3.1. Фазы в сплаве

Фазой называют однородную по составу и кристаллической структуре часть сплава. Классификацию наиболее распространенных твердых фаз в металлических системах проще всего рассмотреть для бинарных сплавов.

3.1.1. Твердые растворы

Твердыми растворами называют кристаллические фазы переменного состава, в которых атомы второго элемента В размещаются в кристаллической решетке элемента А, не изменяя ее типа. Различают твердые растворы замещения, твердые растворы внедрения и твердые растворы вычитания.

В твердых растворах замещения атомы элемента В распределяются статистически в узлах решетки элемента А. При этом из-за разности размеров атомов A(r_A) и B(r_B) изменяется средний период решетки. Если r_A>r_B, то при увеличении концентрации атомов В период решетки уменьшается и, наоборот, если r_A<r_B, увеличивается.

Твердые растворы внедрения возникают в том случае, когда атомы элемента В располагаются в междоузлиях решетки А. Напомним (см.гл.1), что эти междоузлия достаточно малы, и поэтому твердые растворы внедрения обычно образуют металлы и относительно малые атомы металлоидов (H, N, C, O, B). Так как указанные атомы металлоидов все же больше размера междоузельных пустот, то период решетки А с ростом концентрации В увеличивается из-за искажения решетки. Существует эмпирическое правило для радиусов металлов (R) и металлоидов (r), образующих твердый раствор внедрения: .

Твердый раствор вычитания образуется на основе химического соединения. В случае стехиометрического состава сплава, соответствующего формуле , атомы элементов А и В занимают в решетке “свои” места. При отклонении от стехиометрии избыточные (по сравнению со стехиометрическим составом) атомы занимают только ”свои” положения, а некоторые положения атомов другого компонента оказываются пустыми (образуются вакансии) (рис.3.1.). Такие дефектные решетки образуются в сплавах Ni-Al, Co-Al, Cu-Al и других. При появлении вакансий период решетки уменьшается, даже если в избытке оказываются атомы большего размера.

Особую группу составляют упорядоченные твердые растворы. Рассмотрим их на примере сплавов Cu-Au. Неупорядоченные сплавы Cu-Au имеют ГЦК-решетку, причем атомы меди и золота распределены по узлам кристаллической решетки статистически, и вероятность нахождения атомов того или иного типа в узле решетки зависит от концентрации сплава.

Однако при определенных условиях в сплаве возникает дальний порядок, и твердый раствор становится упорядоченным. При этом атомы меди и золота занимают строго определенные места в решетке (рис.3.2), образующие собственные подрешетки. Например, в случае Cu₃Au атомы золота занимают положения с координатами , а остальные положения ГЦК-решетки с координатами (см.гл.1) заняты атомами меди.

Упорядоченные твердые растворы занимают промежуточное положение между твердыми растворами и химическими соединениями. Процесс упорядочения требует перемещения атомов и происходит при определенной термической обработке сплава. При этом могут существенно изменяться свойства материала, в частности, его электросопротивление.