Интерметаллиды в сталях

Фазы, образующиеся в результате взаимодействия основного компонента сплава с легирующими элементами или легирующих элементов между собой, называются интерметаллическими соединениями или интерметаллидами.

Интерметаллиды имеют кристаллическую решетку, отличную от решеток образующих интерметаллид компонентов.

Интерметаллиды оказывают влияние на упрочнение в аустенитных и мартенситостареющих сталях, многих жаропрочных сплавах на никелевой и кобальтовой основах.

Различают следующие группы интерметаллических соединений: электронные соединения, -фазы, фазы Лавеса, геометрически плотно упакованные фазы.

Электронные соединения (фазы Юм-Розери) имеют решетки типа ОЦК, ГЦК, ГПУ. Они образуются между одновалентными (Cu, Ag, Li) металлами или металлами переходных групп (Fe, Mn, Co), с одной стороны, и металлами с валентностью от 2 до 5 (Al, Be, Mg, Zn) – с другой стороны. Это фазы переменного состава Соединения этого типа имеют определенную электронную концентрацию, т.е. определенное отношение числа валентных электронов к числу атомов: 3/2, 21/13, 7/4. Фазы с такими значениями электронной концентрации принято обозначать соответственно -, -,-фазами.

К - соединениям, имеющим ОЦК решетку, относятся CuZn, CuBe, Cu₃Al.

К -соединениям, имеющим сложную кубическую решетку, относятся Cu₅Zn₈, Co₅Zn₂₁, Fe₅Zn₂₁.

К - соединениям с гексагональной решеткой относятся CuZn₃, Cu₃Sn, Cu₃Si.

Сигма-фазы образуются на базе переходных металлов с близкими атомными диаметрами (различия до 8%)(например, Fe-Cr). -фазы имеют тетрагональные или сложные ромбоэдрические элементарные ячейки с наличием плотно упакованных слоев атомов, смещенных по отношению друг к другу и расположенных на относительно больших расстояниях. Это также фазы переменного состава. Выделение -фазы происходит при длительных выдержках (медленном охлаждении) в интервале температур 500…900⁰С и является причиной сильного охрупчивания.

Кинетика образования -фаз описывается С-образной кривой, положение которой определяется составом сплава и его предысторией (рисунок слева).

-фазы понижают жаропрочность, т.к. большие количества тугоплавких элементов – упрочнителей выводится из матрицы сплава. Кроме того, разрушение при повышенных температурах происходит предпочтительно вдоль границ -фазы.

Фазы Лавеса образуются между компонентами А и В, расположенными в любом месте периодической системы, при отношении их атомных диаметров от 1,1 до 1,6, обычно 1,2. Они имеют формулу А₂В, например Fe₂Ti, Cr₂Ti, Fe₂Mo, Fe₂Nb, Co₂Ti. Они имеют ГПУ или ГЦК решетку. Они охрупчивают материал при комнатной температуре, но менее опасны при повышенных температурах.

Геометрически плотноупакованные фазы или соединения типа А₃В представляют собой выделения упорядоченных ГЦК (’), ОЦК (’’) и ГПУ -фаз из аустенитных матриц. Упрочняют сплав без заметного охрупчивания. Обычно в никелевых жаропрочных сплавах основная упрочняющая (’-фаза – это соединение Ni₃Al. В этой фазе могут растворяться различные легирующие элементы: кобальт, титан, ниобий, ванадий замещают никель, а тантал – алюминий.