Как компоненты могут взаимодействовать в сплаве

Основные случаи взаимодействия компонентов в сплавах (механические смеси, твердые растворы, химические соединения)

В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы:

Сплавы механические смеси образуются, когда компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.

Образуются между элементами значительно различающимися по строению и свойствам, когда сила взаимодействия между однородными атомами больше чем между разнородными. Сплав состоит из кристаллов входящих в него компонентов (рис. 4.1). В сплавах сохраняются кристаллические решетки компонентов.

Рис. 4.1. Схема микроструктуры механической смеси

Сплавы химические соединения образуются между элементами, значительно различающимися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между разнородными атомами больше, чем между однородными.

Особенности этих сплавов:

Постоянство состава, то есть сплав образуется при определенном соотношении компонентов, химическое соединение обозначается Аn Вm/

Образуется специфическая, отличающаяся от решеток элементов, составляющих химическое соединение, кристаллическая решетка с правильным упорядоченным расположением атомов (рис. 4.2)

Ярко выраженные индивидуальные свойства

Постоянство температуры кристаллизации, как у чистых компонентов

Рис. 4.2. Кристаллическая решетка химического соединения

Сплавы твердые растворы – это твердые фазы, в которых соотношения между компонентов могут изменяться. Являются кристаллическими веществами.

Характерной особенностью твердых растворов является: наличие в их кристаллической решетке разнородных атомов, при сохранении типа решетки растворителя.

Твердый раствор состоит из однородных зерен (рис. 4.3).

13 Диаграмма состояния сплавов I рода. Эвтектика в сплавах.

Оба компонента А и В в жидком состоянии неограниченно растворимы, а в твердом – совсем не растворимы и не образуют химических соединений (свинец – сурьма) (рис. 6.5). Компоненты А и В взаимодействуют между собой при кристаллизации и образуют механическую смесь.

Механическая смесь двух или более видов кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкой фазы называется эвтектикой. Это превращение идет при постоянной температуре и степени свободы, равной нулю. Такое превращение называется нонвариантным и может быть выражено схемой:

АСВ – линия ликвидус (линия начала кристаллизации);

ДСЕ – солидус (эвтектическая горизонталь), линия конца кристаллизации.

На кривой охлаждения (рис. 6.5) сплава 1:

участок 0 –1 соответствуют охлаждению жидкого сплава;

участок 1 – 2 – выделению кристаллов А;

Рис. 6.5. Кривая охлаждения сплавов (а) и диаграмма I рода (б)

Сплавы с концентрацией компонента В до точки С называются дозвтектическими, с концентрацией компонента В больше точки С – заэвтектическими.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Виды взаимодействия компонентов в сплавах

1. Механическая смесь

3. Химическое соединение

1.Механическая смесь–образуется в том случае, когда при кристаллизации жидкого сплава из компонентов, которые условно обозначим А и В, каждый компонент строит свою кристаллическую решетку.

В результате затвердевший сплав состоит из кристаллов двух компонентов, которые связаны только по границам (рис. 5.1). Кристаллизация сплавов, как правило, идет в интервале температур, но есть в системе А+В такой состав, когда затвердевание обоих компонентов происходит при постоянной температуре, которая значительно ниже температуры кристаллизации каждого компонента.

Рис. 5.1 Микроструктура сплава при

образовании механической смеси.

Механическая смесь, которая кристаллизуется при постоянной температуре, называется эвтектикой.Эвтектика имеет мелкую структуру с чередующимися кристаллами одной и другой фазы (часто пластинчатой формы). Эвтектические сплавы обладают повышенной жидкотекучестью, низкой температурой плавления, что приводит к хорошим литейным свойствам.

Твердый раствор – образуется в том случае, когда при кристаллизации жидкого сплава только один из компонентов строит свою кристаллическую решетку, а атомы второго элемента располагаются в его кристаллической решетке. Компонент, строящий свою кристаллическую решетку, называется растворителем, а второй компонент – растворимым.

Существует три типа твердых растворов: растворы внедрения, замещения и вычитания, Растворы вычитания встречаются редко, поэтому рассматриваться не будут.

