Строение сплавов

раствор В (А) — раствор А в В; у первого раствора решетка А, а у второго В, т. е. эти растворы существенно различны. Рассмотрим, при каких условиях образуются твердые растворы внедрения.

   Так как в твердых растворах этого рода атомы В должны внедряться в решетку Л, то очевидно, что диаметр атома В должен быть невелик, а внутри решетки металла А должно иметься достаточное пространство для атома В. Действительно, металлы образуют твердые растворы внедрения с элементами I и II периодов, т. е. элементами, имеющими малые атомные размеры (Н, N, С, О, В).

4. Твердый раствор на  основе химического соединения

   Ранее мы рассматривали твердые растворы, которые образуются на основе чистых компонентов, т. е. имеют решетку одного из компонентов сплава. Однако способность к образованию твердых растворов присуща не только чистым элементам, но и химическим  соединениям.

   В этих случаях сохраняется решетка химического соединения А_пВ_т, но избыточное количество атомов, например атомов В, растворяется, заменяя в решетке какое-то количество атомов А.Возможно также растворение и третьего элемента С в химическом  соединении. В этом случае атомы С заменяют в узлах кристаллической решетки атомы А или В.

   Очевидно, что при образовании твердых растворов на базе химического соединения формула химического соединения уже не отвечает действительному соотношению атомов в соединении.

   Для химического соединения, которое растворяет в себе посторонние атомы, принята такая система обозначения.

   Например, борид железа (Fe4B2) способен растворить хром и углерод, причем хром заменяет в узлах решетки железо, а углерод — бор.Отношение (Fe + Сг)/(В + С) = 4/2 сохраняется, и такой раствор на базе химического соединения Fe₄B₂ обозначается через (Fe, Сг)₄ х (В, С)₂.

   Иногда допускается упрощение обозначений — буквой М обозначаются металлы, а буквой X — неметаллы. Следовательно, твердый раствор на основе борида железа обозначается через М₄Х₂.Образование твердых растворов на базе химических соединений может сопровождаться не только заменой одних атомов в узлах кристаллической решетки другими, но и тем, что отдельные узлы в решетке оказываются не занятыми атомами («пустыми»).

   Твердые растворы на базе химических соединений, образование которых сопровождается появлением пустых мест в узлах решетки,называются растворами вычитания.

5. Упорядоченные твердые  растворы

   Явление упорядочения было впервые обнаружено в 1914 г. Н. С. Курнаковым. При изучении электросопротивления сплавов меди и золота было найдено изменение их свойств без видимого изменения микроструктуры. Впоследствии применением рентгеновского анализа было показано, что изменение свойств связано с перераспределением атомов внутри кристаллической решетки. Как указывалось ранее, в обычных твердых растворах атомы растворенного элемента распределяются в решетке растворителя беспорядочно. Однако при известных условиях атомы занимают определенные места в узлах решетки,т. е. от неупорядоченного расположения переходят в упорядоченное. Подобный процесс носит название упорядочения, а растворы с упорядоченным расположением атомов растворенного элемента – упорядоченными твердыми растворами.

6. Электронные соединения (фазы Юм-Розери)

   Этот вид соединений образуется между двумя металлами из следующих групп Си, Ag, Аu, Fe, Со, Ni, Pd, Pt, с одной стороны, и Be, Zn, Cd, Al, Sn, Si — с другой. Соединения эти, как показал английский металлофизик Юм-Розери, характеризуются определенным отношением валентных электронов к числу атомов (3/2; 21/13 или 7/4), причем каждому отношению соответствует определенная кристаллическая решетка. Так, например, при отношении числа валентных электронов к числу атомов, равном 3/2, образуется решетка объемноцентрированного куба (так называемая β-фаза). Все соединения,у которых отношение валентных электронов к числу атомов равняется 21/13, имеют сложную кубическую решетку с 52 атомами на ячейку(так называемая γ-фаза), и, наконец, при отношении 7/4 соединение имеет гексагональную решетку (ε-фаза).

