Лекция 4. Основы теории сплавов

4.1. Основные фазы в сплавах

Вещество, полученное сплавлением двух или более исходных простых веществ (компонентов), называется сплавом.

Твердыми растворами называются фазы, в которых один из компонентов сплава (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, в которой располагаются атомы других компонентов, изменяя ее размеры (периоды). Образование твердых растворов возможно, если атомные радиусы компонентов различаются не более чем на 15%.

При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке.

При неограниченной растворимости кристаллическая решетка растворителя по мере увеличения концентрации растворенного компонента плавно переходит в его кристаллическую решетку (,,,).

Для образования неограниченных твердых растворов необходимо:

• однотипность кристаллических решеток сплавляемых компонентов;

• близость атомных радиусов компонентов (они не должны отличаться больше чем на 8%);

• близость их физико-химических свойств.

Твердые растворы с ограниченной растворимостью (и др.) образуются, если, в частности, атомные радиусы компонентов различаются на. В такой системе повышение концентрации растворенного вещества возможно лишь до определенного предела, при превышении которого твердый раствор распадается и образуется двухфазная смесь.

При образовании твердого раствора внедрения атомы растворенного компонента располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решетки растворителя. Это возможно, если внедряемые атомы имеют малые размеры. Такими атомами являются атомы элементов, находящихся в начале Периодической системы Д.И. Менделеева (,,,).

Характерными свойствами химических соединений являются:

• новый тип кристаллической решетки, отличный от кристаллических решеток сплавляемых компонентов;

• постоянство состава, которое отражается формулой химического соединения ;

• постоянство температуры кристаллизации.

Соединения с нормальной валентностью образуют металлы с типичными неметаллами (,,и др.). В сплавах они присутствуют в виде неметаллических включений.

Фазы внедрения – соединения переходных металлов с углеродом (карбиды), азотом (нитриды), водородом (гидриды), бором (бориды). Фазы внедрения имеют формулы типа ,,,. Фазы внедрения имеют переменный состав, а приведенные выше химические формулы обычно характеризуют максимальное содержание в них неметалла. Фаза внедрения имеют большое практическое значение, обеспечивая значительное упрочнение металлических сплавов.

Электронные соединения чаще образуются между одновалентными (,,,,) металлами или металлами переходных групп (,,и др.) с одной стороны и простыми металлами с валентностью от 2 до 5 (,,,,и др.) с другой стороны. Электронные соединения, подобно обычным химическим соединениям, имеют кристаллическую решетку, отличную от решеток образующих элементов. Но в отличие от химических соединений с нормальной валентностью электронные соединения образуют с компонентами, из которых они состоят, твердые растворы в широком интервале концентраций.

Механические смеси образуют металлы, значительно отличающиеся атомными объемами и температурой плавления. В подобной системе металлы, образующие сплав, сохраняют кристаллическую решетку в пределах кристаллов исходных компонентов (сплавы ,и др.).

Упорядоченными называются твердые растворы, в которых атомы компонентов ирасположены не хаотично, как в обычных твердых растворах, а упорядоченно. Образование таких систем (сверхструктур) сопровождается резким изменением свойств сплава – растет прочность, снижается пластичность.

Фазы Лавеса имеют формулу и образуются между компонентамиипри отношении их атомных диаметров, равном. Фазы Лавеса могут иметь решетку ГЦК () или ГПУ ().