Растворы внедрения дают элементы, имеющие маленький атомный размер (C, N, H, B), они размещаются между атомами в кристаллической решетке растворителя (рис. 5.2), при этом возникают искажения и напряжения в кристаллической решетке.

Рис. 5.2 Схема раствора внедрения А (В)

Растворы замещения – в этом случае атомы растворенного элемента замещают атомы растворителя в узлах кристаллической решетки (рис. 5.3). Атомы примеси замещения будут больше или меньше атомов растворителя, поэтому в кристаллической решетке возникают искажения и напряжения. Таким образом, как в случае раствора внедрения, так и замещения, возникающие напряжения затрудняют перемещение дислокаций, что повышает

Рис. 5.3 Схема раствора замещения А (В)

Химическое соединение–получается в том случае, когда при затвердевании сплава строится новая кристаллическая решетка, непохожая на решетку ни того, ни другого элемента. Атомы А и В занимают определенные узлы и находятся в определенном соотношении, которое выражается химической формулой (например, химическое соединение Fe и C-Fe₃C, Al и Cu – CuAl₂). Атомы в химическом соединении прочно связаны друг с другом, кристаллическая решетка, как правило, сложная, что не допускает смещения одной части кристалла относительно другой. Все это обусловливает высокую твердость и хрупкость химических соединений.

Дата добавления: 2017-01-26 ; просмотров: 7015 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Виды взаимодействия компонентов в сплаве

В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы:

Механическиесмеси

Сплавы механические смеси образуются, когда компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.

Образуются между элементами значительно различающимися по строению и свойствам.

Сплав состоит из кристаллов, входящих в него компонентов. В сплавах сохраняются кристаллические решетки компонентов.

Сплав- механическая смесь

Твердые растворы

Твердые растворы- это фазы, кристаллические решетки которых состоят из атомов отдельных компонентов.

В твердых растворах один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого, располагаясь в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры (периоды).

Т.о. твердые растворы имеют один тип решетки и представляют собой одну фазу.

Различают твердые растворы внедрения и замещения.

Они являются фазами переменного состава.

При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в узлах его кристаллической решетки.

При образовании твердого раствора внедрения атомы растворенного компонента располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решетки компонента растворителя.

Твердый раствор – гомогенная система, внутри его нет поверхности раздела.

Многие металлы могут в той или иной степени растворяться один в другом в твердом состоянии. Так, в алюминии может растворяться до 5,5% меди, а в меди до 39 % цинка.

Твердым раствором называется вещество, кристаллическая решетка которого состоит из атомов отдельных компонентов.

Твердые растворы с неограниченной растворимостью могут образовываться при соблюдении следующих условий:

Компоненты должны обладать одинаковыми по типу кристаллическими решетками

Различие в атомных размерах компонентов не должно превышать 9-15%

Компоненты должны принадлежать к одной и той же группе периодической системы элементов.

Например, серебро-золото, медь-никель, молибден-вольфрам

Твердые растворы внедрения могут возникать только в тех случаях, когда диаметр атома растворенного компонента невелик. Это углерод, азот, водород. И они могут быть только ограниченной концентрации, поскольку число пор в решетке ограничено.

Химические соединения

Химические соединения – они образованы по закону нормальной валентности. При образовании химических соединений соотношение чисел атомов элементов соответствует стехиометрической пропорции, что может быть выражено простой формулой АnВm.

Химические соединения имеют следующие характерные особенности:

кристаллическая решетка хим. соед. отличается от решеток компонентов, образующих их.

Свойства его резко отличаются от свойств исходных компонентов

Они имеют постоянную температуру плавления

Образование их сопровождается значительным тепловым эффектом.

В отличие от твердых растворов хим. соединения обычно образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении.

Соединение одних металлов с другими носят общее название –интерметаллиды.Например, Mg2 Sn.

Эвтектика

Эвтектика – это механическая смесь микроскопически мелких частиц.

Механическая смесь двух компонентов А и В образуется тогда, когда они не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.

ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ

Диаграммы состояния – это графическое изображение состояния (фазового состав, структуры) любого сплава системы в зависимости от температуры и концентрации.

Зная ее можно представить полную картину формирования структуры любого сплава, определить оптимальную температуру заливки сплавов для получения литых деталей, сделать заключение о возможностях и условиях обработки давлением, определить режим термической обработки.

