Электронные соединения

Фазы внедрения. Фазы внедрения образуют переходные металлы (Fe, Mn, Cr, Mo, V, Ti, W и др.) с металлоидами, имеющими малый радиус: Н (R_H = 0,046 нм), N(R_N = 0,071 нм), С (R = 0,077 нм). Кристаллическая структура фаз внедрения определяется соотношением атомных радиусов металлоида и металла Rx/ Rм: если соотношение Rx/ Rм < 0,53, то структура фаз внедрения простая (кубическая, объемно-центрированная, гранецентрированная, или гексагональная плотноупакованная), если это соотношение больше, то образуется структура с более сложной решеткой. Формулы многих фаз внедрения соответствуют соотношениям Ме₄Х (Fe₄N, Mn₄N, Nb₄N), Me₂X (Fe₂N, W₂C, Мо₂C, Co₂N), MeX (WC, TaC, VC, TiC, VN и др.). Фазы внедрения (карбиды, нитриды) важны в техническом отношении, так как они обладают высокой твердостью, прочностью, и высокой температурой плавления, например, карбид вольфрама WC (Тпл=2867 ^оС, HV1730), карбид титана TiC (HV2850). Вследствие высокой твердости многие карбиды используются при изготовлении режущего инструмента, карбиды и нитриды присутствуют в структуре многих коррозионностойких, износостойких и жаростойких конструкционных сталей. Если условие Rx/ Rм < 0,59 не выполняется, то образуются соединения с более сложными кристаллическими решетками - эти соединения нельзя считать фазами внедрения. На базе фаз внедрения легко образуются твердые растворы вычитания, называемые иногда твердыми растворами с дефектной решеткой. В твердых растворах вычитания часть узлов решетки, которые должны быть заняты атомами одного из компонентов, оказываются свободными. К соединениям, в которых нарушается соотношение Rx/ Rм < 0,5 относятся, например, карбид железа Fe₃C (в сталях его называют цементитом), карбиды хрома (Сr₂₃C₆, Cr₇C₃) - важнейшие фазы в конструкционных и инструментальных сталях, во многом определяющие их свойства.

Фазы Лавеса (названы в честь английского физика Лавеса). Это интерметаллические фазы практически постоянного состава АВ_2, образующиеся при взаимодействии различных групп периодической таблицы элементов. Для образования соединения типа АВ₂ должно выполняться два условия: 1) соотношение радиусов элементов должно составлять около 1,23; 2) содержание элемента с меньшим радиусом должно быть в два раза больше. Фазы Лавеса имеют упорядоченные сложные кубические или гексагональные решетки; в магнитном поле они ведут себя как диамагнетики. Фазы Лавеса, образованные переходными металлами NbFe_2, MoFe₂, TiCr₂ присутствуют как упрочняющие интерметаллидные фазы в структуре жаропрочных сплавов.

s-фазы - интерметаллические соединения переменного состава, образующиеся при сплавлении переходных металлов, имеющих близкие размеры атомов (FeCr, FeCo, CrCo и др.). s-фазы имеют частично упорядоченную структуру. В железных сплавах, содержащих больше 20% Cr, которые используются как коррозионно-стойкие конструкционные материалы, при очень медленном охлаждении из области твердого раствора выпадают кристаллы s-фазы, которые резко увеличивают твердость и охрупчивание сплавов.

Вопросы для самопроверки

1. При каких условиях образуются твердые растворы? Какие виды твердых растворов образуются в сплавах?

2. Дайте определение интерметаллических соединений и приведите примеры.

3. При каких условиях образуются механические смеси и фазовый их состав?

4. В чем различие физико-механических и технологических свойств рассмотренных сплавов?