерах. Если чистые металлы леги­ровать другими металлами или металлоидами, то получаются сплавы с требуемыми свойствами.

Сплавы обычно состоят из двух или более основных элемен­тов, называемых компонентами. По числу компонентов сплавы делят на двойные, тройные и т. д. Сплавы, получаемые преиму­щественно из металлических элементов и обладающие метал­лическими свойствами (металлический блеск, пластичность, электро- и теплопроводность и др.), называют металлическими

сплавами.

Металлические сплавы имеют также кристаллическое строе­ние. При кристаллизации сплавы могут быть получены в виде механической смеси, твёрдого раствора, химического соединения.

Механическая смесь образуется тогда, когда при кристалли­зации компоненты сплава обладают полной нерастворимостью в твердом состоянии. Металлы, образующие такие сплавы, со­храняют свою кристаллическую решетку. Такое строение имеет сплав свинца с сурьмой. При рассмотрении шлифа этого сплава под микроскопом видны зерна свинца и зерна сурьмы. Механи­ческие смеси образуют металлы, отличающиеся атомными объ­емами и температурой плавления. Например, в сплаве свинец— сурьма температура плавления свинца 327 °С, а сурьмы 631 °С, их кристаллические решетки неоднородные: у свинца г. ц. к., а у сурьмы ромбоэдрическая. Свойства такого сплава, зависят от соотношения количества его компонентов.

Твердый раствор образуется тогда, когда компоненты сплава обладают взаимной растворимостью друг в друге как в жид­ком, так и в твердом состоянии. Твердый раствор — однородное (однофазное) кристаллическое тело, имеющее один тип кри­сталлической решетки, поскольку в решетку основного компо­нента (растворителя) входят атомы растворенного элемента. При этом возможно образование твердых растворов двух ти­пов: 1) твёрдые растворы замещения (рис. 5.1,а); 2) твердые растворы внедрения (рис. 5.1,б). Кроме того, на базе хими­ческого соединения еще различают твердые растворы вычи­тания.

В твердом растворе замещения атомы Б растворенного эле­мента замещают атомы А растворителя в его кристаллической решетке. При этом параметры решетки растворителя изменяются в зависимости от разности атомных диаметров растворённого элемента и растворителя. Если атомный диаметр раство­ренного элемента больше атомного диаметра растворителя, то элементарная ячейка решетки этого раствора искажается

и увеличивается (рис. 5.1, в); в противном случае она сокра­щается (рис. 5.1, г).

В твердом растворе внедрения атомы Б растворенного эле­мента размещаются между атомами А растворителя в его кри­сталлической решетке, как межузельный атом (см. рис. 5.2, б). Для образования твердого раствора внедрения необходимо, чтобы отношение атомного радиуса растворенного элемента к атомному радиусу растворителя было равно или меньше 0,59. При образовании твердых растворов внедрения параметр ре­шетки растворителя всегда увеличивается, что приводит к зна­чительному искажению решетки. Твердые растворы внедрения обычно получаются тогда, когда металл растворяет неметалличе­ский элемент (водород, азот, уг­лерод, бор и др.) с малыми атомными размерами. Например, твердый раствор азота (атомный радиус 0,071 нм) в у -железе (атомный радиус 0,126 нм) пред­ставляет собой твердый раствор внедрения. Отношение атомного радиуса азота к атомному ра­диусу у -железа равно 0,56. Однако, если условие r_немет/ r_мет ≤ 0,59 не выполняется (например, мер, в растворах внедрения угле­рода в железе,

Рис. 5.1. Схемы твердых растворов и искажений их решёток.

Рис. 5.2.

хроме или мар­ганце), то такие твердые растворы образуют более сложные

решетки. При образовании твердых растворов замещения и внедрения размещение атомов растворенного элемента в ре­шетке растворителя происходит беспорядочно, по закону ве­роятности.

