Различие в атомных размерах (ΔR) компонентов должно быть незначительным и не превышать 8 – 15%

2. Различие в атомных размерах (ΔR) компонентов должно быть незначительным и не превышать 8 – 15%.

3. Компоненты должны принадлежать к одной и той же группе элементов периодической системы элементов или к смежным родственным группам и иметь близкое строение электронных оболочек атомов.

Рисунок 5. Кристаллические решетки твердых растворов замещения при неограниченной растворимости компонентов

Примеры сплавов, в которых образуется непрерывный ряд твердых растворов:

Cu (29) и Ni (28) (ΔR=2.7%),

Fe (26) и Ni (28),

Fe (26) и Cr (24),

Ag и Au (ΔR=0.2%),

Mo и W (ΔR=9.9%),

V и Ti (ΔR=2.0%),

Fe и Co – не растворяются.

Твёрдые растворы внедрения образуются только в тех случаях, когда диаметр атома растворенного элемента невелик (R _{вн. ат.}/R_{раствор} > 0,59).

Твёрдые растворы этого типа получаются лишь при растворении в металле (Fe, Mo, Cr и т.д.) углерода (атомный радиус 0,77А°), азота (0,71А°), водорода (0,46А°), т.е. элементов с малым атомным радиусом.

Твёрдые растворы внедрения могут быть только ограниченными по концентрации, поскольку число пор в решетке ограничено, а атомы основного компонента сохраняются в узлах решетки.

Упорядоченные твёрдые растворы

В сплавах Cu и Au, Fe и Al, Fe и Si, Ni и Mn, образующих при высоких температурах растворы замещения с неупорядочнным размещением атомов компонентов, при медленном охлаждении или нагреве, выдержке при высоких температурах протекает процесс перераспределения атомов. В результате, которого атомы компонентов занимают определённые положения (рис. 6) в кристаллической решётке. Т.о. образуется упорядоченный твёрдый раствор или сверхструктура.

Рисунок 6. Кристаллические решетки упорядоченных твердых растворов: а – CuZn, б – CuAu, в – Сu₃Au

Образование сверхструктуры сопровождается изменением свойств (например в сплаве пермаллой (железо и 78,5% никеля) ухудшается магнитная проницаемость, повышается твердость, снижается пластичность и изменяется электросопротивление).

Упорядоченные растворы образуются, когда отношение компонентов в сплаве (ат.%) постоянно: 1:1 (CuAu); 1:2; 1:3 (Сu₃Au); и т.д. (можно приписать формулу химического соединения CuAu, Cu₃Au).

Упорядоченные твердые растворы можно рассматривать как промежуточные фазы между твердыми растворами и химическими соединениями.

В упорядоченных твердых растворах сохраняется решетка растворителя, но имеется правильное расположение атомов и резное изменение свойств характерное для химических соединений.

4. Химические соединения

Химические соединения и родственные им по природе фазы в металлических сплавах многообразны. Характерные особенности химических соединений:

1.  Кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов, образующих соединение. Атомы располагаются упорядоченно. Химические соединения имеют сплошную кристаллическую решетку (рис. 7).

2.  В соединении всегда сохраняется простое кратное соотношение компонентов, что позволяет их выразить формулой: А_nB_m, А и В-компоненты; n и m – простые числа.

3.  Свойства соединения редко отличаются от свойств образующих его компонентов. Cu – НВ35; Al – НВ20; CuAl₂ – НВ400.

4.  Температура плавления (диссоциации) постоянная.

5.  Образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.

Химические соединения образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток.

Рисунок 7. Кристаллические решетки: а, б – соединение NaCl, в-соединение Cu₂MnSn (ячейка состоит из 8 атомов меди, 4 атомов марганца и 4 атомов олова)

Примером типичных химических соединений с нормальной валентностью могут служить соединения Mg с элементами IV–VІ групп Периодической системы: Mg₂Sn, Mg₂Pb, Mg₂P₂, Mg₂Sb₂, Mg₃Bі₂, MgS и др. Соединения одних металлов с другими носят название интерметаллидов. Химическая связь в интерметаллидах чаще металлическая.

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. Рассмотрим наиболее важные химические соединения, образующиеся в сплавах.

Фазы внедрения

Переходные металлы (Fe, Mn, Cr, Mo, Ti, V, W и др.) образуют с неметаллами С, N, Н соединения: карбиды (с С), нитриды (с N), бориды (с В), гидриды (с Н). Часто их называют фазами внедрения.

