Кристаллические структуры переходных металлов 4-го периода*

Группы элементов
III	IV	V	VI	VII	VIII
Sc	Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni
ОЦК ГП	ОЦК ГП	ОЦК	ОЦК	ОЦК ГЦК Сложная куб. Сложная ОЦК	OЦК ГЦК ОЦК	ГЦК ГП	ГЦК

* ОЦК – объемноцентрированная, ГЦК – гранецентрированная, ГП – гексагональная плотноупакованная

Анизотропия свойств – различие свойств кристаллов в разных кристаллографических направлениях. Причиной анизотропии является различие в расположении атомов в различных кристаллографических направлениях.

Анизотропия проявляется при измерении как физических, так и механических и других характеристик. Однако существуют свойства, не зависящие от кристаллографического направления, например, плотность и теплоемкость. Большинство же характеристик – модуль упругости, электросопротивление, коэффициент диффузии и др. – зависит от выбора кристаллографического направления, в котором они измеряются.

Измерить свойства возможно на объектах, которые имеют определенный материальный объем: размеры – от нескольких миллиметров до десятков сантиметров. Эти объекты, имеющие строение, идентичное кристаллической ячейке, носят название монокристаллы.

Сплавом называют вещество, полученное при сплавлении и последующем затвердевании смеси двух или нескольких металлов или металлов и неметаллов.

Химические элементы, составляющие сплав, называются компонентами. Компонент – это химически индивидуальное вещество. Суммарное содержание всех компонентов в сплаве составляет 100 %. Компоненты делятся на четыре группы:

1) металл основы (металл - растворитель), на базе которого формируется сплав, т.е. в который вводятся другие элементы; концентрация металла-растворителя составляет не менее 50 %;

2) легирующие компоненты – химические элементы, специально вводимые в сплав для получения определенных свойств;

3) микродобавки – химические элементы, вводимые в сплав в небольших количествах для улучшения свойств; их содержание составляет от 0,001 до 0,05 %;

4) примеси – химические элементы, присутствующие в сплаве как «остаток» от металлургического производства. Например, в сталях примесями являются сера, фосфор, марганец, кремний, мышьяк и газы; а в алюминиевых сплавах – натрий и кальций. Содержание примесей составляет от 10^-4 до 10^-1 %.

Количественной характеристикой химического состава является концентрация легирующих компонентов, % масс. В зависимости от концентрации легирующих компонентов сплавы подразделяют на: низко -,средне - и высоколегированные (суммарное содержание легирующих элементов составляет ≤ 5, ≤ 10 и > 10 % соответственно).

Фаза – часть сплава, отделенная поверхностью раздела, отличающаяся непрерывностью химического состава, кристаллической структуры и свойств по всему объему, и скачкообразным изменением всех указанных параметров при переходе через границу.

Таким образом, признаками любой фазы являются: кристаллическая решетка; химический состав; граница раздела, обособляющая фазу от других фаз сплава.

В твердом состоянии в сплавах различают два вида твердых фаз – твердые растворы и промежуточные фазы (ПФ). В сплавах могут также присутствовать специфические смеси фаз, особенность которых состоит в том, что они образуются (при охлаждении) одновременно при постоянной температуре. Эти фазовые смеси могут состоять из твердых растворов, промежуточных фаз и чистых металлов. Они носят название эвтектические и эвтектоидные смеси.

Рис. 2.3. Схема относительных размеров и расположения интерметаллических фаз (Ф) в сплавах: Ф_перв– фазы, образовавшиеся при кристаллизации; Ф_втор – фазы, образовавшиеся при горячей деформации; Ф_стар – фазы, образовавшиеся при старении; Ф_эвт – фазы, образовавшиеся при кристаллизации по эвтектической реакции

При микроструктурном анализе возможно выявить эти виды фаз. На рис. 2.3 показана схема микроструктуры сплавов с различными промежуточными фазами. Белое поле с границами (см. далее разделы «зерна и границы зерен») – это твердый раствор. Промежуточные фазы крупных размеров, образовавшиеся при кристаллизации, обозначены Ф_перв. Промежуточные фазы более мелких размеров, образовавшиеся при горячей обработке давлением, обозначены Ф_втор, а дисперсные частицы ПФ, образовавшиеся при термообработке, обозначены Ф_стар. Частицы этих фаз находятся внутри твердого раствора.

Пластинчатые образования в одном из зерен представляют собой эвтектоидную смесь из двух фаз, Ф_эвт.

Твердые растворы. В том случае, когда легирующий компонент растворяется в металле - основе, не меняя его кристаллическую решетку, образуется новая фаза - твердый раствор.

Твердый раствор – фаза сплава, кристаллическая решетка которой не отличается от кристаллической решетки металла - основы; а концентрация легирующих компонентов изменяется в широких пределах.

Твердые растворы занимают основное пространство сплава, т.е. они являются матричными фазами. Твердые растворы классифицируют по нескольким признакам, одним из которых является положение атома легирующего элемента в кристаллической решетке: это – твердые растворы внедрения и замещения.

Атом легирующего элемента

а б в

Рис. 2.4. Схема различных типов твердых растворов: а – твердый раствор