Источник

Взаимодействие компонентов в сплавах

Строение сплавов

Лекция 7

Чистые металлы применяются сравнительно редко. Основой современной техники являются сплавы, которые имеют гораздо более широкий спектр механических и эксплуатационных свойств. Сплавы – это металлические материалы, состоящие из двух и более элементов, в том числе и неметаллов. Входящие в состав сплава вещества принято называть компонентами сплава, причем компоненты могут быть простыми (Fe, Cu) и сложными (Fe₃C, CuAl₂). При взаимодействии компоненты сплава образуют различные фазы. Фазой называется однородная по составу, строению и свойствам часть сплава, отделенная четко выраженной границей от других его частей.

Термин «сплав» говорит о том, что первоначально эти материалы действительно получали только сплавлением, то есть перемешиванием в жидком, расплавленном состоянии с последующей кристаллизацией. Но сегодня существует много других способов:

— порошковая металлургия (прессование порошков компонентов, затем спекание их при высокой температуре),

— диффузионное насыщение поверхности одного компонента другим,

— кристаллизация из паров в вакууме.

Тем не менее, термин остался. Компоненты, входящие в состав сплава, могут взаимодействовать по-разному. От вида взаимодействия зависят строение и свойства сплава.

В расплавленном состоянии большинство металлов растворяются друг в друге без ограничений, образуя жидкий раствор. При кристаллизации они могут образовать подобную структуру – твердый раствор одного компонента в решетке другого. Иногда компоненты вступают в химическое взаимодействие и образуют химическое соединение. Но бывает и так, что между компонентами в твердом состоянии нет никакого взаимодействия, и тогда они кристаллизуются раздельно, каждый образует свои собственные кристаллы, а сплав представляет собой механическую смесь кристаллов исходных компонентов.

Рассмотрим все эти случаи подробнее.

1) Твердые растворы возникают, если атомы одного компонента могут встраиваться в кристаллическую решетку другого компонента.

Тот компонент, которого в сплаве больше и решетка которого сохраняется, называется растворителем. Компонент, доля которого меньше, занимает какие-то места в решетке растворителя и называется растворенным веществом.

Твердые растворы могут быть образованы двумя способами:

а) Твердые растворы замещения возникают, если атомы одного компонента замещают атомы другого компонента в его решетке (рис. 48).

Здесь компонент A является растворителем, а компонент B – растворенным веществом.

Таким образом обычно растворяются друг в друге металлы, если их атомные радиусы близки (разница в размерах атомов не должна превышать 15 %). У металлов возможна даже неограниченная растворимость, когда атомы компонента B замещают атомы компонента A в любой пропорции, от 0 до 100 %. Для этого, кроме близкого размера атомных радиусов, они должны иметь один тип решетки и одинаковое строение валентной электронной оболочки. Такими парами являются, например, Cu и Ni, Fe_a и Cr.

Гораздо чаще встречается ограниченная растворимость, когда замещение атомов растворителя атомами растворенного компонента возможно до какого-то определенного содержания, называемого пределом растворимости. Так, например, растворяются цинк или олово в меди. Предел растворимости цинка в меди составляет 39 %.

б) Твердые растворы внедрения возникают, если атомы одного компонента (B) находятся в порах кристаллической решетки другого компонента (A).

Так неметаллы с маленькими размерами атомов растворяются в металлах (рис. 49). Твердые растворы внедрения всегда ограниченные, так как количество пор в решетке ограничено и не любого размера поры годятся для размещения атомов растворенного вещества. Примеры твердых растворов внедрения: углерод в железе, кремний в алюминии.

Под микроскопом твердые растворы выглядят так же, как и чистые металлы: видны только границы зерен (рис. 50). Твердый раствор – это одна фаза, поэтому рентгеноструктурный анализ покажет только решетку металла-растворителя, но ее параметры будут отличаться в большую или меньшую сторону из-за искажений, вызванных растворенным веществом.

Свойства сплавов, представляющих собой твердые растворы, могут очень сильно отличаться от свойств исходных компонентов. Именно твердые растворы являются основой большинства современных промышленных сплавов, потому что они дают наибольшие возможности для получения необходимых эксплуатационных свойств.

