Строение и свойства фаз в металлических сплавах. Твёрдые растворы, химические соединения. Гетерогенные структуры
Министерство образования и науки Украины
Донбасский государственный технический университет
Кафедра ОМД
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
по дисциплине "Металловедение"
на тему:
"Строение и свойства фаз в металлических сплавах. Твёрдые растворы, химические соединения. Гетерогенные структуры"
Алчевск 2009
Фазы в металлических сплавах
Под сплавом подразумевается вещество, полученное сплавлением двух или более элементов (металлов или неметаллов с металлами).
Компоненты – химические элементы, образующие сплав.
Фазой называют однородные (гомогенные) составные части системы, имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение и свойства, одного и то же агрегатное состояние, и отделенное от остальных частей поверхности раздела.
Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения фаз в металлах или сплавах.
Структурными составляющими сплава называют обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями. В сплавах в зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов могут образовываться следующие фазами: жидкие растворы, твердые растворы, химические соединения и промежуточные фазы. Рассмотрим сплавы в твердом состоянии.
Механические смеси
Механическая смесь – двух компонентов А и В, образуется тогда когда они неспособны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединений. Сплав будет состоять из кристаллов компонентов А и В (рис. 1).
Рисунок 1. Схема микроструктуры механической смеси
Механические свойства зависят от количественного соотношения компонентов. Примеры сплавов, в которых образуются механические смеси: Fe–Pb, Pb–Si.
Твердые растворы
Твердыми растворами называют фазы, в которые 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.
Твердый раствор существует в интервале концентраций компонентов.
Различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения (рис. 2).
Рисунок 2. Схемы твердых растворов: а – чистый металл; б – твердый раствор замещения; в - твердый раствор внедрения
Эти растворы присущи железоуглеродистым сплавам: сталям, чугунам.
При образовании твердого раствора замещения атомов растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке. Замещаться могут любые атомы.
При образовании твердого раствора внедрения атомов растворенного компонента располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решетки растворителя (при этом пустоты должны обладать определенным пространством). Большие поры 0,74–0,41 R, маленькие поры 0,68–0,291R.
В ГЦК – решетке атомы располагаются в октаэдрической поре (центры решеток). В этой поре может поместиться сфера радиусом 0,41R, где R – радиус атомов в узлах решетки.
В ОЦК – решетке атомы располагаются в тетраэдрическом междоузлии, размер поры (0,291 R).
Атомы растворителя и растворенного компонента различны по размерам, поэтому при образовании твердого раствора кристаллическая решетка всегда искажается, и периоды ее изменяются.
При образовании твердого раствора замещения период решетки может увеличиваться или уменьшаться. При образовании твердого раствора внедрения период решетки растворителя всегда возрастает (рис. 3).
Рисунок 3. Искажение кристаллической решетки при образовании твердого раствора замещения и внедрения
Атомы растворенного компонента нередко скапливаются у дислокаций, снижая их упругую энергию (рис. 4).
Атомы внедрения располагаются в растянутой области под краем экстраплоскости, образуя так называемые атмосферы Котрелла (рис. 4).
Рисунок 4. Образование атмосферы Котрелла: а – атомы компонента В, образующие твердый раствор замещения, и атомы С, образующие твердый раствор внедрения, беспорядочно расположены в решетке компонента А; б и в-атомы компонентов В и С переместились к дислокации, в результате чего энергия решетки понизилась
Все металлы в той или иной степени могут растворяться друг в друге, в твёрдом состоянии например: в Al до 5,5% Сu; в Сu до 39% Zn.
Твёрдые растворы замешения с неограниченной (в любых количественных соотношениях) растворимостью (рис. 5) могут образовываться при соблюдении условий приведенных ниже:
1. Компоненты должны обладать одинаковыми по типу (изоморфными) кристаллическими решётками. Только в этом случаи при изменении концентрации твёрдого раствора будет возможен непрерывный переход от кристаллической решётки одного компонента к решётке другого компонента.
2. Различие в атомных размерах (ΔR) компонентов должно быть незначительным и не превышать 8 – 15%.
3. Компоненты должны принадлежать к одной и той же группе элементов периодической системы элементов или к смежным родственным группам и иметь близкое строение электронных оболочек атомов.
