5.1. Основные фазы в сплавах Вещество, полученное сплавлением или спеканием двух или более исходных веществ (компонентов) называется сплавом. Сплавы, содержащие только два компонента, называют двойными. В сплавах в зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов могут образовываться следующие соединения: жидкие растворы, твердые растворы, химические соединения, механические смеси из сплавляемых компонентов, промежуточные. То есть, после затвердевания компоненты, входящие в сплав, могут образовывать: 1) твердые растворы; 2) химические соединения; 3) механические смеси зерен; 4) промежуточные соединения. Структура – картина строения металла, наблюдаемая под микроскопом. Фаза – однородная часть структуры, имеющая границу раздела, при переходе через которую скачкообразно меняются химический состав и кристаллическая решетка. Однородными частями структур (фазами) на диаграмме состояния любого сплава будут жидкие и твердые растворы, химические соединения. Механические смеси не могут быть фазами, так как они неоднородны. Фазы определяются из структуры. Твердыми растворами называются фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других компонентов располагаются в решетке первого (растворителя), изменяя ее размеры (периоды). Различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения. При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке (рис. 5.1.1). Твердые растворы замещения могут быть с ограниченной или неограниченной растворимостью. Рис. 5.1.1. Твердый раствор замещения При неограниченной растворимости кристаллическая решетка компонента растворителя по мере увеличения концентрации растворенного компонента плавно переходит в кристаллическую решетку растворенного компонента (Аg – Au), (Ni – Cu) , (Mo – W), (V – Ti). Для образования неограниченных твердых растворов необходимо: однотипность кристаллических решеток сплавляемых компонентов; близость атомных радиусов компонентов (они не должны отличаться больше чем на 8…13%); близость физико-химических свойств компонентов. В реальных сплавах чаще встречаются твердые растворы с ограниченное растворимостью. В твердых растворах с ограниченной растворимостью растворение вещества возможно лишь до определенного предела. При дальнейшем повышении концентрации твердый раствор распадается, и образуются двухфазные смеси. При образовании твердого раствора внедрения атомы растворенного компонента располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решетки растворителя (рис. 5.1.2). Это возможно, если внедряемые атомы имеют малые размеры. Такими атомами являются атомы элементов, находящихся в начале периодической системы Д.И. Менделеева (H,C,N,B). Рис. 5.1.2. Твердый раствор внедрения Твердые растворы обозначаются малыми буквами греческого алфавита: , , , и др. Химические соединения . Характерными особенностями химических соединений являются: наличие нового типа кристаллической решетки, отличного от типа решеток сплавляемых компонентов; постоянство состава, которое может быть выражено формулой химического соединения АmBn; постоянство температуры кристаллизации. Химические соединения имеют строго определенный состав. Они обычно отличаются высокой твердостью и хрупкостью вследствие сложности их кристаллической решетки, которая отлична от решеток обоих компонентов. Если химические соединения в сплавах оказываются стойкими веществами, не распадающимися при нагреве вплоть до температуры плавления, то их принято рассматривать как самостоятельные компоненты, способные образовывать сплавы с компонентами сплава. Химические соединения металлов делятся на две группы. Одна группа – это соединения с нормальной валентностью, которые дают металлы с типичными неметаллами (Cl, S, O и т.д.). В сплавах эти соединения присутствуют в виде неметаллических включений. Другая группа – металлические соединения. Из второй группы наиболее важными являются фазы внедрения и электронные соединения. Фазы внедрения – соединение переходных металлов с углеродом (карбиды), азотом (нитриды), водородом (гидриды), бором (бориды). Фазы внедрения имеют формулу MeX, Me2X, MeX2, Me4X . Фазы внедрения являются фазами переменного состава, а соответствующие им химические формулы обычно характеризуют максимальное содержание в них неметалла. Фазы внедрения имеют большое практическое значение, обеспечивая значительное упрочнение металлических сплавов. Электронные соединения – чаще образуются между одновалентными (Cu, Ag, Au, Li, Na) металлами или металлами переходных групп (Mn, Fe, Co и др.) с одной стороны и простыми металлами с валентностью от 2 до 5 (Be, Mg, Zn, Cd, Al и др.) с другой стороны. Электронные соединения, подобно обычным химическим соединениям, имеют кристаллическую решетку, отличную от решетки образующих элементов. Но в отличие от химических соединений с нормальной валентностью электронные соединения образуют с компонентами, из которых они состоят, твердые растворы в широком интервале концентраций. Механические смеси – образуют металлы, отличающиеся атомными объемами и температурой плавления. Металлы, образующие такие смеси, сохраняют каждый свою кристаллическую решетку, в результате образуется механическая смесь из кристаллов исходных компонентов (сплавы Pb – Sb, Zn – Sn и др.). Механические смеси состоят из практически чистых зерен обоих компонентов, нерастворимых и не образующих химсоединений. Механическая смесь, образуемая из твердого раствора (перекристаллизацией), называется эвтектоидом, а из жидкого раствора – эвтектикой. Промежуточными фазами растворы, фазы Лавеса и др. в сплавах являются упорядоченные твердые Упорядоченными называются твердые растворы, в которых атомы компонентов А и В расположены не хаотично, как в обычных твердых растворах, а упорядоченно. Упорядоченные твердые растворы называются также сверхструктурами, образование их сопровождается резким изменением свойств сплава – растет прочность, снижается пластичность. Состав сверхструктур можно выразить химической формулой (Cu3Au). Фазы Лавеса – имеют формулу АВ 2 и образуются между компонентами А и В при отношении их атомных диаметров равном 1,2. Фазы Лавеса имеют решетку ГЦК (МgCu2) или ГПУ (МgZn 2, МgNi2,). Твердые растворы могут существовать, имея переменный состав, в то время как химические соединения и чистые компоненты существуют только при постоянном составе.