Характеристика основных фаз в сплавах

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ И ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ

Аморфизация сплавов

При охлаждении жидкого расплава с высокими скоро­стями (10⁵…10⁷ К/с) зародыши кристаллов образовы­ваться не успевают и в твердом состоянии фиксируется структура, характерная для жидкости. Такие структуры получили название аморфных. В настоящее время аморфные состояния получены как для чистых метал­лов (Pb, Sn, Al, Ni и др.), так и для многочисленных сплавов. Чистые аморфные металлы получают, как правило, осаждением из парогазовой фазы на холод­ную подложку. Для получения аморфных сплавов ча­ще используют методы центробежного разбрызгивания капель, расплющивания на быстровращающемся диске или между валками, лазерного расплавления поверхно­стных зон. Легче аморфизуются сплавы, в которых содержится высокая концентрация неметалли­ческих элементов (Fe₈₀B₂₀, Fe₇₀Cr₁₀B₂₀, Ni₇₅Si₈B₁₇, Co₇₅Si₁₅B₁₀, Pd₈₀Si₂₀ и др.). Если же сплав состоит только из металлических элементов, то легче аморфизуются сплавы, когда входящие в них элементы сильно разли­чаются размерами атомов и их электроотрицательностью (Ni₃₅Nb₆₅, Ni₅₅Ta₄₅, Cu₅₀Zr₅₀, Co₆₀Zr₄₀ и др.). Аморфиза­ция сталей в настоящее время пока затруднена, потому что, как показывают теоретические оценки, для этого нужно реализовать скорости охлаждения порядка 10⁹- 10¹⁰ К/с. Чугуны же (например, Fe + 4,5 % С) удалось аморфизировать при скорости охлаждения 10⁸ K / c.

Аморфные материалы - изотропны, обладают очень высокой прочностью, особенно удельной прочностью, вы­соким сопротивлением коррозии и рядом других свойств.

Уже сейчас аморфные материалы используют в качестве различных термодатчиков, для магнитных головок запи­си, для упрочнения режущих инструментов. Предполага­ется, что в ближайшее время их будут использовать в качестве пружинных материалов, антикоррозионных по­крытий, в качестве металлокорда в автомобильной про­мышленности. Применение аморфных материалов подробнее рассмотрено во II части данного курса лекций.

Контрольные вопросы к главе 1

1. Какие тела называют металлами?

2. Какие характеристики описывают кристаллическое строение металлов?

3. Какие типы дефектов кристаллического строения металлов принято считать основными?

4. Каковы причины различий в скоростях диффузии атомов в объ­еме зерна и по границам?

5. Что такое энергия активации диффузии?

6. Какова размерность коэффициента диффузии?

7. Что такое переохлаждение при кристаллизации и чем оно обу­словлено?

8. От каких факторов зависит размер зерна в литом сплаве?

9. Что такое модификаторы?

Глава 2

Чистые металлы применяют довольно редко, так как они обладают низкой прочностью и ограниченным разнообразием свойств.

В технике широкое применение получили металлические сплавы – вещества, полученные сплавлением двух или более компонентов.

Компонентами называют элементарные (металлические или неметаллические) вещества или устойчивые химические соединения, входящие в состав сплава.

В отношении взаимной растворимости компонентов возможны два предельных случая:

1. Компоненты сплава неограниченно растворяются друг в друге, как в жидком, так и в твердом состояниях. При этом в твердом состоянии в кристаллической решетке одного металла (называемого растворителем) собственные атомы замещаются атомами второго компонента, образуется гомогенный (однородный) сплав, называемый твердым раствором. Кристаллическая решетка твердого раствора такая же, как у металла растворителя.

2. Компоненты сплава практически нерастворимы друг в друге в твердом состоянии, т.е. практически не образуют твердых растворов. В этом случае сплав состоит из смеси кристаллов практически чистых компонентов. Такую смесь часто называют механической, но правильнее называть ее гетерогенной смесью кристаллов. Примером могут служить сплавы системы Pb - Cu.

На практике чаще всего проявляются не эти два крайних случая, а промежуточные, когда один компонент частично растворяется в другом, причем в результате взаимодействия компонентов могут образовываться новые фазы или соединения, кристаллическая решетка которых может не совпадать с решетками ни одного из входящих в сплав компонентов, но может и совпадать.

Полная взаимная растворимость может проявляться только при сплавлении элементов с кристаллическими решетками одного и того же типа, причем размеры атомов компонентов не должны отличаться более чем на 15 %. Непрерывный ряд твердых растворов образуется в системах Ni - Cu, Ag - Au, Au - Pt, Mo – V, Mo – W и др. У образующихся твердых растворов кристаллические решетки не отличаются от исходных компонентов только по типу (ОЦК, ГЦК, ГПУ), периоды же решеток в твердом растворе будут непрерывно меняться в зависимости от концентрации того или другого металла.

