Лекция 5. Фазы и структура в металлических сплавах, их значение для создания конструкционных материалов

В сплавах в зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы, твердые растворы, химические со­единения.

Твердые растворы. Твердыми растворами называют фазы, в которых один из ком­понентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, и атомы других (или другого) компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры (периоды). Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу.

Различают твердые растворы замещения (рисунок 1 б.а) и твердые растворы внедре­ния (рисунок 16,'6). При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке.

При образовании твердого раствора внедрения (рисунок 16, б) атомы растворенного компонента располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решетки раствори­теля. При этом атомы располагаются не в любом междоузлии, а в таких пустотах, где для них имеется больше свободного пространства. Например, в плотноупакованной ГЦК ре­шетке наиболее подходящей будет октаэдрическая пора (центры шести атомов - шаров, между которыми образовалась пора, расположены по вершинам октаэдра) (рисунок 16. а).

Так как и электронное строение, и размеры атомов растворителя и растворенного компонента различны, то при образовании твердого раствора кристаллическая решетка всегда искажается (рисунок 17, а.б) и периоды её изменяются. При образовании твердого раствора замещения период решетки может увеличиться или уменьшиться в за­висимости от соотношения атомных радиусов растворителя и растворенного компонента. В случае твердого раствора внедрения период решетки растворителя всегда возрастает.

Рисунок 16 - Кристаллическая решетка твердого раствора замещения (а) и внедрения

(б)

Рисунок 17 - Искажения кристаллический решетки растворителя при образовании твердого раствора внедрения (а, атом В) и замещения (б, атом D) и расположения атомов внедрения и замещения в области дислокации (а. г)

Атомы растворенного компонента нередко скапливаются у дислокации (рисунок 17 в, г) снижая их упругую энергию. В растворах замещении атомы меньшего размера (по сравнению с атомами металла растворителя) скапливаются в сжатой зоне решетки, атомы больших размеров - в растянутой зоне решетки. При образовании твердого раствора вне­дрения атомы растворенного элемента располагаются и растянутой области под краем экстраплоскости (рис.17, г). В области дислокаций чужеродные атомы легче размещают­ся, чем в совершенной области решетки, где такие атомы вызывают значительные иска­жения решетки. Атомы внедрения значительно сильнее связываются с дислокациями, чем атомы замещения, образуя так называемые атмосферы Котрелла. Образование атмосфер сопровождается уменьшением искажения решетки, что предопределяет их устойчивость.

Все металлы могут в той или иной степени взаимно растворяться друг в друге в твер­дом состоянии 'В металловедении принято обозначать: чистые компоненты - большими буквами латинского алфавита А, В, С, твердые растворы - малыми буквами греческого алфавита α, β, γ и т.д., а упорядоченные твердые растворы теми же буквами со штрихом α', β', γ' и т.д.

Например, в алюминии может растворяться до 5,5 % Си, а в меди 39 % Zn без изме­нения типа их кристаллической решетки. В тех случаях, когда компоненты могут заме­шать друг друга в кристаллических решетках в любых количественных соотношениях, образуется непрерывный ряд твердых растворов.

Твердые растворы замещения с неограниченной растворимостью могут образоваться при соблюдении условий, приведенных ниже.

Рисунок 18 - Кристаллические решетки упорядоченных твердых растворов: а — CuZn; б — CuAu; в — СизАи

1. Компоненты должны обладать одинаковыми по типу (изоморфными) кристалли­ческими решетками. Только в этом случае при изменении концентрации твердого раство­ра будет возможен непрерывный переход от кристаллической решетки одного компонента к решетке другого компонента.

2. Различие в атомных размерах AR компонентов должно быть незначительным и не превышать 8—15 % .

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.

Например, неограниченно растворяются в твердом состоянии следующие металлы с ГЦК-решеткой: Ag и Аи (AR = 0,2 %), Ni и Си (AR = 2,7 %), № и Rd (AR = 10.5 %) и др.. а также металлы с ОЦК-решеткой: Мо и W (AR = 9,9 %), V - Ti (AR = 2 %). Такие металлы, как Na, Са, R, Pb, Sr и другие, имеющие большой атомный диаметр, в Fe_v, Си, Ni нерас­творимы. Однако даже при соблюдении перечисленных условий непрерывный ряд твер­дых растворов может не возникнуть. Твердые растворы внедрения образуются только в тех условиях, когда диаметр атома растворенного элемента невелик.

Твердые растворы этого типа получаются лишь при растворении в металле (напри­мер, в железе, молибдене, хроме и т. д.) углерода (атомный радиус 0,077 нм), азота (0.071 нм), водорода (0,046 нм), т. е. элементов с малым атомным радиусом. Твердые растворы внедрения могут быть только ограниченной концентрации, поскольку число пор в решет­ке ограничено, а атомы основного компонента сохраняются в узлах решетки. Роль этого вида твердого раствора значительна в сталях и чугунах.

В некоторых сплавах (например, Си—Аи, Fe—Al, Fe—Si, Ni—Mn и др.), образую­щих при высоких температурах растворы замещения (с неупорядоченным чередованием атомов компонентов), при медленном охлаждении или длительном нагреве при опреде­ленных температурах протекает процесс перераспределения атомов, в результате которого атомы компонентов занимают определенные положения в кристаллической решетке (ри­сунок 18). Твердые растворы, устойчивые при сравнительно низких температурах, полу­чили название упорядоченных твердых растворов, или сверхструктур.

Полностью упорядоченные растворы образуются, когда отношение компонентов в сплаве равно целому числу: 1:1, 1:2,1 : 3 и т. д. В этом случае сплаву с упорядоченной структурой можно приписать формулу химического соединения, например, CuAu или СизАи (рисунок 18).

Упорядоченные твердые растворы можно рассматривать как промежуточные фазы между твердыми растворами и химическими соединениями. Правильное расположение атомов обоих компонентов в решетке и резкое изменение свойств характерно для химиче­ских соединений. Однако в упорядоченных твердых растворах в отличие от химического соединения сохраняется решетка растворителя, и при нагреве до определенной темпера­туры (точки Курнакова) степень упорядочения постепенно уменьшается, а выше этой температуры твердый раствор становится неупорядоченным.

Образование упорядоченных твердых растворов сопровождается изменением физи­ческих (магнитные свойства, электросопротивление и др.) и механических свойств. Проч­ность обычно возрастает, а пластичность ухудшается.