5. Химические соединения в сплавах.

Они характеризуются определенным соотношением количества атомов элементов в соответствии со стехиометрической пропорцией (согласно формуле). При этом образуется более сложная кристаллическая решетка с упорядоченным расположением атомов, отличающаяся от решеток составляющих компонентов.

Химические соединения характеризуются также определенной температурой плавле­ния (Тпл), скачкообразным изменением свойств при изменении состава (сингулярность свойств). Образование химических соединений сопровождается тепловым эффектом.

Если химическое соединение образуется только металлами, то в узлах решеток располагаются положительно заряженные ионы, удерживаемые электронным газом, т.е. имеет место металлическая связь.

Могут образовываться 2 вида химических соединений:

1. Химические соединения, подчиняющиеся правилу валентности, т.е. характеризующиеся наличием свободных (валентных) электронов и достроенностью электронных орбит у вступающих в соединение компонентов, например, Mg₂Sn, MgS и др. Связь в этом случае жесткая и химический состав постоянный, т.е. не может быть избытка или недостатка в атомах какого-либо элемента.

2. Химические соединения, не подчиняющиеся правилу валентности. Образующаяся связь не является жесткой и поэтому количество какого-либо элемента может быть больше или меньше, чем это соответствует данной формуле химического соединения.

Таким образом, характерные признаки химических соединений таковы:

1. Определенное соотношение компонентов.

2. Сложность кристаллической решетки, отличающаяся от решеток составляющих компонентов.

3.Свойства сплава – химического соединения резко отличаются от свойств отдельных компонентов. Например, НВ Fe=50-150 кг/мм²; НВ графита=0; а НВ Fe₃C>850 кг/мм²

Твердость по Бринеллю (НВ, Нв) устанавливается вдавливанием в образец испытываемого материала закаленного стального шарика определенного диаметра под действием заданной нагрузки в течение определенного времени с последующим измерением глубины и диаметра отпечатка. Число твердости:

2. Твердые растворы.

В жидком состоянии большинство металлических сплавов представляет собой растворы. При переходе в твердое состояние во многих сплавах однородность строения сохраняется, следовательно, сохраняется и растворимость. Твердая фаза, образующаяся при кристаллизации такого сплава, называется твердым раствором. При этомы одного компонента (растворимого) определенным образом размещаются в кристаллической решетке другого компонента (растворителя). Растворителем может быть чистый металл или химическое соединение.

Характерные признаки твердого раствора:

1. При микроструктурном анализе невозможно выделить зерна отдельных компонентов.

Схема микроструктуры твердого раствора.

● - атом компонента А

○ - атом компонента В

2. При рентгеноструктурном анализе выявляется только один тип кристаллической решетки, а именно кристаллическая решетка растворителя.

3. Механические и другие свойства сплава не изменяются пропорционально количеству компонентов.

Следовательно, в отличие от механической смеси, твердый раствор однофазен (имеет одну кристаллическую решетку), а в отличие от химического соединения твердый раствор существует не при строго определенном соотношении компонентов, а в интервале концентраций.

Различают 2 основных типа твердых растворов:

1. Твердые растворы замещения.

2. Твердые растворы внедрения.

Твердые растворы замещения образуются в случае, когда часть атомов в кристаллической решетке компонента В замещается атомами компонента А.

Замещение атомами А происходит незакономерно, беспорядочно.

Существуют:

а) твердые растворы замещения с неограниченной растворимостью компонентов. Например, система Cu-Ni (до 50% Ni - основа Cu, более 50% Ni - основа Ni).

Для образования таких растворов необходимы следующие условия:

1. Одинаковость типов кристаллических решеток компонентов.

2. Малая разница в размерах, диаметрах атомов компонентов, не более 10%.

3. Одинаковое строение электронных оболочек у взаимодействующих компонентов.

б) твердые растворы с ограниченной растворимостью.

1-е условие соблюдается, 2 и 3 могут не соблюдаться, например, Al-Cu сплав, при температруре 20⁰С в Al – 0,5% Cu, при температуре 547⁰С в Al – 5,72% Cu.

Твердые растворы внедрения образуются путем внедрения атомов растворимого компонента в промежутке между атомами компонента – растворителя. Обычно растворы такого типа образуются между металлами и неметаллами, например, Fe-(C, N₂, H₂).

При известных условиях атомы растворенного элемента занимают определенные места в узлах решетки, т.е. от неупорядоченного расположения переходят в упорядоченное. Такие растворы называются упорядоченными твердыми растворами и являются промежуточными фазами между химическими соединениями и твердыми растворами.