ГЛАВА III. ФАЗЫ И СТРУКТУРА В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВАХ

В сплавах в зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы, твердые растворы, химические соединения.

1. ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ

Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (или другого) компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры (периоды). Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу.

Различают твердые растворы замещения (рис. 29, а) и твердые растворы внедрения (рис. 29, б). При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке.

При образовании твердого раствора внедрения (рис. 29, б) атомы растворенного компонента располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решетки растворителя. При этом атомы располагаются не в любом междоузлии, а в таких пустотах, где для них имеется больше свободного пространства. Например в плотноупакованной ГЦК решетке наиболее подходящей будет октаэдрическая пора (центры шести атомов — шаров, между которыми образовалась пора, расположены по вершинам октаэдра) (рис, 29. а).

Так как и электронное строение, и размеры атомов растворителя и растворенного компонента различны, то при образовании твердого раствора кристаллическая решетка

Рис. 29. Кристаллическая решетка твердого раствора замещения (а) и внедрения (б)

Рис. 30. Искажения кристаллической решетки растворителя при образовании твердого раствора внедрения (а, атом В) и замещения (б, атом D) и расположения атомов внедрения и замещения в области дислокации (в, г)

всегда искажается (рис. 30, а, б) и периоды ее изменяются. При образовании твердого раствора замещения период решетки может увеличиться или уменьшиться в зависимости от соотношения атомных радиусов растворителя и растворенного компонента. В случае твердого раствора внедрения период решетки растворителя всегда возрастает.

Атомы растворенного компонента нередко скапливаются у дислокаций (рис. 30, в, г) снижая их упругую энергию. В растворах замещения атомы меньшего размера (по сравнению с атомами металла растворителя) скапливаются в сжатой зоне решетки, атомы больших размеров — в растянутой зоне решетки. При образовании твердого раствора внедрения атомы растворенного элемента располагаются в растянутой области под краем экстраплоскости (рис. 30, г). В области дислокаций чужеродные атомы легче размещаются, чем в совершенной области решетки, где такие атомы вызывают значительные искажения решетки. Атомы внедрения значительно сильнее связываются с дислокациями, чем атомы замещения, образуя так называемые атмосферы Коттрелла. Образование атмосфер сопровождается уменьшением искажения решетки, что предопределяет их устойчивость.

Все металлы могут в той или иной степени взаимно растворяться друг в друге в твердом состоянии. Например, в алюминии может растворяться до , а в меди 39 % Zn без изменения типа их кристаллической решетки. В тех случаях, когда компоненты могут замещать друг друга в кристаллических решетках в любых количественных соотношениях, образуется непрерывный ряд твердых растворов.

Твердые растворы замещения с неограниченной растворимостью могут образоваться при соблюдении условий, приведенных ниже.

Рис. 31. Кристаллические решетки упорядоченных твердых растворов:

1. Компоненты должны обладать одинаковыми по типу (изоморфными) кристаллическими решетками. Только в этом случае при изменении концентрации твердого раствора будет возможен непрерывный переход от кристаллической решетки одного компонента к решетке другого компонента.

2. Различие в атомных размерах компонентов должно быть незначительным и не превышать 8—15%.

3. Компоненты должны принадлежать к одной и той же группе периодической системы элементов или к смежным родственным группам и в связи с этим иметь близкое строение валентной оболочки электронов в атомах.

Например, неограниченно растворяются в твердом состоянии следующие металлы с ГЦК-решеткой: и и др., а также металлы с ОЦК-решеткой: . Такие металлы, как и другие, имеющие большой атомный диаметр, в нерастворимы. Однако даже при соблюдении перечисленных условий непрерывный ряд твердых растворов может не возникнуть. Твердые растворы внедрения образуются только в тех условиях, когда диаметр атома растворенного элемента невелик.

Твердые растворы этого типа получаются лишь при растворении в металле (например, в железе, молибдене, хроме и т. д.) углерода (атомный радиус 0,077 нм), азота (0,071 нм), водорода (0,046 нм), т. е. элементов с малым атомным радиусом. Твердые растворы внедрения могут быть только ограниченной концентрации, поскольку число пор в решетке ограничено, а атомы основного компонента сохраняются в узлах решетки. Роль этого вида твердого раствора значительна в сталях и чугунах.

В некоторых сплавах (например, и др.), образующих при высоких температурах растворы замещения (с неупорядоченным чередованием атомов компонентов), при медленном охлаждении или длительном нагреве при определенных температурах протекает процесс перераспределения атомов, в результате которого атомы компонентов занимают определенные положения в кристаллической решетке (рис. 31).

Твердые растворы, устойчивые при сравнительно низких температурах, получили название упорядоченных твердых растворов, или сверхструктур.

Полностью упорядоченные растворы образуются, когда отношение компонентов в сплаве равно целому числу: 1:1, 1:2, 1:3 и т. д.

В этом случае сплаву упорядоченной структурой можно приписать формулу химического соединения, например, или (рис. 31).

Упорядоченные твердые растворы можно рассматривать как промежуточные фазы между твердыми растворами и химическими соединениями. Правильное расположение атомов обоих компонентов в решетке и резкое изменение свойств характерно для химических соединений. Однако в упорядоченных твердых растворах в отличие от химического соединения сохраняется решетка растворителя, и при нагреве до определенной температуры (точки Курнакова) степень упорядочения постепенно уменьшается, а выше этой температуры твердый раствор становится неупорядоченным.

Образование упорядоченных твердых растворов сопровождается изменением физических (магнитные свойства, электросопротивление и др.) и механических свойств. Прочность обычно возрастает, а пластичность ухудшается.