4. Аллотропия металлов

Аллотропией, или полиморфизмом, называют способность металла в твердом состоянии иметь различные кристаллические формы. Процесс перехода из одной кристаллической формы в другую называют аллотропическим превращением. При нагреве чистого металла такое превращение сопровождается поглощением тепла и происходит при постоянной температуре, что связано с необходимостью затраты определенной энергии на перестройку кристаллической решетки.

Например, железо в интервале температур 911 – 1392 °С имеет гранецентрированную кубическую решетку (ГКЦ) γ-Fe. В интервалах до 911 ºС и от 1392 до 1539°С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК) ‑ α-Fe.

5. Металлические сплавы

Металлические сплавы — макроскопически однородные системы, состоящие из двух или более сортов атомов металлов (или неметаллов), в которых доминирующими являются атомы металла и которые обладают металлическими свойствами. Свойства металлических сплавов могут быть изменены легированием, механической, термической, термомеханической, радиационной и другими видами обработки.

Легирование — введение в состав металлических сплавов так называемых легирующих элементов (например, в сталь — Cr, Ni, Mo, W, V и др.) для придания сплавам определенных физических, химических или механических свойств.

Классификация сплавов

• по химическому составу

• по числу компонентов

• по числу фаз

• по способу получения

Для изучения процессов, происходящих в сплавах при их превращениях, а также для описания строения сплавов в металловедении используют понятия: компонент, фаза, система.

Компонентами называют вещества, образующие систему. Чистый металл представляет собой однокомпонентную систему, сплав двух металлов - двухкомпонентную систему и т.д. Компонентами могут быть металлы и неметаллы, а также устойчивые, т.е. не диссоциирующие на составные части в рассматриваемых интервалах температур вещества – химические соединения.

Фазой называют однородную часть системы, имеющую одинаковый состав, одно и то же агрегатное состояние и отделенную от остальных частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяются скачкообразно.

Совокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (давлении, температуре), называют системой. Сплав называют однородным (гомогенным), если его структура однофазна, и разнородным (гетерогенным), если его структура состоит из нескольких фаз. Под структурой сплав понимают видимое в микроскоп взаимное расположение фаз, их форму и размеры. Компоненты, входящие в состав сплава, могут образовывать следующие фазы:

• жидкие растворы;

• твердые растворы;

• химические соединения

• механические смеси.

Металлические жидкие растворы (расплавы) представляют собой жидкое негомогенное состояние металлов и их сплавов, которое по большинству характеристик (например, по электропроводности и теплопроводности) ближе к твердому состоянию.

Однородные жидкие растворы характерны почти для всех металлов, растворяющихся друг в друге в жидком состоянии в любых соотношениях.

В однородном жидком растворе атомы растворимого металла (компонента) равномерно распределены среди атомов металла–растворителя.

Лишь немногие металлы растворяются в жидком состоянии ограниченно. И только очень немногие металлы из-за большой разницы в размерах своих атомов не растворяются друг в друге в жидком состоянии. В процессе кристаллизации и затвердевания сплавов взаимодействие компонентов может быть различным. Твердые растворы образуются в результате перехода в твердое состояние однородных жидких растворов.

В твердом растворе одно из веществ, входящих в состав сплава, сохраняет присущую ему кристаллическую решетку, а другое в виде отдельных атомов распределяется в кристаллической решетке первого вещества.

Металлические твердые растворы образуются в результате проникновения в кристаллическую решетку основного металла атомов другого металла или неметалла. Различают твердые растворы замещения (а) и твердые растворы внедрения (б) (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Схемы строения решеток твердых растворов замещения (а) и внедрения (б)

Так как электронное строение и размеры атомов основного металла (растворителя) и растворенного компонента различны, то при образовании металлического твердого раствора кристаллическая решетка всегда искажается, и периоды ее изменяются. При образовании раствора внедрения период решетки растворителя всегда возрастает, а при образовании твердого раствора замещения — может увеличиться или уменьшиться в зависимости от соотношения атомных радиусов растворителя и растворенного компонента.

