Строение сплавов

Строение сплава, структура и окончательные свойства зависят от вида взаимодействия компонентов сплава при его кристаллизации. Почти все металлы в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях. В твердом состоянии компоненты сплава могут образовать механические смеси, твердые растворы, химические соединения.

Механические смеси компонентов образуются, если эти компоненты не вступают в химические реакции друг с другом и не растворяются друг в друге. Сплав представляет механическую смесь двух компонентов (рис. 2.1) и состоит из зерен А и В, имеющих собственные кристаллические решетки. Примеры сплавов: сплавы систем Be–Al, Si–Al, Pb–Sb.

Твердые растворы компонентов образуются, когда компоненты частично или полностью растворяются друг в друге. Один компонент образует собственную кристаллическую решетку, а второй присутствует в виде отдельных атомов и собственной решетки не образует. Первый компонент называют растворителем (Р), а второй – растворенным веществом (РВ).

При образовании твердого раствора внедрения (рис. 2.2,а) растворимость ограничена размерами промежутков между атомами решетки растворителя. Твердые растворы внедрения образуются при сплавлении металлов с неметаллами, имеющими малый атомный (ионный) радиус (углерод, азот, бор, водород). Например, твердые растворы углерода в ОЦК и ГЦК решетке железа – феррит и аустенит. Если размеры атомов (ионов) превышают размеры межатомных промежутков, то это вызывает искажение решетки и возникновение механических напряжений. Концентрация растворов не более 2–2,5%

Твердые растворы по типу замещения (рис. 2.2,б) образуются в том случае, когда размеры атомов (ионов) компонентов отличаются не более 15%. Атомы растворенного вещества замещают атомы растворителя в узлах кристаллической решетки. Если замещение осуществляется в случайных местах, то растворы называют неупорядоченными. При образовании растворов замещения период решетки растворителя изменяется. Если размеры атомов (ионов) растворенного элемента больше размеров растворителя, то период решетки растворителя увеличивается (решетка растягивается), если меньше – уменьшается (решетка сжимается). В первом приближении это изменение параметров решетки пропорционально концентрации растворенного компонента и во многом определяет изменение механических свойств твердых растворов замещения (уменьшение параметра ведет к большему упрочнению, чем увеличение). Твердые растворы замещения бывают ограниченными и неограниченными. В последнем случае, кроме близких атомных радиусов, компоненты должны иметь одинаковый тип кристаллической решетки. Неограниченная растворимость в твердом состоянии наблюдается в сплавах: медь – никель, медь – золото, кремний – германий.

Химические соединения компонентов. Сплав представляет химическое соединение компонентов, в котором сохраняется определенное соотношение атомов элементов. Состав можно выразить формулой A_nB_m, где А и В – компоненты, n, m – целые числа. Кристаллическая решетка сплава, а, следовательно, и свойства, резко отличаются от строения и свойств чистых компонентов.

Химические соединения типа металл–неметалл. К ним относятся фазы с ионным типом связи и фазы внедрения. В первом случае в структуре сплава образуются неметаллические включения сульфидов, оксидов, фосфидов (FeS, MnO, Fe₃P и т.д.). Фазы внедрения образуются, как отмечено выше, при сплавлении металлов с неметаллами, имеющими малый атомный радиус. В этом случае образуются карбиды, нитриды, бориды.

Химические соединения типа металл–металл. К ним относятся: электронные соединения (фазы Юм-Розери), фазы Лавеса и сигма-фазы. Электронные соединения образуют одновалентные металлы (Cu, Na, Li) с металлами переходной группы (Fe, Mn, Co) и с металлами с валентностью от 2 до 5 (Al, Mg, Zn). Электронные соединения - фазы переменного состава, в которых отношение числа валентных электронов к числу атомов различно: 3/2 – b-фазы; 21/13 – g-фазы; 7/4 – e-фазы. Эти соединения характерны для сплавов на медной основе (латунь, бронза), где являются фазами упрочнителями. Фазы Лавеса образуются при соотношении радиусов атомов (ионов) компонентов от 1,1 до 1,6 (обычно 1,2), s-фазы – между металлами с близкими радиусами атомов.