Обозначают твердые растворы греческими буквами: a, b, g, d, … или A(B), где A – растворитель, B – растворенный компонент.

2) Механическая смесь кристаллов возникает, если компоненты не могут растворяться друг в друге и не вступают в химическую реакцию.

Такие сплавы представляют собой смесь сросшихся между собой кристаллов исходных компонентов. Под микроскопом в сплаве, представляющем собой механическую смесь кристаллов, видны зерна двух разных видов: зерна A и зерна B (рис. 51). Это двухфазная структура, поэтому рентгеноструктурный анализ сплава показывает два вида решеток: металла A и металла B.

Различие между сплавом-твердым раствором и сплавом-механической смесью легко представить на таком простом примере. Строится стена из кирпичей разного цвета: красных и белых, например. В одном случае кирпичи располагаются вперемешку, выбирает их каменщик, не глядя. В другом случае часть стены сложена только из красных кирпичей, а вторая ее половина – только из белых. В обоих случаях получится стена одинакового размера, но первая похожа на твердый раствор, где перемешивание идет на уровне атомов, а вторая – на механическую смесь кристаллов разных веществ.

Свойства сплава линейно зависят от количества кристаллов того и другого компонента; значения механических и физических характеристик являются промежуточными между свойствами чистых исходных веществ. Поэтому возможности выбора сплава с нужными свойствами ограничены.

Обозначается механическая смесь как сумма двух компонентов: A + B.

3) Химическое соединение возникает, если компоненты могут вступать в химическую реакцию друг с другом и образовывать устойчивое сложное вещество со строго определенным соотношением между атомами одного и другого компонента.

Химическое соединение можно выразить простой формулой A_mB_n, где m и n – натуральные числа.

Химические соединения возникают между компонентами с разными кристаллическими решетками или разным строением валентной электронной оболочки.

Пример: медь и алюминий имеют одинаковый тип кристаллической решетки (ГЦК), но разное строение внешней электронной оболочки. Они образуют химическое соединение CuAl₂ со своей кристаллической решеткой (рис. 52).

Такие соединения называются интерметаллидами. Их кристаллическая решетка, температура плавления, все физические, химические и механические свойства резко отличаются от свойств исходных компонентов. Как правило, интерметаллидные соединения имеют менее компактные, более сложные кристаллические решетки, чем металлы. Поэтому они тверже и прочнее исходных металлов, но менее пластичны.

Встречаются в сплавах и соединения металлов с неметаллами: карбиды Me_xC_y, нитриды Me_xN_y и т. п.

В сплавах химические соединения являются упрочняющими фазами, но состоящие только из химического соединения сплавы применяются редко.

Образовавшееся соединение тоже становится компонентом сплава, оно вступает во взаимодействие с исходными компонентами – простыми веществами.

Под микроскопом химические соединения обычно выглядят как мелкие частицы внутри кристаллов одного из компонентов или твердого раствора (рис. 53). Рентгеноструктурный анализ, конечно, покажет новый тип решетки: не исходных компонентов, а их соединения.

Итак, компоненты, образовавшие новый материал – сплав, – невооруженным глазом в нем неразличимы, но различные методы анализа позволяют их обнаружить и определить их количество (табл. 1).

Определение природы фаз в сплавах различными методами

Механические испытания тоже покажут свойства, отличные от свойств исходных компонентов.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Характеристика основных фаз в сплавах

Характеристика основных фаз в сплавах

В зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов в сплаве образуется фаза, количество и вид которой характеризуют состояние сплава. Фаза представляет собой однородную часть сплава, характеризующуюся определенным составом, свойствами, типом кристаллической решетки, и отделена от остальной части сплава границей раздела. Под структурой понимают форму, размер и свойства взаимного расположения фаз в сплаве. Фазовый состав и структура, определяющие свойства сплава, зависят от состава и технологии его обработки.

