Контрольная работа: Строение и свойства фаз в металлических сплавах. Твёрдые растворы, химические соединения. Гетерогенные структуры
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 (Rвн. ат. /Rраствор > 0,59).
Твёрдые растворы этого типа получаются лишь при растворении в металле (Fe, Mo, Crи 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 – Сu3 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 (Сu3 Au); и т.д. (можно приписать формулу химического соединения CuAu, Cu3 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:
1. Кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов, образующих соединение. Атомы располагаются упорядоченно. Химические соединения имеют сплошную кристаллическую решетку (рис. 7).