Фазы, твердые растворы, механические смеси, химические соединения и их структуры
Металлический сплав — соединение двух и более элементов, отличающееся металлическими свойствами. Химическиеэлементы, образующие сплав, принято называть компонентами. Сплав может состоять из двух и более компонентов и образовывать одну илинесколько фаз.
Фаза — однородная часть неоднородной системы, отделенная от других частей поверхностью раздела. Металлические сплавы, находящиеся в жидком состоянии, как правило, представляют одну фазу (однородны). После затвердевания в зависимостиот природы компонентов сплавы могут состоять из одной, двух и более твердых фаз. В твердом состоянии компоненты сплава могут химически взаимодействовать, образуя структуру химического соединения, или взаимно диффундировать, образуя твердые растворы, могут образовывать механическую смесь из прочно сцепленныхзерен.
Твердый растворобразуется при проникновении атомов растворимого элемента вкристаллическую решетку растворителя. Растворителем называют тот металл, кристаллическая решетка которого сохраняется как основа. Твердые растворы —это однофазные системы, которые образуются при условии, что компонентом-растворителем служит чистый металл или химическое соединение.
Различают растворы замещения,внедрения и вычитания. Твердый раствор замещения образуется при замещениичасти атомов основного металла (растворитель) атомамирастворенного . Твердые растворы замещения образуются при сплавлении большинства металлов (например, железа с хромом, марганцем, никелем, вольфрамом, молибденом, меди с цинком, оловом, алюминием ит. п.). Эти растворы бывают ограниченной инеограниченной растворимости компонентов.
Твердые растворы внедрения образуются при размещении атомов растворенного элемента между узлами кристаллической решетки растворителя. Такие растворы образуются при взаимодействии металлов с неметаллическими элементами малых атомных размеров. На рисунке видно, что размер внедренных атомов должен быть намного меньше основных. Примером этого типа твердых растворов являются растворы углерода 'В а-железе (феррит) и у-железе(аустенит).
Твердые растворы вычитания образуются на основе некоторых химических соединений. В этом их главное отличие от твердых растворов замещения и внедрения, которые образуются на основе чистых металлов. На рисунке 2.3 показана кристаллическая структура химического соединения NiAl и твердый раствор Л1 в NiAl. Избыточные атомы А1 не замещают атомы никеля, а подстраиваются кпростой кристаллической решетке, образованной атомами алюминия (белые кружки на рисунке 2.3,6). Вместе с этим появляются свободные узлы, где отсутствуют атомы никеля. Твердые растворы вычитания имеют большое практическое значение. Используют их при производстве твердых сплавов, например растворы Ti в TiC, V в VC и др.
Твердые растворы (независимо от типа) обычно обозначают греческими буквами а, |3, у, б и т. д. в порядке увеличения в них концентрации растворимого элемента.
Химическое соединениеобразуется, когда атомы различных элементов сплава притягиваются между собой и между ними имеется электрохимическое различие. Химические соединения характеризуются строго определенным количественным соотношением компонентов сплава и кристаллической решеткой, отличной от решеток, входящих в состав компонентов. Химические соединения образуются между металлами (FeCr2 и др.), а также между металлами и неметаллами (карбиды, нитриды, оксиды и др.) и обладают высокой твердостью, хрупкостью и повышенным электросопротивлением. Некоторые из них (карбиды, нитриды, оксиды, фосфиды и др.) получили довольно широкое самостоятельное применение.
Механическая смесьобразуется, когда атомы различных элементов отталкиваются или притягиваются слабее, чем подобные атомы. При этом атомы стремятся обособиться в отдельные кристаллические зерна,связанные между собой только общими границами. Механические смеси могут состоять из чистых компонентов, твердых растворов, химических соединений и т. д. В кристаллах, образующих механическую смесь, сохраняется кристаллическая решетка входящих в ее состав компонентов. Механические смеси образуются как при одновременном выпадении из жидкого раствора при его охлаждении кристаллов составляющих его компонентов (эвтектическая смесь), так и в результате превращений раствора в твердом состоянии (эвтектоидная смесь).
Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз, отвечающих теоретическим условиям равновесия, могут быть выражены в математической форме, именуемой правилом фаз, или законом Гиб-бса.
Этот закон устанавливает количественную зависимость между числом степеней свободы, числом фаз и числом компонентов:
с=К+Р-Ф,
где С — число степеней свободы; К — число компонентов; Р — число внешних факторов равновесия; Ф— число фаз.
Системой называют совокупность фаз в твердом, жидком и газообразном состояниях, которые можно задавать произвольно без разрушения системы. Система может быть простой или сложной, однородной или неоднородной.
Компонентом называют только независимую составную часть системы, которая может быть или химическим элементом, или независимым химическим соединением.
Фазой называют однородную часть системы, отделенную от других частей (фаз) поверхностью раздела. Фазами могут быть компоненты, химические соединения, твердые и жидкие растворы, пары.
Числом степеней свободы (вариантность системы) называют число возможных вариантов изменения температуры, давления и концентрации фаз без изменения числа фаз в системе.
Для металлических сплавов, находящихся под постоянным давлением, переменными внешними факторами являются температура и концентрация.