В сплавах возможно образование следующих фаз: 1)жидкий раствор;2)твердый чистый металл;3)твердый раствор;4) соединение. Людмила Фирмаль

В зависимости от количества фаз, сплав может быть однофазным, двухфазным, многофазным. В жидком состоянии компоненты сплава обычно растворяются бесконечно друг с другом, образуя жидкий раствор. В твердом состоянии компоненты могут образовываться: 1) смесь двух фаз или более-это механические смеси;2) соединение, когда компоненты вступают в химическое взаимодействие;3) твердый раствор-это смесь двух фаз или более. Когда элементы, содержащиеся в сплаве, затвердевают из жидкого состояния, если они не растворяются и не взаимодействуют друг с другом, образуется механическое перемешивание. Механические смеси>образуются при кристаллизации многих сплавов, например Pb-Sb, 144ал-Си. Структура смеси неоднородна.

При металлургическом анализе на поверхности резания видны кристаллы различных компонентов, образующих механическую смесь. Химический анализ также определяет различные элементы. Методом рентгеновской дифракции были определены два типа кристаллических решеток, образующих такие смеси. Если элементы, составляющие составной сплав, взаимодействуют друг с другом, то образуется соединение. По структуре они представляют собой однородное твердое тело. Свойства соединений отличаются от свойств их компонентов. Они имеют постоянную температуру плавления (диссоциации). Рентгеноструктурный анализ выявил разницу между кристаллической решеткой соединения и исходным элементом.

Соединения этой группы имеют строго стехиометрический состав, их формула определяется валентностью составляющих элементов. В структуре сплава, они находятся в виде неметаллических включений, таких как сульфиды, оксиды, фосфиды. Например, оксид марганца MPO, карбид железа Fe3C и так далее. Фаза введения состоит из железа, марганца, хрома, вольфрама, молибдена и других металлов, а также фаз с неметаллами малого атомного диаметра, таких как углерод, азот, бор и водород. Условиями для образования введенной фазы являются: отношение атомного диаметра в неметаллах и металлах меньше 0,59.

Атомы металла размещаются на узлах решетки, а атомы не размещаются на узлах решетки- 145 металлов в октаэдрических или тетраэдрических отверстие. Людмила Фирмаль

Из-за малого объема пор тетраэдра в нем могут быть размещены только атомы водорода. Этот этап имеет простые химические формулы меня, Х (Fe4N, Mn4N), Me2x (Fe2N, Mo2c), Мекс (твердосплавные ВК, крестики, туалет, NBC и нитрида Фэн ВН олово), где me представляет собой металл, а X-неметаллические. Такие стадии введения, как карбиды и нитриды, обладают высокой твердостью. На основе стадии введения с избытком атомов металла может быть образован твердый раствор. Системы металл-металл включают электронные составные соединения (фаза перегара-четки), фазу лавеса и о-фазу. С одной стороны, электронное соединение образуется между металлом одновалентного (si, Ag, Li) металла или переходной группы (Fe, MP, Co) и металлом (A1, Be, Mg, Zn), имеющим валентность от 2 до 5. Электронное соединение представляет собой фазу переменного состава.

Этот тип соединения имеет определенную концентрацию электронов, то есть отношение числа валентных электронов к числу атомов: 3/2, 21/13, 7/4. Фазу с таким значением электронной концентрации обычно обозначают как P-фазу, u-фазу и E-фазу соответственно. К [3-электронной концентрации a=3/2 соединения обычно относятся соединения с BCC решеткой, CuZn, CuBe, Cu3Al и др. Например, в случае соединения CUZN.= (1 ■ 1 + + 2 • 1)/(1 + 1) = 3/2. Cu5zn8, Co5Zn21, Fe5Zn21 относятся к соединению U с электронной концентрацией 21/13 и сложной кубической решеткой. Соединение Cu5zng n 2= (1 ■ 5 + 2 • 8)/(5 + 8) = 21/13. Концентрация электронов 7/4 с гексагональной решеткой характерна для электронных соединений CuZn3, Cu3Sn, Cu3Si

. Для подключения cuzn3 к шестигранной решетке e N 3= (1 ■ 1 + 2 • 3) /(1 + 3) = 7/4. Электронные соединения характерны для сплавов на основе меди (латуни и бронзы), где они усиливают фазу. Стадия лавеса имеет формулу AB2. Они образуются между компонентами а и в от 1,1 до 1,6, обычно 1,2 при соотношении их атомных диаметров. Фаза Лавеса находится в ряде жаропрочных сплавов и содержит соединения tife2, TiCr2, MoFe2, NbFe2, TiCo2, которые способствуют упрочнению. Они имеют шестиугольную плотную или гранецентрированную кубическую решетку. Сигма-фаза, образованная на основе металлов с близким атомным диаметром (например, о-фаза системы Fe-SG), характеризуется очень медленным охлаждением при 600-800 ° с или высоким содержанием хрома в сплаве при изотермической выдержке.

