6. Теория сплавов

Под сплавом подразумевают вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. Строение металлического сплава более сложно, чем чистого металла и зависит от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, образующие сплав. Введем несколько понятий, которые будут использоваться далее.

Совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия, называют системой. Фазой называют однородные составные части системы, имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение и свойства, одно и то же агрегатное состояние и отделенные от составных частей поверхности раздела. Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения фаз в металлах и сплавах.

6.1. Механическая смесь

Механическая смесь двух компонентов А и В образуется тогда, когда они не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. При этих условиях сплав будет состоять из кристаллов А и В. Механические свойства зависят от количественного соотношения компонентов, а также от размера и формы зерен.

6.2. Химическое соединение

Для химического соединения характерны следующие отличительные особенности:

1. Кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов, образующих соединение.

2. В соединении всегда сохраняется простое кратное соотношение его компонентов. Это позволяет выразить их состав простой формулой A_mB_n, где А и В – соответствующие элементы, n и m – простые числа.

3. Свойства соединения резко отличаются от свойств образующих его компонентов.

4. Температура плавления (диссоциации) постоянная.

5. Образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.

Химические соединения образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток.

В качестве примера типичных химических соединений можно назвать такие, как соединения магния с элементами IV-VI групп периодической системы: Mg₂Sn, Mg₂Pb, Mg₂P, Mg₃Sb, MgS и другие.

Соединения одних металлов с другими носят общее название интерметаллических соединений, или интерметаллидов.

Соединения металла с неметаллом (нитриды, оксиды, карбиды и др.) могут иметь как металлическую, так и ионную связь. Соединения, имеющие металлическую связь, называют металлическими соединениями.

Большое число химических соединений, образующихся в металлических сплавах, отличается от типичных химических соединений, так как не подчиняется законам валентности и не имеет постоянного состава. Рассмотрим наиболее важные химические соединения, образующиеся в сплавах.

6.2.1.Фазы внедрения. Переходные металлы (Fe, Mn, Cr, Mo и др.) образуют с углеродом, азотом, бором и водородом, т.е. с элементами, имеющими малый атомный радиус, соединения: карбиды, нитриды, бориды и гидриды. Они имеют общность строения и свойств и часто называются фазами внедрения.

Фазы внедрения имеют формулу М₄Х (Fe₄N, Mn₄N и др.), M₂X (W₂C, Fe₂N и др.), MX (WC, TiC,TiN и др.).

Кристаллическая структура фаз внедрения определяется соотношением атомных радиусов неметалла (R_x) и металла (R_M). Если R_x/ R_M <59, то атомы в этих фазах расположены по типу одной из кристаллических решеток: кубической или гексагональной, в которую внедряются атомы неметалла, занимая в ней определенные поры.

Фазы внедрения являются фазами переменного состава. Карбиды и Нитриды обладают высокой твердостью. Кристаллическая решетка фаз внедрения отличается от решетки металла.

6.2.2. Электронные соединения (фазы Юм-Розери). Эти соединения чаще образуются между одновалентными (Cu, Ag, Au, Li, Na) металлами или металлами переходных групп (Fe, Mn, Co и др.), с одной стороны, и с простыми металлами с валентностью от 2 до 5 (Be, Mg, Zn, Cd, Al и др.), с другой стороны. Соединения этого типа имеют определенное соотношение числа валентных электронов к числу атомов, т.е. определенную электронную концентрацию. Эти соотношения, как показал английский металлофизик Юм-Розери, могут быть 3/2, 21/13 и 7/4, причем каждому соотношению соответствует определенная кристаллическая решетка: объемно центрированная кубическая или гексагональная решетка, сложная кубическая решетка и гранецентрированная кубическая решетка, соответственно.

6.2.3.Фазы Лавеса. Эти фазы имеют формулу АВ₂ и образуются между элементами, атомные диаметры которых находятся примерно в соотношении 1 : 1,2. Например, MgZn₂, TiCr₂ и др. Фазы Лавеса встречаются как упрочняющие интерметаллиды в жаропрочных сплавах.