Рисунок 5. Кристаллические решетки твердых растворов замещения при неограниченной растворимости компонентов
Примеры сплавов, в которых образуется непрерывный ряд твердых растворов:
Cu (29) и Ni (28) (ΔR=2.7%),
Fe (26) и Ni (28),
Fe (26) и Cr (24),
Ag и Au (ΔR=0.2%),
Mo и W (ΔR=9.9%),
V и Ti (ΔR=2.0%),
Fe и Co – не растворяются.
Твёрдые растворы внедрения образуются только в тех случаях, когда диаметр атома растворенного элемента невелик (R >вн. ат.>/> >R>раствор> > 0,59).
Твёрдые растворы этого типа получаются лишь при растворении в металле (Fe, Mo, Cr и т.д.) углерода (атомный радиус 0,77А°), азота (0,71А°), водорода (0,46А°), т.е. элементов с малым атомным радиусом.
Твёрдые растворы внедрения могут быть только ограниченными по концентрации, поскольку число пор в решетке ограничено, а атомы основного компонента сохраняются в узлах решетки.
Упорядоченные твёрдые растворы
В сплавах Cu и Au, Fe и Al, Fe и Si, Ni и Mn, образующих при высоких температурах растворы замещения с неупорядочнным размещением атомов компонентов, при медленном охлаждении или нагреве, выдержке при высоких температурах протекает процесс перераспределения атомов. В результате, которого атомы компонентов занимают определённые положения (рис. 6) в кристаллической решётке. Т.о. образуется упорядоченный твёрдый раствор или сверхструктура.
Рисунок 6. Кристаллические решетки упорядоченных твердых растворов: а – CuZn, б – CuAu, в – Сu>3>Au
Образование сверхструктуры сопровождается изменением свойств (например в сплаве пермаллой (железо и 78,5% никеля) ухудшается магнитная проницаемость, повышается твердость, снижается пластичность и изменяется электросопротивление).
Упорядоченные растворы образуются, когда отношение компонентов в сплаве (ат.%) постоянно: 1:1 (CuAu); 1:2; 1:3 (Сu>3>Au); и т.д. (можно приписать формулу химического соединения CuAu, Cu>3>Au).
Упорядоченные твердые растворы можно рассматривать как промежуточные фазы между твердыми растворами и химическими соединениями.
В упорядоченных твердых растворах сохраняется решетка растворителя, но имеется правильное расположение атомов и резное изменение свойств характерное для химических соединений.
4. Химические соединения
Химические соединения и родственные им по природе фазы в металлических сплавах многообразны. Характерные особенности химических соединений:
Кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов, образующих соединение. Атомы располагаются упорядоченно. Химические соединения имеют сплошную кристаллическую решетку (рис. 7).
В соединении всегда сохраняется простое кратное соотношение компонентов, что позволяет их выразить формулой: А>n>B>m>>,> А и В-компоненты; n и m – простые числа.
Свойства соединения редко отличаются от свойств образующих его компонентов. Cu – НВ35; Al – НВ20; CuAl>2> – НВ400.
Температура плавления (диссоциации) постоянная.
Образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.
Химические соединения образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток.
Рисунок 7. Кристаллические решетки: а, б – соединение NaCl, в-соединение Cu>2>MnSn (ячейка состоит из 8 атомов меди, 4 атомов марганца и 4 атомов олова)
Примером типичных химических соединений с нормальной валентностью могут служить соединения Mg с элементами IV–VІ групп Периодической системы: Mg>2>Sn, Mg>2>Pb, Mg>2>P>2>, Mg>2>Sb>2>, Mg>3>Bі>2>, MgS и др. Соединения одних металлов с другими носят название интерметаллидов. Химическая связь в интерметаллидах чаще металлическая.
Большое число химических соединений, образующихся в металлических сплавах, отличается по некоторым особенностям от типичных химических соединений, так как не подчиняется законам валентности и не имеет постоянного состава. Рассмотрим наиболее важные химические соединения, образующиеся в сплавах.
Фазы внедрения
Переходные металлы (Fe, Mn, Cr, Mo, Ti, V, W и др.) образуют с неметаллами С, N, Н соединения: карбиды (с С), нитриды (с N), бориды (с В), гидриды (с Н). Часто их называют фазами внедрения.
Фазы внедрения имеют формулу:
М>4>Х (Fe>4>N, Mn>4>N и др.),
М>2>Х (W>2>C, Mo>2>C, Fe>2>N, Cr>2>N и др.),
МХ (WC, TiC, VC, NbC, TiN, VN и др.).
Кристаллическая структура фаз внедрения определяется соотношением атомных радиусов неметалла (Rх) и металла (Rм).