Твердый раствор-это фаза, в которой один из компонентов (растворитель) удерживает свою кристаллическую решетку, а атомы другого(растворимого) компонента располагаются в ее решетке, искажая ее. Химический анализ твердых растворов показывает, что одним типом решетки с однородным кристаллическим зерном является несколько элементов, таких как металлический растворитель, а также металлографическая и рентгеновская дифракция. Существуют твердые растворы замещения и внедрения. Твердый замещающий раствор образуется путем замены части атомов растворителя в его кристаллической решетке атомами растворенного компонента(рис. 4.1, а).

Атомы растворенных элементов обычно не занимают особого места в кристаллической решетке, а только атомы растворителя некоторых узлов. Такое расположение атомов называется беспорядком(рис. 4.2, а). Он образуется, когда взаимодействие разнородных элементов твердого раствора недостаточно выражено. Когда атомы различных элементов в твердых растворах взаимодействуют несколько сильнее, чем однородные, они имеют тенденцию располагаться в определенном порядке. Атомы растворителя и растворенных элементов расположены на разных кристаллических плоскостях. Например, в системе Au-si после медленного охлаждения расплава некоторые кристаллографические плоскости полностью состоят из атомов меди и состоят из других атомов золота. 4.2, б).

Его называют твердым раствором, таким как: Полностью упорядоченные растворы формируются при целочисленном соотношении компонентов сплава: 1:1, 1:2, 1:3 Рис 4.1. Кристаллическая решетка замещенного твердого раствора ГЦК (А) и интегрированного твердого раствора (Б）) Рис 4.2. Расположение атомов в кристаллической решетке твердого раствора: а-неровности (сплав cu-Au); б-ордорность (сплав cu-Au); в-вычитание решетки твердого раствора Незаполненный узел решетки Сплавы с такой регулярной структурой могут характеризоваться формулой соединений, например, CuAu или Cu3Au. Упорядоченный твердый раствор характеризуется высокой твердостью и хрупкостью и считается промежуточной фазой между неупорядоченным твердым раствором и соединением.

Из-за разницы в размерах атомов, когда атомы одного компонента заменяются атомами другого, кристаллическая решетка искажается. Это искажение настолько велико, что разница в размерах атома и структуре его кристаллической решетки больше. Кроме того, когда искажение решетки чрезмерно, растворимость становится невозможной. Конечная растворимость происходит еще дальше, когда введенный атом входит в решетку и не может образовать независимую фазу. Если оба компонента имеют одинаковый тип кристаллической решетки, а атомы различаются по диаметру от 8 до 15% и менее, то возможна неограниченная растворимость. Металлы с такими ГЦК решетками имеют незначительную разницу в атомных размерах АВ, таких как Ag и Au(LV=0,2%), Ni и si (AB=2,7%) и др.

Подобно металлам с ГЦК решетками, МО и W (AB=9,9%), V и Ti (AB=2%) бесконечно растворяются в твердом состоянии. Металлы с большими атомными диаметрами (Na, CA, R) Fe, si, Ni нерастворимы. Конечная растворимость также зависит от различия в структуре валентной оболочки. Одновалентных металлов полностью растворяются только в моновалентных КР-АГ, АГ-п, медно-никелевый. Ограниченная растворимость компонентов возникает при достижении критического значения электронной концентрации Концентрация электронов в растворе составляет 148 Н, что соответствует числу валентных электронов на атом. Для ОЦК решетки в N=1.36,для ГЦК решетки Н=1.40.

