2.2. Строение фаз и структур в металлических сплавах

Сплавы – сложные вещества, получаемые сплавлением или спеканием двух или нескольких простых веществ, называемыхкомпонентами. В зависимости от природы сплавляемых компонентов, они могут образовывать различные по строению и свойствам продукты.

Понятие «твердый раствор»было введено для описания однородных твердых веществ переменного химического состава по аналогии с понятием «жидкий раствор». В твердом растворе сохраняется кристаллическая решетка металла–растворителя и металлическая связь между атомами.

В твердых растворах замещенияатомы растворенного элемента замещают в узлах решетки атомы растворителя. Если атомные диаметры компонентов отличаются не более чем на 15 %, то они могут образовывать твердые растворы очень больших концентраций. Растворы замещения являются малопрочными и пластичными фазами, но чем больше разность атомных диаметров компонентов, тем больше упрочнение сплава. Элементы замещения в промышленных сплавах, чаще всего, служат легирующими элементами.

В твердых растворах внедренияатомы располагаются в пустотах упаковки решетки растворителя. По способу внедрения в металлах

растворяются элементы с очень малым атомным диаметром – водород, кислород, азот, углерод, бор. Растворимость элементов внедрения значительно меньше, чем элементов замещения, из-за высокой энергии упругих искажений кристаллической решетки, возникающих при внедрении инородных атомов. Растворы внедрения очень твердые и хрупкие фазы. Поэтому, элементы внедрения в сплавах, чаще всего, являются вредными примесями.

Элементы в сплавах могут образовывать химические соединения с кристаллической решеткой отличной от решетки исходных элементов и с другим, не металлическим, типом химической связи. Ввалентных соединениях атомы связаны ковалентными связями, это соединения типа MgS, Al₂O₃.

Химические соединения «металл-металл» называют интерметаллидами, основной тип связи в них металлический. Интерметаллиды, в которых электронная концентрация, т.е. число валентных электронов на один атом, имеет строго определенное значение 3/2, 21/13 и 4/7, называют электронным соединением или фазой Юм-Розери: CuZn, Cu₃Al. Интерметаллиды с формулой типа MgCu₂, MgNi₂называют фазами Лавеса. Их существование определяется размерным фактором: отношение атомных радиусов металлов r_A / r_B1,2.Фазы внедрения– это соединения металлов с углеродом, азотом, водородом – карбиды, нитриды, гидриды, имеющие ковалентную связь. Например:WC, TiN, Fe₃C.

Так как связь между атомами в различных химических соединениях сильнее и жестче, чем в твердых растворах, то практически все они являются очень твердыми и хрупкими веществами.

При изучении сплавов следует различать понятия «фаза» и «структура». Фаза– это однородная часть сплава с одинаковым строением и свойствами, ограниченная поверхностью раздела. Жидкая фаза – это раствор расплавленных компонентов. Твердые фазы – это зерна сплава, имеющие одинаковое строение, состав и свойства. Твердые фазы могут быть растворами внедрения или замещения, химическими соединениями или чистыми компонентами.Структура– это определенная комбинация зерен различной формы одной или нескольких фаз.