5.1. Основные фазы в сплавах Вещество, полученное

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.