Внедрения; б – твердый раствора замещения со статистическим распределением атомов; в – упорядоченный твердый раствор замещения

В твердых растворах внедрения атомы легирующего компонента располагаются в междоузлиях (рис. 2.4, а). Твердые растворы внедрения образуются в сплавах, содержащих металлоиды: водород, азот, углерод, бор, атомы которых имеют малые радиусы, сравнимые с размером пор и междоузельных пространств в кристаллической решетке металлов.

Твердые растворы замещения образуются в сплавах, легированных металлами. В этих твердых растворах атомы легирующего компонента замещают атомы основного металла в узлах кристаллической решетки (рис. 2.4, б). В большинстве сплавов это замещение является хаотическим, беспорядочным (рис. 2.4, б). Но существует ряд сплавов, в твердых растворах которых атомы легирующего элемента располагаются упорядоченно, в определенных узлах кристаллической решетки (рис. 2.4, в).

Промежуточные фазы (ПФ) – это химические соединения, которые образуются в сплавах при определенном соотношении компонентов, в интервале концентраций между чистыми компонентами сплавов. Их частицы отделены от матричного твердого раствора поверхностью раздела. ПФ отличаются от твердых растворов также типом межатомной связи: она может быть ковалентной, ковалентно-металлической, ионной. В любом случае это более сильные связи, чем металлическая связь, вследствие чего ПФ имеют более высокую температуру плавления, модуль упругости, твердость, чем твердые растворы.

В сплавах промежуточные фазы подразделяются по названию легирующего элемента, образующего соединение с металлом: соединения с кислородом – оксиды; соединения с водородом – гидриды; соединения с углеродом – карбиды; соединения с азотом – нитриды; соединения с бором – бориды; соединения с кремнием – силициды; соединения с другим металлом – интерметаллиды или интерметаллические фазы.

Наибольшее значение в сплавах на основе черных металлов, сталях и чугунах имеют карбиды и нитриды.

В порядке увеличения карбидообразующей (нитридообразующей) способности легирующие элементы располагаются в ряд:

	(Fe, Ni) →	(Mn) →	(Cr, Mo, W) →		(V, Nb) →		(Ti, Zr)
	увеличение карбидообразующей (нитридообразующей) способности

Карбиды и нитриды элементов, имеющих большую карбидообразующую (нитридообразующую) способность, чем железо, образуются практически на всех технологических этапах изготовления изделий, связанных с повышенными температурами. Их обычно называют «специальными». К таким фазам относятся:

• TiC, NbC, VC, ZrC, TiN, NbN, с общей формулой MeX (МеС, MeN), имеющие гранецентрированную кристаллическую решетку;

• Карбиды Fe₃C, Cr₇C₃, Cr₂₃C₆, Mo₆C, имеющие сложные кристаллические решетки;

Промежуточные фазы в виде нитридов FeN, Fe₂N, Fe₄N, CrN, AlN образуются при специальной обработке поверхности – азотировании.

Карбиды и нитриды в сталях имеют твердость в несколько раз более высокую, чем твердые растворы, а модуль упругости их превышает модуль упругости сталей более чем в 2 раза. Эти соединения различным образом влияют на свойства сплавов; их используют для упрочнения объема сплава и для упрочнения поверхности.

Промежуточные фазы в виде интерметаллидов существенно влияют на свойства цветных сплавов. Они обычно обозначаются прописными буквами греческого алфавита. Количество групп и типов этих соединений в сплавах чрезвычайно велико. Практическое значение в машиностроительных сплавах имеют четыре группы интерметаллидов: фазы Лавеса (λ), сигма - фазы (σ), фазы типа Ni₃Al (γ΄), электронные соединения (δ, ε, γ) .

Фазовые превращения. Возможность получения разнообразных свойств в сплавах обусловлена тем, что в них могут протекать различные фазовые превращения. Фазовые превращения в сплавах в твердом состоянии происходят при нагреве или при охлаждении и состоят в замене одной фазы (или нескольких фаз) на другую фазу (или нескольких фаз). В упрощенном виде эти превращения описываются той или иной твердофазной реакцией между исходной фазой («старой» – old) – Ф_old и вновь образующейся («новой» - new) фазой – Ф_new:

Ф_old → Ф_new

или для двух образующихся фаз

Ф_old → Ф ¹_new + Ф²_new.

В результате твердофазной реакции образуется фаза (фазы), отличающаяся от исходной или только кристаллической структурой, или одновременно и кристаллической структурой, и химическим составом.

Твердофазные превращения протекают в сплавах под воздействием температуры, количественного соотношения элементов (химического состава).

В зависимости от того, насколько новая фаза отличается от исходной – только кристаллической структурой или кристаллической структурой и химическим составом, существует несколько типов фазовых превращений:

1. Распад твердого раствора. При этом новая фаза (фазы) имеет и кристаллическую решетку, и химический состав, отличные от исходной фазы:

Cхема I

кристаллическая решетка (Ф_old) ≠ кристаллическая решетка (Ф_new)

химический состав(Ф_old) ≠ химический состав (Ф_new)

2. Полиморфное превращение в сплавах, обусловленное полиморфизмом одного из компонентов. Полиморфное превращение может протекать как по схеме I, так и схеме II:

Cхема II

кристаллическая решетка (Ф_old) ≠ кристаллическая решетка (Ф_new)

химический состав(Ф_old) = химический состав (Ф_new)

Все указанные превращения протекают равновесно, т.е. в соответствии с диаграммами состояния. Равновесное состояние получают при очень медленных скоростях нагрева или охлаждения. Равновесие сплава данного состава – состояние, которое не может быть изменено при изменении внешних условий, в частности температуры. Обычно полученное состояние характеризуется наименьшей прочностью и наибольшей пластичностью.

Если в результате фазовых превращений получается метастабильное состояние, то оно обычно характеризуется повышенной прочностью.

Неравновесный распад твердого раствора происходит в том случае, когда из высокотемпературной области твердый раствор охлаждается ускоренно и равновесный распад предотвращается. Например, распад твердого раствора не происходит, а при комнатной температуре получается твердый раствор, пересыщенный по содержанию легирующего элемента.

В результате неравновесного полиморфного превращения получается фаза, не соответствующая низкотемпературной модификации на диаграмме состояния. Это – неравновесная фаза, называемая мартенсит.

Мартенсит – это матричная фаза, которая может быть твердым раствором замещения или внедрения, ненасыщенным и пересыщенным.

Когда мартенсит является твердым раствором замещения (стали систем Fe - Ni, Fe – Cr - Ni, титановые и др. сплавы), то он имеет невысокую твердость и повышенную пластичность, даже если он является пересыщенным. Когда мартенсит представляет собой твердый раствор внедрения, да к тому же и пересыщенный, то он имеет очень высокую твердость и хрупкость. Таким является мартенсит углеродистых, низко - и среднелегированных сталей. При нагреве такой фазы из твердого раствора обычно выделяются высокодисперсные фазы, не соответствующие равновесию, что приводит к значительному упрочнению сплава. Неравновесные фазы при последующем нагреве распадаются с образованием стабильных или метастабильных новых фаз.

Зерна, дендриты, волокна, гранулы, порошки. Эти составляющие строения материалов могут быть различным образом расположены в реальном материале, что и составляет его структуру.

Структура материала – это закономерная пространственная организация, т.е. взаимное расположение объектов, составляющих материал и фаз, расположенных внутри материала, включая границы их раздела.

Рис. 2.5. Обобщенная схема технологии изготовления деталей