   Электронные соединения встречаются во многих технически важных сплавах — медь и цинк, медь и олово, железо и алюминий, медь и кремний и т. д. Обычно в системе наблюдаются все три фазы (β, γ и ε). Например, в системе Си—Zn β -фазой является соединение CuZn (отношение валентных электронов к числу атомов равно 3/2,* γ -фазой — соединение Cu₅Zn₈ (отношение 21/13)** и ε -фазой—CuZn3 (отношение 7/4).

   У электронных соединений определенное соотношение атомов и новая, отличная от элементов, кристаллическая решетка — это признаки, характерные для химического соединения. Однако в соединении нет упорядоченного расположения атомов. При высоких температурах атомы обоих элементов часто не занимают определенных узлов в решетке, т. е. располагаются статистически. При понижении температуры до определенного значения происходит упорядочение,которое обычно не бывает полным.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------* У меди один валентный электрон, у цинка —два. В соединении число атомов равно 2, число валентных электронов равно 3.

** Число атомов в соединении 5+8=13, число валентных электронов 5 + (8X2) = 21.

   Таким образом, и этот вид соединений следует считать промежуточным между химическим соединением и твердым раствором.

   В табл. 1 приведены электронные соединения в технически применяемых сплавах меди.

   7. Фазы Лавеса

Устойчивые химические соединения с ионным типом связей образуются преимущественно между элементами различной природы и с существенно различными атомными размерами. Если же атомные размеры различаются мало, то появляется тенденция к образованию электронных соединений.

   При промежуточных значениях разности атомных размеров также возможно образование химических соединений. Типичным представителем подобных химических соединений являются так называемые фазы Лавеса (названб в честь английского физика Лавеса). Эти фазы со стехиометрической формулой АВ₂ образуются между элементами, атомные диаметры которых находятся приблизительно в соотношении 1 : 1,2. Большинство фаз Лавеса может быть отнесено к одному из следующих типов: тип MgCu₂ (TiCr₂, UAl₂, ZrMo₂ и др.),кристаллизующийся в сложной кубической решетке, тип MgZn₂ (FeBe₂,+WFe₂, MoFe₂ и др.), кристаллизующийся в сложной гексагональной решетке, и тип MgNi₂ (ZrFe₂, TiCo₂ и др.),кристаллизующийся в сложной гексагональной решетке, но отличной от решетки MgZn₂.

   Фазы Лавеса встречаются как упрочняющие интерметаллидные фазы в жаропрочных сплавах.

8. Фазы внедрения

   Фазы внедрения образуют металлы переходных групп с металлоидами, имеющими малый атомный радиус (водород r_H = 0,046 нм; азот r_N = 0,071 нм; углерод r_C = 0,077 нм). Фазы внедрения образуются, если отношение атомного радиуса металлоида к атомному радиусу металла равно или меньше 0,59. В этом случае атомы металла образуют простые решетки (обычно о. ц. к., г. ц. к., г. п. у.),а атомы неметалла внедряются в поры такой решетки в определенные места. В этом состоит особенность строения решеток фаз внедрения.

   Эти фазы удовлетворяют  условиям, характеризующим химическое  соединение: они имеют соотношение атомов, укладывающееся в простые формулы — М₄Х, М₂Х, MX, МХ₂ (где М - металл, X - неметалл); и образуют решетки, отличные от решеток, присущих элементам, входящим в фазы внедрения. Следовательно, фазы внедрения могут быть отнесены к химическим соединениям.

   Характерные особенности  имеются у твердых растворов  на базе фаз внедрения. Оказывается,  что растворы с избытком металлоида в равновесном состоянии никогда не встречались, но с избытком металлических атомов встречаются очень часто. Практически в металлических сплавах фазы внедрения почти никогда не имеют стехиометрического соотношения атомов и всегда в них в избытке присутствуют атомы металла. В этих случаях мы имеем не замену металлоида атомами металла (что, учитывая атомные размеры, надо признать невозможным), а недостаток металлоидных атомов, т. е. образование на базе фаз внедрения твердых растворов вычитания, с которыми мы ознакомились выше.

   Многие карбиды и нитриды,  встречающиеся в сталях и других  сплавах, являются фазами внедрения.