Если концентрация электронов превышает эти значения, то образуется новая фаза с другой кристаллической решеткой. Например, из диаграммы состояния si-Zn известно, что предел растворимости Zn в si составляет 39%. Для сплавов, содержащих 61% si и 39% Zn, N= (61 • 1 + 39 ■ 2)/100 = 1,39, это меньше, чем предельное значение 1,40. Твердый раствор образуется путем встраивания атомов растворенного компонента в междоузлия(пустоты) кристаллической решетки (рис. 4.1, б). В решетке ГЦК такие пустоты находятся в центре куба, образуя сферу диаметром 0,42), где D-диаметр атома растворителя. В ОЦК решетке пустоты расположены в центре Грани, образуя сферу диаметром 0,290. Образование твердого раствора воды, как правило, сопровождается увеличением параметров кристаллической решетки и ее искажением.

Твердый раствор не характерен для металлических сплавов с элементами 1-й и 2-й ступеней с малым атомным диаметром (C, B, N, H, O). Концентрация второго компонента в твердом растворе введения обычно ниже, чем при замещении этих элементов и твердого раствора соединения, всегда ниже. В отличие от соединений, твердые растворы не имеют кристаллической решетки растворителей металлов, а соединения образуют решетку, отличную от металлической решетки. На основе соединения-стадии введения может образовываться твердый раствор вычитания (рис. Его иногда называют твердым раствором с дефектной решеткой 4.2, б).

В таком твердом растворе число атомов растворителя уменьшается, и в решетке появляются свободные узлы. Субтрактивный раствор твердых тел образуется путем растворения атомов V, Ti, Nb, Zr в Карбидах VC, TiC, NbC, ZrC узлов, которые ранее были заняты атомами углерода. Атомы растворенного элемента накапливаются преимущественно в кристаллической решетке вблизи дислокаций, уменьшая их упругую энергию(рис. 4.3). В замещающем растворе атомы меньшего размера, чем растворитель, присутствуют в области сжатой решетки, а атомы большего размера присутствуют в зоне расширения. При образовании твердого раствора эти атомы располагаются в зоне растянутой решетки, под экстрапланой. Ближе к развертыванию они образуют группу в виде облака, называемого атмосферой Коттрелла.

Такое расположение 149 стр. 4.3. Положение атома замещения (D) и вложение (B)в область дислокации В Это сопровождается уменьшением деформации кристаллической решетки, что соответствует запасу минимальной свободной энергии. Присутствие атомов в атмосфере Котрелла вблизи дислокации тормозит их миграцию в кристаллической решетке твердого раствора и повышает его прочность. Дальнейшее напряжение необходимо для того, чтобы дислокации отошли от атмосферы Котрелла. Границы блоков и частиц являются местами скопления дислокаций и окружающей их атмосферы Котрелла, благодаря чему они оказывают большое влияние на прочность твердого раствора. Закон существования устойчивой фазы в равновесии определяется фазовым законом Гиббса.

Фазовый закон, устанавливающий количественную зависимость между числом фаз F, числом компонентов K и числом степеней свободы C, позволяет прогнозировать процессы, происходящие в сплавах при нагреве и охлаждении, и определять число фаз систем в этих условиях. Фазовый закон выражается формулой C=K+P-F. Понимается количество внешних Р (температура, давление) и внутренних (концентрация) факторов, которые могут изменяться без изменения числа фаз равновесия, под числом степеней свободы или изменчивостью системы. В случае металлических сплавов внешним коэффициентом равновесия является только температура, поскольку при работе в атмосферных условиях давление практически постоянно. Итак, для металлического сплава правило фазы принимает вид: C=K+1-F.

исперсия не может быть отрицательной. Поэтому для равновесия металлических сплавов необходимо, чтобы число фаз в их структуре не превышало 1 числа компонентов. Из этой формулы следует, что в случае кристаллизации чистого металла, если имеются две фазы (жидкая и твердая), C=K+1-f=1 + 1 — 2 =0. Эта система неизменна. Обе фазы находятся в равновесии при строго определенной температуре (температуре затвердевания). Температура меняется только тогда, когда исчезает любая из фаз. Если чистый металл находится в жидком состоянии, и существует только одна жидкая фаза, то число степеней свободы будет равно 1 (моновариантная система): C=K+1-f=1 + 1 — 1 =1. Наличие определенной степени свободы указывает на возможность изменения температуры в определенных пределах без изменения числа фаз. В двойной системе следует правило фазы, что число одновременно существующих фаз не может превышать 3. В большем количестве фаз сплав не приходит к равновесию. Правило фазы используется при построении диаграммы состояния сплава.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

Источник