1.9. Сплавы, твёрдые растворы.
Свойства технических металлов не всегда отвечают необходимым требованиям, предъявляемым к материалам. Усложнение состава при создании сплавов создаёт дополнительные возможности целенаправленно формировать свойства материала. Сплавы по сравнению с металлами отличаются более высокой прочностью. Но они обладают меньшими пластичностью, электропроводностью.
Сплавы являются сложными структурами (композициями) из двух и более основных элементов. В состав сплавов входят как металлические элементы, так и неметаллические элементы; при этом сплавы сохраняют свойства, присущие металлам. Сплавы могут быть классифицированы по количеству основных компонентов, по виду структуры, по фазовому составу, свойствам. Следует дать следующее определение сплавам.
Сплавы – кристаллические структуры, образованные двумя или несколькими основными компонентами и состоящие из одной или нескольких фаз.
Получают сплавы, путем термической обработки исходной шихты, которую в большинстве случаев переводят в расплав. При охлаждении в системе образуются кристаллические фазы соответствующие фазовым равновесиям в выбранной системе. Фазами могут быть твердые растворы, химические соединения, а также зерна чистых компонентов, которые не образуют с другими компонентами системы ни твердых растворов, ни химических соединений.
Твердыми растворами называют однородные фазы, в которых в кристаллической структуре компонента растворителя распределены атомы растворенного компонента или компонентов, вызывающих изменение параметров элементарной ячейки.
Различают твердые растворы замещения (рис. 1.11, а) и твердые растворы внедрения (рис. 1.11, б).
Рис. 1.11. Кристаллическая решетка твердого раствора замещения (а) и внедрения (б)
При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента В замещают часть атомов растворителя А в его кристаллической решетке (рис. 1.11, а).
При образовании твердого раствора внедрения атомы растворенного компонента В располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решетки растворителя А. При этом атомы располагаются не в любом междоузлии, а в таких пустотах, где для них имеется больше свободного пространства (рис. 1.11, б). Так как и электронное строение, и размеры атомов растворителя и растворенного компонента различны, то при образовании твердого раствора кристаллическая решетка всегда искажается, что приводит к изменению параметра элементарной ячейки.
Рис. 1.12. Искажения кристаллической решетки компонента растворителя при образовании твердого раствора внедрения (а, атом В) и замещения (б, атом D). Расположения атомов внедрения и замещения в области дислокации (в, г).
При образовании твердого раствора замещения период решетки может увеличиться или уменьшиться в зависимости от соотношения атомных радиусов растворителя и растворенного компонента. В случае твердого раствора внедрения период решетки растворителя всегда возрастает.
Атомы растворенного компонента нередко скапливаются у дислокаций (рис. 1.12, в, г) снижая их упругую энергию. В растворах замещения атомы меньшего размера (по сравнению с атомами металла растворителя) скапливаются в сжатой зоне решетки, атомы больших размеров – в растянутой зоне решетки. При образовании твердого раствора внедрения атомы растворенного элемента располагаются в растянутой области под краем экстраплоскости (рис. 1.12, г). В области дислокаций чужеродные атомы легче размещаются, чем в совершенной области решетки, где такие атомы вызывают значительные искажения решетки. Атомы внедрения значительно сильнее связываются с дислокациями, чем атомы замещения, образуя так называемые атмосферы Коттрелла. При этом образование атмосфер сопровождается уменьшением искажения решетки, что предопределяет их устойчивость.
Твердые растворы замещения с неограниченной растворимостью могут образовываться при соблюдении следующих условий:
1. Компоненты должны обладать одинаковыми по типу (изоморфными) кристаллическими решетками. Только в этом случае при изменении концентрации твердого раствора будет возможен непрерывный переход от кристаллической решетки одного компонента к решетке другого компонента.
2. Различие в атомных размерах ∆R компонентов должно быть незначительным и не превышать 8 – 15 %.
3. Компоненты должны принадлежать к одной и той же группе периодической системы элементов или к смежным родственным группам и в связи с этим иметь близкое строение валентной оболочки электронов в атомах.
Например, неограниченно растворяются в твердом состоянии следующие металлы с ГЦК-решеткой (К12): Ag и Au (∆R = 0,2 %) Ni и Cu (∆R = 2,7 %), Ni и Pd (∆R = 10,5 %) и др., а также металлы с ОЦК - решеткой (К8): Мо и W (∆R = 9,9 %), V – Ti (∆R =2 %). Такие металлы, как Na, Са, R, Pb, Sr и другие, имеющие большой атомный диаметр, в Feγ, Cu, Ni нерастворимы.
Твердые растворы внедрения получаются лишь при растворении в металле (например, в железе, молибдене, хроме и т. д.) углерода (атомный радиус 0,077 нм), азота (0,071 нм), водорода (0,046 нм). Радиусы атомов перечисленных элементов заметно меньше радиуса атома железа. Твердые растворы внедрения могут быть только ограниченной концентрации, поскольку число структурных пустот в решетке ограничено, а атомы основного компонента сохраняются в узлах решетки. Роль этого вида твердого раствора значительна в сталях и чугунах.
В некоторых сплавах (например, Cu – Au, Fe – Al, Fe – Si, Ni – Mn и др.), образующих при высоких температурах 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 определенные положения в кристаллической решетке.
Твердые растворы, устойчивые при сравнительно низких температурах, получили название упорядоченных твердых растворов, или сверхструктур.
Полностью упорядоченные растворы образуются, когда отношение компонентов в сплаве равно целому числу: 1:1, 1:2, 1:3 и т. д. В этом случае сплаву с упорядоченной структурой можно приписать формулу химического соединения, например, CuAu или Cu3Au.
Упорядоченные твердые растворы можно рассматривать как промежуточные фазы между твердыми растворами и химическими соединениями. Правильное расположение атомов обоих компонентов в решетке и резкое изменение свойств характерно для химических соединений. Однако в упорядоченных твердых растворах в отличие от химического соединения сохраняется решетка растворителя, и при нагреве до определенной температуры (точки Курнакова) степень упорядочения постепенно уменьшается, а выше этой температуры твердый раствор становится неупорядоченным.
Образование упорядоченных твердых растворов сопровождается изменением физических (магнитные свойства, удельное электрическое сопротивление и др.) и механических свойств. Прочность обычно возрастает, а пластичность ухудшается.