Переход носит кристаллизационный характер и осуществляется с образованием и ростом зародышей новой модификации внутри старой обычно по границам зерен и блоков. Поэтому аллотропические превращения называют вторичной кри-
сталлизацией.
Модификационный переход осу-
ществляется при постоянной темпера- туре с выделением (или поглощением) Рис. 1.22. Аллотропические превращения
тепла. В реальных условиях он происходит при значительном переохлаждении (перегреве) относительно равновесной температуры. Изменение компактности решетки влечет за собой изменение объема вещества. Так, например, плотность Feγ(К12) на 1,05% больше, чем плотностьFeα(К8). Этого оказывается достаточ-
но, чтобы вызвать такие термоупругие напряжения в изделиях, которые в состоянии их разрушить.
1.4. Фазы, образующиеся в металлических сплавах
Сплавом называется вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. При использовании иных способов получения сплава кроме плавления (спекание, электролиз, возгонка) вещество называют псевдосплавом. В сплавах могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы, твердые растворы, химические соединения, металлические соединения. В редких случаях фазами являются исходные компоненты.
Твердые растворы. Твердыми растворами называются фазы, в которых один из компонентов сохраняет свою кристаллическую структуру, а другой отдает свои атомы в решетку первого. Таким образом, хотя твердый раствор состоит из двух (или более) исходных веществ, он имеет одну решетку и следовательно представляют собой одну фазу. Различают твердые растворы за-
мещения и твердые растворы внедрения.
Втвердом растворе замещения (рис. 1.23) атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в кристаллической решетке. При этом важно подчеркнуть, что это замещение может быть в любом месте, неупорядоченно.
Втвердом растворе внедрения (рис. 1.24) атомы второго компонента размещаются между атомами первого междоузлия, тоже в беспорядке.
19
Рис. 1.23. Твердый раствор замещения |
Рис. 1.24. Твердый раствор внедрения |
Так как атомы второго компонента имеют другой размер, чем атомы первого, то в местах их размещения решетка всегда искажается, и ее параметры изменяются.
Твердые растворы по концентрации компонентов могут быть ограниченными и неограниченными. Ограниченные могут существовать лишь при определенной концентрации второго компонента, неограниченные – при любой концентрации.
Твердые растворы замещения с неограниченной растворимостью могут существовать лишь при следующих условиях.
1.Компоненты должны обладать одинаковыми по типу (изоморфными) кристаллическими решетками.
2.Различия в атомных размерах, а следовательно, и в периодах кристаллической решетки компонентов должны быть незначительными. Для сплавов на основе Fe эта разница не должна быть больше 8 %. Если она составляет до 15 %, то возможна ограниченная растворимость, если больше 15 %, то твердого раствора замещения не образуется вообще.
3.Компоненты должны принадлежать к одной группе периодической системы элементов и в связи с этим обладать одинаковым или близким строением валентных оболочек.
Твердые растворы внедрения могут образовываться лишь в тех случаях, когда диаметр атома растворенного элемента невелик, что позволяет ему разместиться в междоузлиях. Эти растворы, как правило, являются ограниченными. Для Fe такими компонентами являются Н2; N2; C.
В некоторых сплавах (Cu–Au; Fe–Al; Fe–Si) образуются твердые растворы замещения, т. е. с неупорядоченным расположением атомов растворенного
20
компонента – сверхструктура (рис.1.25). При медленном охлаждении или продолжительном нагреве происходит перераспределение атомов, которое приводит к упорядоченному размещению их в кристаллической решетке растворителя. Такие твердые растворы устойчивы до сравнительно низких температур.
Рис. 1.25. Пример изображения сверхструктуры Au+Cu
Если, например, атомы Au в ячейке занимают положения на боковых гранях ГЦК (рис. 1.26), в решетке образуются строго чередующиеся плоско-
сти атомов (сверхструктура), которая обла- |
|
дает иными свойствами, чем простой твер- |
|
дый раствор. Особенно изменяется (повы- |
|
– Cu (медь) |
|
шается) твердость, снижается пластич- |
– Au (золото) |
ность, изменяются электрическое сопро- |
|
тивление и магнитные свойства. |
|
Упорядоченные твердые растворы об- |
|
разуются чаще всего при кратных атомных |
|
соотношениях компонентов (1:1, 1:3 и т. д.), |
|
поэтому упорядоченной структуре можно |
|
приписать формулу химического соедине- |
|
ния, например: CuAu, Cu3Au, CuZn и т. д. |
|
Упорядоченные твердые растворы можно рассматривать как промежуточные фазы между твердыми растворами с неупо-
рядоченным размещением атомов и химическими соединениями, где также строго упорядочено расположение атомов. Однако отличительными признаками упорядоченных твердых растворов являются:
1)наличие той же решетки, какой обладает растворитель;
2)при нагреве до определенной температуры (точки Курнакова) происходит образование неупорядоченного твердого раствора или смеси двух фаз, т. е. эвтектики.
21
Химические соединения. Характерные особенности химических соединений:
1.Кристаллическая решетка, отличная от решеток элементов, образующих химическое соединение (рис. 1.27).
2.Атомы в этой решетке располагаются строго упорядоченно.
3.Простое кратное весовое соотношение элементов АХВY. (Химический
закон постоянства состава и кратных соотношений.)
4.Постоянная температура плавления или диссоциации.
5.Резкое отличие свойств соединения от свойств слагающих компонентов.
6.Чаще всего химические соединения образуются между элементами разных групп таблицы Менделеева, т. е. имеющих отличия в электронном строении внешней оболочки. Например: Mg с элементами IV, V и VI групп
дает Mg2Si, Mg2Pb, Mg3P2, Mg3As2, Mg3Sb2, Mg3Bi2, MgS, MgSe, MgTe.
Металлические соединения (интерметаллид-
ные фазы). Их отличие от химических соединений в том, что они не подчиняются законам валентности и не имеют постоянного состава. Обычно это соединения, в которых один компонент – неметалл – обладает малым атомным радиусом и может легко уходить при нагреве. При этом образуются так
называемые твердые растворы вычитания, в которых подрешетка неметалла дефективна, с вакансиями. Эти фазы обладают высокой электропроводностью, которая уменьшается с температурой, металлическим блеском, высокой температурой плавления.
К ним относятся соединения с формулой Ме4Х (Fe4N, Mn4N); Ме2Х
(W2C, Mo2C, Fe2N); МеХ (WC, TiC, NbC); Ме2Х3-4.
Эвтектики – это механические смеси фаз. Они имеют следующие особенности:
1.В бинарных сплавах (2 компонента) имеют две фазы в тройных – две или три фазы.
2.Имеют постоянную температуру плавления.
3.Имеют постоянный состав.
22