Глава 2. Фазовый состав сплавов

Сплав – промышленный материал, содержащий несколько элементов.

Получают сплавы различными технологическими способами:

• Сплавление

• Порошковая металлургия

• Диффузионный метод

• Электролиз и др.

Преимущественное использование в промышленности находят сплавы металлов с неметаллами и металлами. В сплавах элементы могут по разному взаимодействовать между собой, образуя различные по химическому составу, типу связи и строению кристаллические фазы.

Фазой – называется однородная, отделенная поверхностью раздела часть металла или сплава, имеющая одинаковые состав, строение и свойства.

В зависимости от атомно-кристаллической структуры различают твердые растворы и промежуточные фазы.

Твердыми растворами называются кристаллы, в которых сохраняется тип кристаллической решетки элемента-растворителя.

В промежуточных фазах образуется новый тип кристаллической решетки, отличающийся от решеток элементов, его образующих.

2.1. Твердые растворы

Твердые растворы являются кристаллическими фазами переменного состава. Атомы растворенного элемента B размещаются в кристаллической решетке растворителя – элемента А, замещая атомы в узлах решетки или внедряясь между узлами. В первом случае кристаллы называют твердыми растворами замещения, во втором – твердыми растворами внедрения (рис.2.1). Количество замещенных атомов, также как и количество внедренных, может изменяться в широких пределах, что и приводит к переменной растворимости твердых растворов.

Твердые растворы обозначают буквами греческого алфавита: α,β,γ и т.д. или А(В) где А– растворитель, В – растворенный элемент.

2.1.1. Твердые растворы замещения

Замещение атомов растворителя А атомами растворенного элемента В возможно, если атомные радиусы отличаются не более чем на 15%. Это условие называется размерный фактор. В твердых растворах атомы растворенного вещества, как правило, распределяются в решетке растворителя статистически (с некоторой долей вероятности). Вокруг атома растворенного вещества возникает местные искажения пространственной решетки, которые приводят к изменению свойство и среднего периода решетки.

Растворение элементов с меньшим атомным радиусом, чем атомный радиус растворителя вызывают уменьшение среднего периода решетки, а с большим его увеличением.

Образование твердых растворов всегда сопровождается:

• увеличением электрического сопротивления;

• уменьшением температурного коэффициента электрического сопротивления;

• меньшей пластичностью;

• большей твердостью и прочностью, чем чистые металлы.

Растворимость элементов в твердом состоянии уменьшается при увеличении различия в атомных радиусах сплавленных элементов и их валентности.

Неограниченная растворимость наблюдается при соблюдении размерного фактора и если элементы имеют одинаковый тип кристаллической решетки. Например, в сплавах Cu-Au, Cu-Ni, Cr-Si. В полиморфных металлах неограниченная растворимость встречается в пределах одной модификации пространственной решетки: Fe_α дает неограниченный ряд твердых растворов с Cr (ОЦК-решетки), а Fe_γ – с Ni (ГЦК решетки).

Многие твердые растворы замещения при относительно невысоких температурах способны находиться в упорядоченном состоянии, т.е. вместо статистического распределения разных атомов в узлах пространственной решетки атомы одного и другого металла размещаются в определенном порядке. Такие растворы называются упорядоченными (образуется «сверхструктура»).

Переход в упорядоченное состояние происходит при определенной температуре или интервале температур. Температура, при которой твердый раствор полностью разупорядочивается, называется точкой Курнакова (_к). Упорядочение происходит обычно только при медленном охлаждении твердого раствора из температуре области выше _к.

Упорядоченные твердые растворы встречаются в системах с неограниченной растворимостью в твердом состоянии и возникают при концентрациях твердого раствора, соответствующих простым атомным соотношением АВ, АВ₃. Возникновение и исчезновение порядка в расположении атомов твердых растворов сопровождается изменением свойств. При упорядочении возрастают: электропроводность, температурный коэффициент электрического сопротивления, твердость и прочность; снижается пластичность сплава, уменьшается магнитная проницаемость (у ферромагнитных сплавов).