Но, кроме двух отмеченных выше условий (типа решетки и размеров атомов), для образования ряда непрерывных растворов должно выполнятся еще одно ограничение, обусловленное химическим взаимодействием между компонентами, образующими сплав: это взаимодействие не должно быть велико.

Если взаимодействие слишком велико, то образуется не неограниченный твердый раствор, а химическое соединение. Так, например, алюминий по размеру атомов почти совпадает с медью и золотом, имеет такую же ГЦК решетку, но в системах Au - Al, Cu - Al образуются не непрерывные твердые растворы, а интерметаллические соединения.

Твердые растворы могут быть трех типов: 1) замещения, 2) внедрения, 3) вычитания.

Рис. 16. Схемы расположения атомов в твердых растворах:

а – замещения; б – внедрения; в – вычитания

В случае твердых растворов замещения атомы растворенного вещества статистически случайно занимают узлы решетки растворителя (рис. 16, а).

Твердые растворы внедрения образуются в том случае, когда атомы растворенного вещества внедряются в межузельные промежутки решетки растворителя (рис. 16, б).

Твердые растворы вычитания, являющиеся по существу растворами с дефектной решеткой, образуются лишь при сильном химическом взаимодействии между компонентами. В этих растворах некоторые позиции решетки оказываются незанятыми (рис. 16, в).

Твердые растворы замещения образуются между металлами, а так же между металлами и неметаллами с достаточно большими радиусами атомов.

Твердые растворы внедрения образуются, чаще всего, при растворении таких атомов, как H, C, O, N, B (атомные радиусы которых меньше 0,1 нм) в металлах переходных групп. Примером является твердый раствор углерода в g - Fe (аустенит). Атомы железа в нем расположены в узлах ГЦК решетки, а атомы углерода внедрены в некоторые из межузельных промежутков («поры»).

В ГЦК решетках наиболее удобными местами расположения «посторонних» атомов являются октаэдрические поры (с координатами ½, ½, ½).

При образовании твердых растворов внедрения кристаллическая решетка всегда расширяется, параметры решетки возрастают.

Если исходить только из геометрических размеров атомов, то следовало бы ожидать, что и кислород (атомный радиус которого равен 0,06 нм) при растворении в решетках металлических элементов должен давать металлические твердые растворы. Но это наблюдается, как правило, лишь при малых концентрациях кислорода в растворе. Исключением является твердый раствор кислорода в титане, в котором металлические свойства титана сохраняются и в растворах, содержащих до 30 % кислорода. Обычно при растворении кислорода в металле образуется оксид, не сохраняющий металлических свойств. Причиной этого служит сильная электроотрицательность кислорода, в результате которой, при захвате электронов из «электронного» газа, образуются ионы кислорода. Электроотрицательностью атома называют величину, пропорциональную энергии его связи с дополнительным электроном.

Следует отметить, что чем больше разность электроотрицательностей растворителя и растворяемых элементов, тем в большей степени сохраняется область существования твердого раствора и увеличивается тенденция к образованию интерметаллических соединений и промежуточных фаз.

На взаимную растворимость компонентов оказывает влияние также и валентность входящих элементов. Металлы с более низкой валентностью предпочтительнее растворяют металлы с более высокой валентностью, но не наоборот. Так, Au растворяет 20…30 % (ат) Мg, но магний (валентность 2) растворяет менее 0,2 % (ат) Аu (валентность 1). Если к одному и тому же растворителю добавлять атомы различных компонентов, то их растворимость снижается с ростом валентности растворяемого элемента.

Твердые растворы многокомпонентных веществ могут образовываться так, что-либо атомы всех растворяемых элементов замещают узлы решетки растворителя, либо все внедряются в междоузлия, либо одни элементы размещаются путем замещения узлов растворителя, а другие - путем внедрения. Примером твердых растворов последнего типа является марганцовистая сталь, в которой атомы марганца замещают узлы решетки железа, а атомы углерода внедряются в междоузлия.

Твердые растворы вычитания (в которых не все узлы кристаллической решетки заняты) часто образуются в карбидах (TiC, NbC, MoC и др.). Пустыми в них оказываются некоторые места, которые должны бы быть заняты атомами углерода. В твердых растворах FeO вакантными оказываются узлы, в которых должны располагаться атомы железа.

Дата добавления: 2014-01-05