Фазы внедрения имеют формулу:

 

М₄Х (Fe₄N, Mn₄N и др.),

 

М₂Х (W₂C, Mo₂C, Fe₂N, Cr₂N и др.),

 

МХ (WC, TiC, VC, NbC, TiN, VN и др.).

Кристаллическая структура фаз внедрения определяется соотношением атомных радиусов неметалла (Rх) и металла (Rм).

Если Rх/Rм < 0,59, то атомы металла в этих фазах расположены по типу одной из простых кристаллических решеток: кубической (К8, К12) и гексагональной (Г12), в которую внедряются атомы неметалла, занимая в ней определенные поры.

Фазы внедрения являются фазами переменного состава, а соответствующие им формулы (химические) обычно характеризуют максимальное содержание в них металлов.

Фазы внедрения обладают высокой: электропроводностью, температурой плавления и высокой твёрдостью.

Фазы внедрения имеют кристаллическую решетку, отличную от решетки металла растворителя.

На базе фаз внедрения легко образуются твердые растворы вычитания (VC, TiC, ZrC, NbC), часть атомов в узлах решетки отсутствует.

Электронные соединения.

Эти соединения образуют между одновалентными (Cu, Ag, Au, Li, Na) металлами или металлами переходных групп (Mn, Fe, Co и др.), с одной стороны, и с простыми металлами с валентностью от 2 до 5 (Be, Mg, Zn, Cd, Al и др.) с другой стороны.

Соединения этого типа (определил английский металлофизик Юм – Розери), характеризуются определенным отношением валентных электронов к числу атомов: 3/2; 21/13; 7/4; каждому соотношению соответствует определенная кристаллическая решетка.

При отношении 3/2 образуется ОЦК решетка (обозначается β – фаза) (CuBe, CuZn, Cu₃Al, Cu₅Sn, CoAl, FeAl).

При 21/13 имеют сложную кубическую решетку (52 атома на ячейку) – γ – фаза (Cu₅Zn₈, Cu₃₁Sn₈, Cu₉Al₄, Cu₃₁Si₈).

При 7/4 имеется плотноупакованная гексагональная решетка, обозначается ε – фазой (CuZn₃, CuCd₃, Cu₃Si, Cu₃Sn, Au₃Sn, Cu₅Al₃).

Электронные соединения встречаются во многих технических сплавах – Cu и Zn, Cu и Sn (олово), Fe и Al, Cu и Si и т.п. Обычно в системе наблюдается все три фазы (β, γ, ε).

У электронных соединений определенное соотношение атомов, кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов – это признаки хим. соединений. Однако в соединениях нет упорядоченного расположения атомов. С понижением температуры (после нагрева) происходит частичное упорядочение, но не полное. Электронные соединения образуют с компонентами, из которых состоят твердые растворы в широком интервале концентраций.

Таким образом, этот вид соединений следует считать промежуточными между химическими соединениями и твердыми растворами.

Таблица №1 – Электронные соединения

Фаза	Отношение, решётка	Электронные соединения для различных систем: Cu – Zn Cu – Sn Cu – Al Cu – Si
β	3/2 кубическая ОЦ	CuZn	Cu5Sn	Cu3Al	Cu5Si
γ	21/23 сложная кубическая	Cu5Zn8	Cu31Sn8	Cu9Al4	Cu31Si8
ε	7/4 гексагональная	CuZn3	Cu3Sn	Cu5Al3	Cu3Si

Фазы Лавеса

Имеют формулу АВ₂, образуются при соотношении атомных диаметров компонентов Д_А/Д_В = 1,2 (чаще 1,1–1,6). Фазы Лавеса имеют ГПУ гексагональную решетку (MgZn₂ и MgNi_2, BaMg₂, MoBe₂, TiMn₂) или ГЦК (MgCu₂, AgBe₂, Ca Al₂, TiBe₂, TiCr₂). Данные фазы встречаются как упрочняющие интерметаллидные фазы в жаропрочных сплавах.

5. Гетерогенные структуры

Сплавы с гетерогенной (разнородной) структурой образуются в случаях, когда компоненты не обладают полной взаимной растворимостью. При повышении предельной растворимости получается структура, состоящая из насыщенных растворов или твердого раствора и химического соединения.

Примеры систем (Pb–Sb, Cu–Bi, Zn–Sn, Pb–Sn, Pb–Bi, Ni–Cr, Fe–C, Al–Cu и др.). Каждая фаза имеет свою кристаллическую решетку.

Литература

1.  Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М., 1972, 1980

2.  Гуляев А.П. Металловедение. М., 1986

3.  Сидорин И.И. Основы материаловедения. М., 1976

4.  Антикайн П.А. Металловедение. М., 1972