Если Rх/Rм < 0,59, то атомы металла в этих фазах расположены по типу одной из простых кристаллических решеток: кубической (К8, К12) и гексагональной (Г12), в которую внедряются атомы неметалла, занимая в ней определенные поры.
Фазы внедрения являются фазами переменного состава, а соответствующие им формулы (химические) обычно характеризуют максимальное содержание в них металлов.
Фазы внедрения обладают высокой: электропроводностью, температурой плавления и высокой твёрдостью.
Фазы внедрения имеют кристаллическую решетку, отличную от решетки металла растворителя.
На базе фаз внедрения легко образуются твердые растворы вычитания (VC, TiC, ZrC, NbC), часть атомов в узлах решетки отсутствует.
Электронные соединения.
Эти соединения образуют между одновалентными (Cu, Ag, Au, Li, Na) металлами или металлами переходных групп (Mn, Fe, Co и др.), с одной стороны, и с простыми металлами с валентностью от 2 до 5 (Be, Mg, Zn, Cd, Al и др.) с другой стороны.
Соединения этого типа (определил английский металлофизик Юм – Розери), характеризуются определенным отношением валентных электронов к числу атомов: 3/2; 21/13; 7/4; каждому соотношению соответствует определенная кристаллическая решетка.
При отношении 3/2 образуется ОЦК решетка (обозначается β – фаза) (CuBe, CuZn, Cu>3>Al, Cu>5>Sn, CoAl, FeAl).
При 21/13 имеют сложную кубическую решетку (52 атома на ячейку) – γ – фаза (Cu>5>Zn>8>, Cu>31>Sn>8>, Cu>9>Al>4>, Cu>31>Si>8>).
При 7/4 имеется плотноупакованная гексагональная решетка, обозначается ε – фазой (CuZn>3>, CuCd>3>, Cu>3>Si, Cu>3>Sn, Au>3>Sn, Cu>5>Al>3>).
Электронные соединения встречаются во многих технических сплавах – Cu и Zn, Cu и Sn (олово), Fe и Al, Cu и Si и т.п. Обычно в системе наблюдается все три фазы (β, γ, ε).
У электронных соединений определенное соотношение атомов, кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов – это признаки хим. соединений. Однако в соединениях нет упорядоченного расположения атомов. С понижением температуры (после нагрева) происходит частичное упорядочение, но не полное. Электронные соединения образуют с компонентами, из которых состоят твердые растворы в широком интервале концентраций.
Таким образом, этот вид соединений следует считать промежуточными между химическими соединениями и твердыми растворами.
Таблица №1 – Электронные соединения
|
Фаза |
Отношение, решётка |
Электронные соединения для различных систем: Cu – Zn Cu – Sn Cu – Al Cu – Si |
|||
|
β |
3/2 кубическая ОЦ |
CuZn |
Cu>5>Sn |
Cu>3>Al |
Cu>5>Si |
|
γ |
21/23 сложная кубическая |
Cu>5>Zn>8> |
Cu>31>Sn>8> |
Cu>9>Al>4> |
Cu>31>Si>8> |
|
ε |
7/4 гексагональная |
CuZn>3> |
Cu>3>Sn |
Cu>5>Al>3> |
Cu>3>Si |
Фазы Лавеса
Имеют формулу АВ>2>, образуются при соотношении атомных диаметров компонентов Д>А>/Д>В> = 1,2 (чаще 1,1–1,6). Фазы Лавеса имеют ГПУ гексагональную решетку (MgZn>2> и MgNi>2,> BaMg>2>, MoBe>2>, TiMn>2>) или ГЦК (MgCu>2>, AgBe>2>, Ca Al>2>, TiBe>2>, TiCr>2>). Данные фазы встречаются как упрочняющие интерметаллидные фазы в жаропрочных сплавах.
5. Гетерогенные структуры
Сплавы с гетерогенной (разнородной) структурой образуются в случаях, когда компоненты не обладают полной взаимной растворимостью. При повышении предельной растворимости получается структура, состоящая из насыщенных растворов или твердого раствора и химического соединения.
Примеры систем (Pb–Sb, Cu–Bi, Zn–Sn, Pb–Sn, Pb–Bi, Ni–Cr, Fe–C, Al–Cu и др.). Каждая фаза имеет свою кристаллическую решетку.
Литература
Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М., 1972, 1980
Гуляев А.П. Металловедение. М., 1986
Сидорин И.И. Основы материаловедения. М., 1976
Антикайн П.А. Металловедение. М., 1972