Фазы и микроструктура в металлических сплавах.

Большинство металлов применяют в технике в виде сплавов. Для сплавов легирующие элементы добавляются к жидкому основному металлу и растворяются в нем. При застывании в зависимости от основного металла и легирующих элементов могут образовываться различные виды микроструктур.

1. Твердые растворы—фаза, в которой один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого компонента располагаются в решетке растворителя, изменяя ее размеры.

Твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу. Различают твердые растворы внедрения и твердые растворы замещения.

П

Рис. 10. Твердые растворы:

а) замещения б) внедрения

ри образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке (Рис. 10 а).

При образовании твердого раствора внедрения атомы растворенного компонента располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решетки растворителя (Рис. 10 б).

При образовании твердого раствора внедрения атомы располагаются не в любом междоузлии, а в таких пустотах, где для них имеется больше свободного пространства.

Так как электронное строение и размеры атомов растворителя и легирующего компонента различны, то при образовании твердого раствора внедрения кристаллическая решетка растворителя всегда искажается; и периоды ее изменяются.

При образовании твердого раствора замещения период решетки растворителя может либо увеличиваться, либо уменьшаться, в зависимости от соотношения атомных радиусов растворителя и растворенного компонента. В случае образования твердого раствора внедрения период кристаллической решетки растворителя всегда увеличивается.

Все металлы могут в той или иной степени взаимно растворяться друг в друге. В том случае, когда компоненты могут замещать друг друга в кристаллических решетках в любом количественном соотношении, образуется непрерывный ряд твердых растворов.

Твердые растворы замещения с неограниченной растворимостью могут образовываться при следующих условиях:

1. компоненты должны обладать одинаковыми по типу кристаллическими решетками, так как только в этом случае будет возможен непрерывный переход от кристаллической решетки одного компонента к кристаллической решетке другого;

2. различия в атомных размерах компонента должны быть незначительны (не более 8-15%);

3. компоненты должны принадлежать к одной и той же группе периодической системы химических элементов или к смежным родственным группам, то есть должны иметь близкое строение валентной оболочки электронов в атомах.

(Например, неограниченно растворяются друг в друге Ag–Au, Ni–Cu, V–Ti, Mo–W).

Твердые растворы внедрения образуются только в тех условиях, когда диаметр атома растворенного компонента небольшой (по сравнению с диаметром атома растворителя). Твердые растворы такого типа образуются при растворении в металле (Fe) углерода, азота, водорода, то есть элементов с малым атомным радиусом.

Твердые растворы внедрения могут быть только ограниченной концентрации, так как число пор в решетке растворителя ограничено, а атомы основного компонента сохраняются в узлах решетки.

В некоторых сплавах (Cu–Au, Fe–Al, Fe–Si), образующих при высоких температурах твердые растворы замещения с неупорядоченным чередованием атомов компонентов, при медленном охлаждении (или длительном нагреве) при определенных температурах протекает процесс перераспределения атомов, в результате которого атомы компонентов занимают определенное положение в кристаллической решетке.

Твердые растворы, которые устойчивы при сравнительно низких температурах, называются упорядоченными твердыми растворами.

В металловедении приняты следующие обозначения: чистые компоненты—A, B, C; твердые растворы—, , ; упорядоченные твердые растворы—^I, ^I, ^I.

Полностью упорядоченные твердые растворы получаются при соотношении компонентов 1:1, 1:2, 1:3 (их можно обозначать формулой химического соединения).

В упорядоченных твердых растворах сохраняется кристаллическая решетка растворителя; и при нагреве степень упорядоченности сначала понижается, а с дальнейшим увеличением температуры твердый раствор становится неупорядоченным. Такие сплавы прочнее чистых металлов и при этом легко обрабатываются давлением.