Фазы металлических сплавов

В сплавах могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы, химические соединения, чистые компоненты в твёрдом состоянии, а также твёрдые растворы.

В расплавленном состоянии компоненты сплавов обычно образуют неограниченные жидкие растворы. В этом случае сплав является однофазным и состоит только из одного жидкого раствора.

В твёрдом состоянии компоненты сплава могут образовывать химические соединения, если вступают в химическое взаимодействие друг с другом. В химическом соединении наблюдается строгое соотношение компонентов, что можно выразить химической формулой А_nВ_m, где А и В это компоненты сплава, а m и n – целые числа. В одном сплаве может образовываться несколько химических соединений с различной химической формулой (например, А₂В, А₃В₄ и т.п.). Химические соединения обладают своей собственной структурой и свойствами, отличными от структуры и свойств образующих их элементов А и В.

Если компоненты сплава А и В растворяются друг в друге в твёрдом состоянии, то тогда наблюдается образование твёрдых растворов А(В) или В(А). В первом случае компонент А является растворителем, а В растворённым компонентом. Во втором случае - наоборот. При образовании твёрдых растворов сохраняется кристаллическая структура компонента-растворителя. В общем случае А(В) ¹ В(А).

Возможны два типа твердых растворов: твёрдые растворы замещения и твёрдые растворы внедрения. При образовании твёрдых растворов замещения атомы растворенного компонента замещают атомы растворителя в узлах его кристаллической решетки.

- А

- В

Твёрдый раствор замещения Твёрдый раствор внедрения

При образовании твёрдых растворов внедрения атомы растворенного компонента размещаются в порах кристаллической решётки компонента-растворителя. Как правило, твёрдые растворы внедрения образуют элементы, имеющие меньший атомный радиус, чем атомы растворителя (например, углерод или азот в железе).

Растворённые элементы искажают кристаллическую решётку компонента растворителя. При некоторой концентрации растворённых атомов искажения решётки могут достичь своего предельного значения, что ведёт к ограничению растворимости. С увеличением температуры предел растворимости компонентов обычно увеличивается.

Твёрдые растворы внедрения всегда оказываются ограниченными. В них предельная концентрация растворённого элемента обычно не превышает 1-2%. Твёрдые растворы замещения могут быть и неограниченными. Такое возможно когда компоненты А и В имеют одинаковую кристаллическую решётку, близкий атомный радиус и близкое расположение в таблице Менделеева (например Au и Ag, Au и Pt). При этом атомы компонента В могут непрерывно замещать атомы компонента А в узлах его кристаллической решётки. В результате осуществляется плавный переход от чистого компонента А к чистому компоненту В.

Атомы растворенного элемента обычно распределяются в пространстве случайным образом. Соответствующие твёрдые растворы называют неупорядоченными. Однако при некоторых условиях атомы растворённого компонента могут занимать строго определенные позиции в кристаллической решётке компонента растворителя. В этом случае говорят об образовании упорядоченных твёрдых растворов.

Твердые растворы могут образовываться и на базе химического соединения. В этом случае растворителем является химическое соединение А_nB_m, а один из компонентов (А или В) растворяются в этом соединении, образуя твёрдый раствор замещения. В химическом соединении может растворяться и третий компонент С.

Если компоненты сплава химически не взаимодействуют и не растворяются друг в друге, то тогда в сплаве наблюдается образование механической смеси чистых компонентов А и В. Микроструктура сплава в этом случае имеет следующий вид:

Здесь каждое зерно - это чистый компонент А или В, с характерными для него свойствами и структурой. Свойства же всего сплава в целом будут определятся суммой свойств компонентов А и В в зависимости от их соотношения.