В твердом растворе вычитания, образующемся на базе хи­мического соединения, атомы растворенного элемента заме­щают атомы растворителя в узлах кристаллической решетки, но отдельные ее узлы остаются незанятыми («пустыми»). Это происходит тогда, когда на базе химического соединения (на­пример, закиси железа FеО) получается твердый раствор рас­творением одного из элементов (кислорода), составляющих химическое соединение (FеО). Растворение происходит не заме­щением атомов железа атомами кислорода, а изъятием неко­торого числа атомов железа из узлов решетки химического со­единения FeО, и в результате появляются «пустые места» («дырки»). Твердые растворы вычитания образуются также при растворении титана в карбиде титана или ванадия в кар­биде ванадия.

Химическое соединение образуется при сплавлении разных металлов или металла с неметаллом. Химическое соединение — однородное кристаллическое тело, имеющее свою решетку с упорядоченным расположением в ней атомов компонентов и свои специфические свойства, отличные от решёток и свойств исходных компонентов.

Химические соединения образуются при строго определенном соотношении компонентов и могут быть выражены форму­лой. Так, при сплавлении меди и алюминия получается интерметаллидное соединение СuAl₂, имеющее тетрагональную кристаллическую решетку (медь и алюминий имеют г. ц. к. ре­шетку); при сплавлении магния, имеющего гексагональную ре­шетку, со свинцом, имеющем г. ц. к..решетку, получается со­единение Мg₂Рb с кубической решеткой; при сплавленни у -железа (г. ц. к. решетка) с углеродом (гексагональная решетка) образуется соединение FезС с ромбической решеткой и т. д.

Если химическое соединение получается сплавлением двух металлов (медь—алюминий, магний—свинец), то в узлах ре­шеток располагаются нейтральные атомы и положительно за­ряженные ионы, электроны которых образуют электронный газ и осуществляют металлическую связь. При образовании химического соединения сплавлением металла с неметаллом (желе­зо—углерод, железо—кремний и т.д.) атом. металла отдает валентные электроны и становится положительно заряженным ионом, а атом неметалла принимает электроны и становится от­рицательно заряженным ионом. Положительно и отрицательно заряженные ионы, притягиваясь, осуществляют ионную связь, т. е. связь электростатическим притяжением.

Существует также ряд соединений, занимающих промежу­точное положение между твердыми растворами и химическими соединениями. К ним относят электронные соединения, характе­ризующиеся определенным отношением валентных электронов к числу атомов 3/2; 21/13 или 7/4), причем каждому отношению соответствует определенная кристаллическая решетка. Так, при отношении 3/2 образуется о. ц. к. решетка (β-фаза в соедине­ниях СuZn, Сu₅Zn, СuзА1, Сu₅Si и др.), при отношении 21/13— сложная кубическая решетка (у -фаза в соединениях Сu₅Zn₈, Сu₃₁Sn₈, Сu₉Аl и др.) и при отношении 7/4—соединение, имею­щее гексагональную решетку (ε-фаза в соединениях СuZnз, СuзSn, Сu₅А1з, СuзSi и др.). У электронных соединений, в отли­чие от химических, обычно отсутствует упорядоченное располо­жение атомов (особенно при высоких температурах). Однако они имеют, подобно химическим соединениям, новую кристал­лическую решетку, отличающуюся от решётки входящих в сплав компонентов.

• Аморфные сплавы. При охлаждении жидкого расплава с весьма высокими скоростями (105—107 К/с) зародыши кристаллов образовываться не успевают и в твердом состоянии фиксируется структура, характерная для жидкости, названная аморфной. Аморфные состояния получены как для чистых ме­таллов (А1, N1, Sn, РЬ) путем охлаждения из паро-газообразной фазы на холодную подложку, так и для сплавов, содержа­щих неметаллические элементы (Fе₈₀В₂₀, Fе₇₀Сr₁₀В_2о, Ni₇₅Si₈B₁₇ и др.), а также для сплавов, содержащих только металлические элементы (Ni₅₅Та₄₅, Со₆₀Zr_4о, Ni₃₅Nb₆₅ и др.) методом центро­бежного разбрызгивания на быстровращающемся диске или между валками. Получен аморфный чугун (4,5 % С) при ско­рости охлаждения 108 К/с).

Аморфные материалы являются изотропными, обладают очень высокой прочностью, высоким сопротивлением коррозии и рядом других ценных свойств. Их используют для различных термодатчиков, для магнитных головок записи, упрочнения ре­жущих инструментов и др.

Дата добавления: 2014-01-11