Фазы в сплавах

Металлическим сплавом называется вещество, состоящее из двух или более элементов (металлов или металлов с металлоидами), обладающее металлическими свойствами. Способы приготовления сплавов: сплавление, реже спекание, электролиз или возгонка. Сплав считается металлическим, если его основу (свыше 50 мас. %) составляют металлические компоненты. Металлические сплавы обладают более высокими прочностными и другими механическими свойствами по сравнению с чистыми металлами. По этой причине они получили широкое применение в качестве конструкционных материалов.

При сплавлении нескольких веществ образуются новые фазы. Химические соединения образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток.Существуют устойчивые и неустойчивые химические соединения. Устойчивое химическое соединение характеризуется строго определенной температурой плавления, а у неустойчивое плавится в интервале температур. Различают химические соединения с нормальной валентностью, электронные соединения и фазы внедрения.

Характерные особенности химических соединений:

1 – кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов, образующих соединение; обычно сложная кристаллическая решетка;

2 – в соединении всегда сохраняется простое кратное весовое соотношение элементов, А_nВ_m где 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.

Соединения одних металлов с другими называются интерметаллидами ( NiAl, Ni₃Al). Химическая связь между атомами в интерметаллидах обычно металлическая. Электронные соединения не подчиняются правилу валентности, но имеют определенную электронную концентрацию. Например: b- фаза СuZn с электронной концентрацией 3/2, g-фаза Cu₅Zn₈ c электронной концентрацией 21/13 и e - фаза CuZn₃ с электронной концентрацией 7/4. Электронные соединения имеют также свою кристаллическую решетку, но в отличие от химических соединений с нормальной валентностью, имеют переменный состав.

Фазы внедрения – на основе химических соединений, фазы переменного состава. Образуют переходные металлы Fe, Mn, Cr, Mo с элементами, имеющими малый атомный радиус (углеродом, азотом, бором, водородом). При образовании фазы внедрения меняется решетка растворителя. Пример фаз внедрения: TiC, Fe₄N, W₂C.

Фазы Лавеса имеют общую формулу АВ₂, образуются между компонентами с соотношением атомных диаметров 1,2 (1,1 – 1,6). Имеют гексагональную или гранецентрированную кубическую решетки. Пример: CaAl₂, AgBe₂,TiCr₂.

s-фазы – образуют соединения переходных металлов, содержит примерно 50% каждого из образующих элементов. Обладает повышенной твердостью и хрупкостью, нежелательна в сплавах. Пример: FeCr, VMn, CoCr, FeMo.

Основу любого сплава составляют твёрдые растворы. Твердыми растворами называют фазы переменного состава, в которых один из компонентов сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого располагаются в решетке первого, изменяя ее размеры. Твердые растворы замещения образуются путем замены атомов растворителя атомами растворенного компонента (рис. 27).

Рисунок 27 - Кристаллические решетки твердого раствора замещения при неограниченной растворимости компонентов

В зависимости от соотношения атомных радиусов растворяемого элемента и растворителя параметр решетки при образовании твердого раствора замещения может уменьшаться или увеличиваться. Твердые растворы замещения могут быть упорядоченными – атомы растворенного элемента занимают строго определенные узлы кристаллической решетки растворителя.

Твердые растворы внедрения образуются путем размещения атомов растворенного компонента в свободных промежутках между атомами решетки растворителя. Пример – твердый раствор углерода, азота, водорода и бора в a- или g-железе, когда растворяются элементы с малыми атомными радиусами с недостроенными внутренними электронными оболочками. Твердые растворы внедрения всегда имеют ограниченную растворимость, параметр кристаллической решетки увеличивается при образовании такого раствора (рис. 28).

Рисунок 28 – Кристаллическая решётка твердого раствора внедрения

Твердые растворы вычитания (растворы с дефектной решеткой) образуются когда при добавлении растворяемого компонента узлы решетки, где должны быть атомы растворяемого компонента заполнены, а где атомы растворителя – свободны. Такие растворы образуются только на базе химических соединений. При образовании такого раствора происходит уменьшение параметра решетки.

В отличие от химических соединений при образовании твердых растворов:

1 – сохраняется тип кристаллической решетки растворяемого компонента;

2 – состав переменный;

3 – плавление происходит в интервале температур.

4 – для образования твердого раствора не требуется тепловой расход.

Общее с химическими соединениями – свойства образующих компонент меняются, но в значительно меньшей степени.

Твердые растворы замещения с неограниченной растворимостью могу образовываться при соблюдении следующих условий:

1 – Кристаллические решетки компонентов должны быть одинаковы.

2 - Различие в атомных размерах компонентов должно быть незначительным и не превышать 8-15% (9 % для сплавов на основе железа).

3 – Компоненты должны принадлежать к одной и той же группе Периодической системы элементов или к смежным родственным группам и в связи с этим иметь близкое строение валентной оболочки электронов в атомах. Если не выполняется хотя бы одно из этих условий, растворимость ограничена.

Примеры твердых растворов с неограниченной растворимостью: Ni-Cu, Ag-Au, Fe-Co, Fe-Cr и др.

Если элементы, входящие в состав сплава, не растворяются друг в друге в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения, то при этих условиях из атомов каждого элемента образуется отдельная кристаллическая решетка, и кристаллы (зерна) элементов, входящие в сплав, образуют механическую смесь. При образовании механической смеси каждый элемент кристаллизуется самостоятельно, и свойства сплава получаются средними между свойствами элементов, которые его образуют.

Механические смеси образуются также в случаях, когда элементы обладают ограниченной растворимостью, а также когда они образуют химическое соединение. Если в сплаве количество элементов превышает их предельную растворимость, то возникает механическая смесь двух насыщенных твердых растворов. При наличии химического соединения образуется механическая смесь из зерен твердого раствора и химического соединения.

Химический состав сплава определяет его фазовый состав, свойства, режим термообработки. Обычно химический сталей и сплавов указывается в мас. %. Например: сталь 45ХН имеет следующий химический состав: 0.41-0.49 углерода, 0,17 - 0,37 кремния, 0,45 - 0,8 хрома, 1 - 1,4 никеля, фосфора не более 0,035, серы не более 0,035, меди не более 0,3.

Фазой называется однородная по химическому составу и кристаллическому строению часть системы, отделенная от других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачком. Однородная жидкость является однофазной системой, а механическая смесь двух видов кристаллов – двухфазной.