Строение металлических сплавов зависит от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, составляющие сплав (систему).
Компоненты, взаимодействуя друг с другом, могут образовывать твердые растворы, химические соединения и гетерогенные (неоднородные) структуры, состоящие из нескольких фаз.
Твердые растворы образуются в том случае, когда компоненты сплава растворимы друг в друге в твердом состоянии. Рентгеновский анализ обнаруживает в твердом растворе, как и у чистого металла, только один тип кристаллической решетки, металлографический - выявляет структуру из однородных зерен. Если кристаллизуется твердый раствор на базе одного из компонентов, последний является растворителем, а атомы другого (растворенного) компонента располагаются в кристаллической решетке растворителя.
Твердые растворы обозначаются буквами греческого алфавита: a, b, d, g и т.д.; или А(В), где А - растворитель, В - растворенный компонент. Твердые растворы существуют не при строго определенном соотношении атомов компонентов, а в интервале концентраций.
|
|
Различают твердые растворы замещения, внедрения и вычитания.
В твердых растворах замещения атомы растворенного компонента занимают положения атомов растворителя в кристаллической решетке (рис.1, а). Твердые растворы замещения характерны для сплавов большинства металлов (Fe, Cr, Мn, Ni, Mo, Cu, Zn, Sn, Al и др.) и могут быть с ограниченной (неполной) или с неограниченной (полной) растворимостью компонентов друг в друге.
а) | б) |
Рис.1. Кристаллическая решетка твердого раствора замещения (а) и твердого раствора внедрения (б)
Неограниченная растворимость возможна, если оба компонента имеют идентичные, изоморфные кристаллические решетки, малое различие атомных размеров компонентов в пределах 7-17%, близкое расположение компонентов в периодической системе элементов Д.И. Менделеева.
Твердые растворы внедрения получаются в тех случаях, когда диаметр растворенного элемента невелик, и наблюдаются при растворении в железе, молибдене, хроме таких неметаллов, как углерод, азот, водород, т.е. элементов с малым атомным радиусом. Твердые растворы внедрения бывают только с ограниченной (неполной) растворимостью компонентов (рис.1, б).
В сплавах могут также образоваться твердые растворы на базе химического соединения, где химическое соединение является растворителем, сохраняется его кристаллическая решетка, а атомы растворенного элемента располагаются в этой кристаллической решетке.
Твердыми растворами вычитания называются твердые растворы на базе химических соединений, образование которых сопровождается появлением вакансий. Например, таким является твердый раствор на базе химического соединения СoАl.
|
|
При образовании твердых растворов замещения и внедрения атомы растворенного элемента располагаются в кристаллической решетке растворителя неупорядоченно, в связи с этим их называют неупорядоченными твердыми растворами.
В некоторых случаях, когда атомы элементов, составляющие сплав, притягиваются друг к другу сильнее, чем подобные атомы, они стремятся расположиться в кристаллической решетке растворителя в определенном порядке. Такие твердые растворы называют упорядоченными или сверхструктурами (рис.2). Полностью упорядоченные растворы образуются, когда соотношение компонентов равно целому числу 1:1, 1:2, 1:3 и т.д. Упорядоченные твердые растворы можно рассматривать, как промежуточные фазы между твердыми растворами и химическими соединениями.
Cu3Au | CuAu |
Рис.5.2. Кристаллические решетки упорядоченных твердых растворов в системе Cu-Al (Cu - l; Al -¡)
Химические соединения образуются в том случае, когда атомы различных элементов притягиваются и имеют электрохимическое различие. Характерным для химических соединений является стехиометрическое соотношение атомов элементов, что выражается простой формулой в общем виде АnВm, где А и В - элементы, n и m - простые целые числа. В химических соединениях кристаллическая решетка, как правило, отличная от кристаллических решеток элементов, атомы в решетке располагаются упорядочение, закономерно в определенных узлах.
Химические соединения имеют постоянную температуру плавления (диссоциации), свойства соединения резко отличаются от свойств образующих его компонентов.
Химическое соединение между металлами имеет в узлах решетки положительно заряженные ионы, удерживаемые электронным газом - металлическая связь. Такие соединения называются интерметаллидами (CuAl2, Mg2Sn и т.д.). Химические соединения металла c неметаллом имеют ионную связь, атомы удерживаются в кристаллической решетке электростатическим притяжением. В соединениях такого типа связь жесткая.
Электронные соединения, т.е. соединения между двумя металлами в сплавах, отличается постоянным соотношением валентных электронов к числу атомов 3/2; 21/13; 7/4. Каждому соотношению соответствует определенная кристаллическая решетка: 3/2 - b-фаза (решетка объемноцентрированного куба), 21/13 - g-фаза (решетка сложная кубическая), 7/4 - d-фаза (гексагональная решетка).
Электронные соединения (фазы Юм-Розери) имеют определенное соотношение атомов и новую кристаллическую решетку - это признаки химического соединения, однако полного упорядочения расположения атомов не наблюдается, поэтому их относят к промежуточным фазам между химическим соединением и твердым раствором.
Фазы Лавеса имеет формулу АВ2 (А и В компоненты) и наблюдаются между элементами, атомные диаметры которых DA/DB=1,2. Эти фазы при кристаллизации образуют кристаллические решетки: гексагональную (MgZn2 и МgNi2) или гранецентрированную кубическую (MgCu2). Фазы Лавеса встречаются в сплавах, как упрочняющие фазы.
Гетерогенные (неоднородные) структуры образуются в том случае, когда компоненты не обладают полной взаимной растворимостью друг в друге в твердом стоянии, например: Zn-Sn; Pb-Sn; Fe-C; Al-Cu и др. Число кристаллических решеток соответствует числу фаз, образующихся в гетерогенной структуре.
Если компоненты незначительно растворяются друг в друге в твердом состоянии (Ge-Zn), то фактически получается микросмесь, состоящая из двух чистых компонентов.
При количестве компонентов, превышающих их предельную растворимость, наблюдается структура из двух насыщенных твердых растворов или твердого раствора и химического соединения и т.д. Такая структура может быть эвтектического или перитектического типа.