Большинство металлов в той или иной степени взаимно растворяются друг в друге в твердом состоянии. Например, без изменения типа кристаллической решетки в алюминии может растворяться до 5,5 % Сu, а в меди — 39 % Zn.

Если компоненты могут замещать друг друга в любых количественных соотношениях, то они образуют непрерывный ряд твердых растворов, имеющих одну и ту же кристаллическую решетку. Образование твердых растворов всегда сопровождается увеличением электрического сопротивления и уменьшением его температурного коэффициента. Твердые растворы обычно менее пластичны (исключение составляют твердые растворы на основе меди) и всегда более тверды и прочны, чем чистые металлы.

При этом в значительной мере свойства изменяются в твердых растворах внедрения, так как искажения решетки при их образовании больше.

Полностью упорядоченные твердые растворы (сверхструктуры) образуются, когда отношение компонентов в сплаве равно целому числу: 1:1; 1:2; 1:3 и др. (рис. 3.10.). В этом случае сплаву с упорядоченным строением можно приписать формулу химического соединения, например, CuAu или Сu₃Аu. Таким образом, упорядоченные твердые растворы можно рассматривать как промежуточные фазы между твердыми растворами и химическими соединениями.

Рис. 2.10. Кристаллические решетки упорядоченных твердых растворов: а) CuZn; б) CuAu; в) Cu3Au

В металловедении принято обозначать: чистые компоненты большими буквами латинского алфавита — А, В, С и др.; твердые растворы — малыми буквами греческого алфавита — α, β, γ и др., a упорядоченные твердые растворы теми же буквами со штрихом — α’, β’, γ’ и др.

Понятие «химическое соединение» определяет химически индивидуальное вещество, в котором атомы одного (например, N₂ и O₂) или различных (CuZn, Mо₂C) элементов соединены между собой тем или иным видом химической связи. Известно свыше 3 млн. химических соединений. В металлических сплавах это понятие охватывает только химические соединения, образованные из различных компонентов сплава.

Химические соединения, образующиеся в металлических сплавах из различных компонентов, отличаются от типичных химических соединений тем, что не подчиняются законам валентности и не имеют постоянного состава, а от упорядоченных твердых растворов — тем, что сохраняют свою кристаллическую решетку до температуры плавления.

Химические соединения по электронному строению и свойствам разделяют на классы: электронные соединения, интерметаллиды, фазы внедрения и др.

Электронные соединения (электронные фазы) чаще всего образуются между одновалентными (Сu, Ag, Li, Na и др.) металлами или переходными металлами (Fe, Mn, Со и др.) и металлами с валентностью от 2 до 5 (Be, Mg, Zn, Al и др.).

Интерметаллиды (интерметаллические соединения) — химические соединения металлов с металлами и неметаллами (нитриды, карбиды, гидриды и др.), обладающие металлической связью. Интерметаллические соединения образуют переходные металлы (Fe, Mn, Cr, Mo и др.) с углеродом, азотом, бором и водородом, то есть с элементами, имеющими малый атомный радиус. Кристаллическое строение фаз внедрения определяется соотношением атомных радиусов неметалла (Rx) и металла (Rm).

Атомы металла расположены по типу одной из простых решеток (кубической или гексагональной), в определенные пустоты (поры) которой внедрены атомы неметалла. Механическая смесь двух компонентов А и В образуется тогда, когда при кристаллизации компоненты сплава не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. Механическая смесь может состоять из зерен двух насыщенных твердых растворов или зерен твердого раствора и химического соединения. В этом случае сплав состоит из кристаллов А и В, которые, если они достаточно крупны, отчетливо выявляются на микроструктуре. Рентгенограмма сплава отчетливо показывает наличие двух решеток компонентов А и В.