1.5 Диаграмма прочность – плотность дефектов

Современной наукой о металлах установлена значительное влияние дефектов кристаллических решеток на прочность металлов.

Так реальные металлы, содержащие 10⁶-10⁸см^-2 дислокаций или других дефектов кристаллической решетки по сравнению с идеальными бездефектными металлами в 100 -1000 раз менее прочны. Это по расчетам, т.к. идеальный металл пока получить никому не удалось. Даже в космосе получают лишь приближающиеся к идеальным кристаллы.

В земных условиях ученые успешно изготавливают (выращивают) ”усы“ имеющие очень мало дефектов. Прочность их приближается к теоретической. Но, как показали Одинг И.А. и Бочвар А.А зависимость прочности от плотности дефектов – нелинейная (рисунок 14).

Рисунок 14 – Зависимость прочности от плотности дефектов

При увеличении ρ>ρ_кр (например, до 10¹⁰см^-2) дислокации начинают мешать, тормозить друг друга и прочность ↑. Т.е. дело здесь не только в количестве дефектов, сколько в их подвижности. Поэтому мелкозернистый металл прочнее крупнозернистого как заметил Д.К.Чернов.

Правая ветвь (рисунок ) – это используемые технологии (легирование, термообработка, все виды обработки металлов давлением), но она обеспечивает до 30% от теоретической прочности. Деформация – упрочняет (например, при изготовлении гвоздей). Если бы металл не был бы способным пластически деформироваться, то происходили бы катастрофы (например, из стекла никто не изготавливает коленной вал). Левая ветвь – это новейшие современные технологии.

1.6 Строение сплавов

Сплав – это вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. Химические элементы или вещества, образующие сплав принято называть компонентами.

В жидком состоянии металлы чаще растворимы друг в друге и представляют одну фазу. Некоторые металлы (Рв и Fe, Рв и Zn) нерастворимы друг в друге, но их очень мало. А что такое фаза?

Фазой называют однородную часть неоднородной системы, отделенную от других ее частей поверхностями раздела, при переходе которых свойства меняются скачком.

Система включает все фазы, из которых состоит данный сплав в данный момент независимо от внешних условий

Компоненты сплава могут по-разному взаимодействовать при затвердевании:

1. могут растворяться друг в друге, образуя твердые растворы

2. вступать в химическое взаимодействие, образуя химические соединения

3. не взаимодействовать друг с другом, образуя механические смеси.

1.7 Твердые растворы

Как уже было сказано, в жидком состоянии большинство металлов в неограниченных количествах растворяются друг в друге, т.е. образуют однородную жидкость или жидкие растворы.

При переходе в твердое состояние во многих таких сплавах однородность сохраняется, следовательно, сохраняется и растворимость. Имеет место твердый раствор.

Наблюдая такой сплав в металлографическом микроскопе нельзя по структуре отличить его от чистого металла. Тип кристаллической решетки в обоих случаях одинаков.

Рисунок 15 – Схема металлографического изображения твердого раствора

Вместе с тем химический анализ показывает в случае (см. рисунок 15)

а) – один компонент

б) – два компонента

Твердый раствор является однофазным, если состоит из одного вида кристаллов, имеет одну кристаллическую решетку.

Строение твердых растворов таково, что в решетку одного из компонентов (А) внедряются или замещаются атомы А – атомы компонента В, т.е. возможно образование твердых растворов двух типов:

1. твердых растворов замещения (б)

2. твердых растворов внедрения (в)

а – решетка компонента А, б – твердый раствор замещения, в – твердый раствор внедрения

Рисунок 16 – Схематическое представление твердых растворов

Твердые растворы замещения могут быть ограниченные и неограниченные. При неограниченной растворимости любое количество атомов А, может быть замещено любым количеством атомов В, вплоть до чистого компонента В.

Конечно, это возможно в том случаи, когда:

1) оба металла имеют одинаковую кристаллическую решетку, т.е. изоморфны (или весьма близки г.ц.к. и тетрогонал. решетка)

2) атомные радиусы также должны быть близки (в Fe не должны отличаться, > чем на 8 %). Если же радиусы отличаются сильно, то могут образоваться ограниченные твердые растворы.

3) элементы должны быть рядом в таблице Менделеева, т.е. иметь одинаковую физическую природу и близкое строение валентных оболочек.

Например: Cu-Ni, Se-Te, Ag-Au.

Чем больше отличие элементов в размерах атомов и свойствах, тем растворимость меньше.

При образовании твердых растворов внедрения параметры решетки увеличиваются, т.к. размеры внедряющихся атомов (ионов) больше, чем размеры межатомных промежутков.

Поэтому, понятно, что размеры атомов В должны быть невелики, а внутри решетки А должно быть достаточно места для их внедрения.

Действительно, внедряющимися являются элементы I и II периодов (H, N, С, O, B). N и B твердые растворы внедрения для сталей и чугунов. Обозначаются твердые растворы – А (B) где А – растворитель, В – растворимый элемент В. А чаще всего γ, β, γ, δ и т.д.

В некоторых сплавах (например Cu-Au, Fe-Al, Fe-Si) образующихся при высоких температурах твердые растворы замещения с беспорядочным расположением атомов компонентов при медленном охлаждении или длительных выдержках при определенных температурах претерпевают процесс перераспределения и упорядочения атомов. Это так называемые упорядоченные твердые растворы или сверхструктуры.

Чаще они образуются при соотношениях компонентов, равных целым числам (1:1, 1:3) и поэтому их иногда обозначают CuAu, Cu₃Au. Свойства их – меняются.

Сверхструктуры это нечто промежуточное между твердыми растворами и химическими соединениями. Ведь правильное расположение атомов и резкое изменение свойств характерно для химических соединений. Однако главное отличие их от химических соединений – сохранения решетки растворителя.