Химические соединения

Химические соединения и родственные им по природе фазы в металлических сплавах многообразны, Характерные особенности химических соединений, образованных по закону Нормальной валентности, приведены ниже.

1. Кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов, образующих соединение.

2. В соединении всегда сохраняется простое кратное соотношение компонентов. Это позволяет выразить их состав простой формулой А_n В_m, где А и В — соответствующие элементы; nиm — 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.

В отличие от твердых растворов химические соединения обычно образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристал­лических решеток.

В качестве примера типичных химических соединений с нормальной валентностью можно указать на соединения магния с элементами IV—VI групп периодической системы: Mg₂Sn, Mg₂Pb, Mg₂P, Mg₂Sb, Mg3Bi₂, Mg S и др.

Соединения одних металлов с другими носят общее название интерметаллидов, или интерметаллических соединений.

Соединения металла с неметаллом (нитриды, карбиды, гидриды и т. д.), которые мо­гут обладать металлической связью, нередко также называют металлическими соедине­ниями.

Большое число химических соединений, образующихся в металлических сплавах, от­личается по некоторым особенностям от типичных химических соединений, так как не подчиняется законам валентности и не имеет постоянного состава.

Ниже будут рассмотрены наиболее важные химические соединения, образующиеся в сплавах.

Фазы внедрения.

Переходные металлы (Fe, Мл, Сг, Мо и др.) образуют с углеродом, азотом, бором и водородом, т. е. с элементами, имеющими малый атомный радиус, соеди­нения: карбиды, нитриды, бориды и гидриды. Они имеют общность строения и свойств и часто называются фазами внедрения.

W»bi внедрения имеют формулу М₄Х (Fe₄N, Мn₄N и др.), М₂Х (W₂ С, Мо₂С, Fe₂N и др.), MX(WC, VC, TiC, NbC, TiN, VN и др.).

Кристаллическая структура фаз внедрения определяется соотношением атомных ра­диусов, неметалла (R_x) и металла (R_m). Если rx/rm < 59, то атомы металла в этих фазах расположены по типу одной из простых кристаллических решеток: кубической (К8, К12) или гексагональной (Г12), в которую внедряются атомы неметалла, занимая в ней опреде­ленные поры.

Фазы внедрения являются фазами переменного состава. Карбиды и нитриды, отно­сящиеся к фазам внедрения, обладают высокой твердостью.

Рассмотренные вышe твердые растворы внедрения образуются при значительно меньшей концентрации второго компонента (С. А. Н) и имеют решетку металла рас­творителя, тогда как фазы внедрения получают кристаллическую решетку, отличную от решетки металла.

Если условие R_x/R_m < 0,59 не выполняется, как это наблюдается для карбида железа, марганца и хрома, то образуются соединения с более сложными решетками, и такие 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. В избытке по сравнению со стехиометрическим соотношением М„ Х_т имеется другой компонент. Растворы вычитания образуются, например, в карбидах VC. TiC. ZrC. NbC и др.

Электронные соединения. Эти соединения чаще образуются между одновалентны­ми (Си, Ag, Аи, Li. Na) металлами или металлами переходных групп (Fe, Мn, Со и др.), с одной стороны, и простыми металлами с валентностью от 2 до 5 (Be, Mg, Zn, Cd, Al и др.) с другой стороны. Соединения этого типа имеют определенное отношение числа ва­лентных электронов к числу атомов, т. е. определенную электронную концентрацию. Так, существуют соединения, у которых это отношение в одних случаях равно 3/2 (1.48): в других — 21/13 (1.62), в третьих — 7/4 (1.75). Каждому из указанных соотношений соот­ветствуют и определенные типы кристаллической решетки.

Все соединения с электронной концентрацией, равной 3/2 (1,48), имеют кубическую объемноцентрированную, сложную кубическую или гексагональную решетку и обозна­чаются как β - соединения. К соединениям этого типа относятся CuBe, CuZn, Сu₃А1, Cu₅Sn, CoAl, FeAl и др.

Соединения с электронной концентрацией 21/13 (1.62) имеют сложную решетку и обозначаются у-фазой. К ним относятся соединения Cu₅Zn₈. Cu_?Cd₈, Fe₅Zn_2]. Co₅Zn₂₁ и др.

Соединения с электронной концентрацией 7/4 (1.75) имеют плотноупакованную гек­сагональную решетку и обозначаются ξ -фазой. К ним относятся соединения CuZn₃, СuСd₃, Cu₃Si, Cu₃Sn, Au₃Sn и др.

Электронные соединения подобно обычным химическим соединениям имеют кри­сталлическую решетку, отличную от решетки образующих их компонентов. Но в отличие от химических соединений с нормальной валентностью электронные соединения образу­ют с компонентами, из которых они состоят, твердые растворы в широком интервале кон­центраций.

Фазы Лавеса. Эти фазы имеют формулу АВ₂ и образуются между компонентами типа А и В при отношении атомных диаметров D_A/D_в= 1,2 (чаще .1,1—1.6). Фазы Лавеса имеют плотноупакованную кристаллическую решетку гексагональную (MgZn₂ и MgNi₂) или гранецентрированную кубическую (MgCu₂). К фазам Лавеса относятся AgBe₂. СаЛЬ. TiBe₂, TiCr₂ и др. (тип MgCu₂) или BaMg₂, МоВе₂, TiMn₂ и др. (тип MgZn₂).

Кроме рассмотренных металлических соединений существует и ряд других, напри­мер фазы со структурой никельарсенида NiAs, а также фазы, обозначаемые σ, λ, δ, μ, S, Т, W и т. д., но о них будет сказано при рассмотрении конкретных сплавов.

При больших скоростях охлаждения можно подавить нормальные диффузионные превращения, например полиморфное, распад твердого раствора и др. При быстром охла­ждении распад твердого раствора не происходит и сплав после охлаждения будет состоять из метастабильной при низкой температуре фазы, устойчивой при высокой температуре.

В случае полиморфного превращения при переохлаждении высокотемпературной фазы до низких температур происходит бездиффузионное превращение высокотемпера­турной модификации (β) в низкотемпературную (α). При этом изменение состава фаз не: происходит. Превращение протекает сдвиговым путем, в основе которого лежит кооперативное и закономерное перемещение атомов, когда они сохраняют своих соседей п сме­щаются по отношению друг к другу на расстояния, меньшие межатомных. Новая фаза ко­герентно связана с исходной фазой. При нарушении когерентности рост кристаллов пре­кращается, так как диффузионный переход из одной фазы в другую при низких темпера­турах невозможен. Превращение развивается за счет образования новых кристаллов, коге­рентно связанных с исходной фазой. Рост кристаллов новой фазы протекает с большой скоростью (~ 10³ м/с).

Такое превращение называют мартенситным, а образующую фазу мартенситом.