Фазы, твердые растворы, механические смеси, химические соединения и их структуры

Металлический сплав — соединение двух и более элементов, отличающееся металлическими свойст­вами. Химическиеэлементы, образующие сплав, приня­то называть компонентами. Сплав может состоять из двух и более компонентов и образовывать одну илине­сколько фаз.

Фаза — однородная часть неоднородной системы, отделенная от других частей поверхностью раздела. Ме­таллические сплавы, находящиеся в жидком состоянии, как правило, представляют одну фазу (однородны). После затвердевания в зависимостиот природы компо­нентов сплавы могут состоять из одной, двух и более твердых фаз. В твердом состоянии компоненты сплава могут химически взаимодействовать, образуя структу­ру химического соединения, или взаимно диффундиро­вать, образуя твердые растворы, могут образовывать механическую смесь из прочно сцепленныхзерен.

Твердый растворобразуется при проникновении ато­мов растворимого элемента вкристаллическую решетку растворителя. Растворителем называют тот металл, кри­сталлическая решетка которого сохраняется как осно­ва. Твердые растворы —это однофазные системы, кото­рые образуются при условии, что компонентом-раство­рителем служит чистый металл или химическое соедине­ние.

Различают растворы замещения,внедрения и вычи­тания. Твердый раствор замещения образуется при замещениичасти атомов основного металла (раствори­тель) атомамирастворенного . Твердые растворы замещения образуются при сплавлении большин­ства металлов (например, железа с хромом, марган­цем, никелем, вольфрамом, молибденом, меди с цинком, оловом, алюминием ит. п.). Эти растворы бывают ограниченной инеограниченной растворимости компо­нентов.

Твердые растворы внедрения образуются при раз­мещении атомов растворенного элемента между узлами кристаллической решетки растворителя. Та­кие растворы образуются при взаимодействии металлов с неметаллическими элементами малых атомных разме­ров. На рисунке видно, что размер внедренных атомов должен быть намного меньше основных. При­мером этого типа твердых растворов являются раство­ры углерода 'В а-железе (феррит) и у-железе(аустенит).

Твердые растворы вычитания образуются на основе некоторых химических соединений. В этом их главное отличие от твердых растворов замещения и внедрения, которые образуются на основе чистых металлов. На ри­сунке 2.3 показана кристаллическая структура химиче­ского соединения NiAl и твердый раствор Л1 в NiAl. Избыточные атомы А1 не замещают атомы никеля, а подстраиваются кпростой кристаллической решетке, образованной атомами алюминия (белые кружки на ри­сунке 2.3,6). Вместе с этим появляются свободные уз­лы, где отсутствуют атомы никеля. Твердые растворы вычитания имеют большое практическое значение. Ис­пользуют их при производстве твердых сплавов, напри­мер растворы Ti в TiC, V в VC и др.

Твердые растворы (независимо от типа) обычно обо­значают греческими буквами а, |3, у, б и т. д. в порядке увеличения в них концентрации растворимого элемента.

Химическое соединениеобразуется, когда атомы раз­личных элементов сплава притягиваются между собой и между ними имеется электрохимическое различие. Химические соединения характеризуются строго опре­деленным количественным соотношением компонентов сплава и кристаллической решеткой, отличной от реше­ток, входящих в состав компонентов. Химические соеди­нения образуются между металлами (FeCr₂ и др.), а также между металлами и неметаллами (карбиды, ни­триды, оксиды и др.) и обладают высокой твердостью, хрупкостью и повышенным электросопротивлением. Не­которые из них (карбиды, нитриды, оксиды, фосфиды и др.) получили довольно широкое самостоятельное при­менение.

Механическая смесьобразуется, когда атомы раз­личных элементов отталкиваются или притягиваются слабее, чем подобные атомы. При этом атомы стремятся обособиться в отдельные кристаллические зерна,свя­занные между собой только общими границами. Меха­нические смеси могут состоять из чистых компонентов, твердых растворов, химических соединений и т. д. В кристаллах, образующих механическую смесь, сохра­няется кристаллическая решетка входящих в ее состав компонентов. Механические смеси образуются как при одновременном выпадении из жидкого раствора при его охлаждении кристаллов составляющих его компонентов (эвтектическая смесь), так и в результате превращений раствора в твердом состоянии (эвтектоидная смесь).

Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз, отвечающих теоретическим условиям равновесия, могут быть выражены в математической форме, именуемой правилом фаз, или законом Гиб-бса.

Этот закон устанавливает количественную зависи­мость между числом степеней свободы, числом фаз и числом компонентов:

с=К+Р-Ф,

где С — число степеней свободы; К — число компонентов; Р — число внешних факторов равновесия; Ф— число фаз.

Системой называют совокупность фаз в твердом, жидком и газообразном состояниях, которые можно за­давать произвольно без разрушения системы. Система может быть простой или сложной, однородной или не­однородной.

Компонентом называют только независимую состав­ную часть системы, которая может быть или химичес­ким элементом, или независимым химическим соедине­нием.

Фазой называют однородную часть системы, отде­ленную от других частей (фаз) поверхностью раздела. Фазами могут быть компоненты, химические соедине­ния, твердые и жидкие растворы, пары.

Числом степеней свободы (вариантность системы) называют число возможных вариантов изменения тем­пературы, давления и концентрации фаз без изменения числа фаз в системе.

Для металлических сплавов, находящихся под по­стоянным давлением, переменными внешними фактора­ми являются температура и концентрация.