Строение сплавов. Твердые растворы и промежуточные фазы

 

Содержание

1. Введение………………………………………………………………………………………..     2

2. Строение сплавов…………………………………………………………………………..     4

3. Твердые растворы………………………………………………………………………….     6

4. Промежуточные фазы……………………………………………………………………      12

5. Заключение…………………………………………………………………………………….      15

6. Список литературы и интернет ресурсов………………………………………      16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

Сплав — макроскопически  однородный металлический материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов с  преобладанием металлических компонентов.  Основной или единственной фазой сплава, как правило, является твердый раствор легирующих элементов в металле, являющемся основой сплава.

Сплавы являются одним  из основных конструкционных материалов. Среди них наибольшее значение имеют  сплавы на основе железа и алюминия. В технике применяется более 5 тыс. сплавов.

Многие металлические  сплавы имеют один металл в качестве основы с малыми добавками других элементов. Самый распространенный способ получения сплавов – затвердевание  однородной смеси их расплавленных  компонентов. Существуют и другие методы производства – например, порошковая металлургия. В принципе, четкую границу  между металлами и сплавами трудно провести, так как даже в самых  чистых металлах имеются «следовые» примеси других элементов. Однако обычно под металлическими сплавами понимают материалы, получаемые целенаправленно  добавлением к основному металлу  других компонентов.

Почти все металлы, имеющие  промышленное значение, используются в виде сплавов. Так, например, все  выплавляемое железо почти целиком  идет на изготовление обычных и легированных сталей, а также чугунов. Дело в  том, что сплавлением с некоторыми компонентами можно существенно  улучшить свойства многих металлов. Если для чистого алюминия предел текучести  составляет всего лишь 35 МПа, то для  алюминия, содержащего 1,6% меди, 2,5% магния и 5,6% цинка, он может превышать 500 МПа. Аналогичным образом могут быть улучшены электрические, магнитные  и термические свойства. Эти улучшения определяются структурой сплава – распределением и структурой его кристаллов и типом связей между атомами в кристаллах.

Многие металлы, скажем магний, выпускают  высокочистыми, чтобы можно было точно знать состав изготавливаемых  из него сплавов. Число металлических  сплавов, применяемых в наши дни, очень велико и непрерывно растет. Их принято разделять на две большие  категории: сплавы на основе железа и  сплавы цветных металлов. Ниже перечисляются  наиболее важные сплавы промышленного  значения и указываются основные области их применения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Строение сплавов 

1)Механическая смесь кристаллов (третник).

2)Замещение  ион-атомов  в кристаллической решетке.

3)Внедрение ион-атомов, как  инородных включений в металл.  

 

Строение сплавов зависит  от характера взаимодействия компонентов. Это взаимодействие может быть основано на способности компонентов вступать в химическую связь или растворяться друг в друге не только в жидком состоянии, но и в твердом; в последнем  случае сплав приобретает структуру  твердого раствора. Растворимость компонентов  в твердом состоянии может  быть неограниченной и ограниченной, причем степень ограничения растворимости  в зависимости от природы компонентов  изменяется в широких пределах. Строение сплава в твердом состоянии зависит  от взаимодействия компонентов, входящих в сплав, и может представлять собой химическое соединение, твердый  раствор или механическую смесь. Строение сплавов может быть различным. Образование того или иного типа сплава зависит от активности металлов. Системы в виде твердых растворов  образуются между металлами одной  и той же группы или же металлами, у которых близки радиусы атомов. Строение сплава зависит от того, как  взаимодействуют между собой  компоненты. В расплавленном состоянии  в подавляющем большинстве случаев  сплавы представляют собой однородные жидкие растворы, то есть компоненты неограниченно  растворяются друг в друге. В твердом  состоянии компоненты могут никак не взаимодействовать, либо взаимодействовать с образованием твердого раствора или химического соединения. По строению в твердом состоянии все сплавы подразделяются на три основных типа: механические смеси, химические соединения и твердые растворы. Строение сплава определяет его свойства, поэтому важно знать, как это строение будет меняться при изменении температуры и состава сплава. Зависимость между строением сплава, его составом и температурой описывается при помощи диаграмм состояния. Строение сплава определяется взаимодействием составляющих его компонентов. Так компоненты сплава могут химически взаимодействовать, образуя структуру химического соединения, или взаимно диффундировать, образуя твердые растворы Строение сплавов более сложное по сравнению с чистыми металлами. Свойства сплавов очень разнообразны и зависят от того, какие компоненты составляют сплав, в каких количествах и в какие взаимодействия они вступают в жидком и твердом состояниях. Поэтому в технике наибольшее применение имеют сплавы по сравнению с чистыми металлами. Строение сплавов, видимое под микроскопом ( увеличение до 2000 раз), называется микроструктурой их, видимое же простым глазом или при помощи лупы ( увеличение 2 - 6 раз) - макроструктурой. Строение сплава определяется взаимодействием составляющих его компонентов. Так компоненты сплава могут химически взаимодействовать, образуя структуру химического соединения, или взаимно диффундировать, образуя твердые растворы.

 

 

 

 

 

 

 

3. Твердые растворы

Твёрдые растворы — фазы переменного состава, в которых  атомы различных элементов расположены  в общей кристаллической решётке.

Могут быть неупорядоченными (с хаотическим расположением  атомов), частично или полностью  упорядоченными. Экспериментально упорядоченность  определяют, главным образом, рентгеновским  структурным анализом.

Способность образовывать твёрдые  растворы свойственна всем кристаллическим  твёрдым телам. В большинстве  случаев она ограничена узкими пределами  концентраций, но известны системы  с непрерывным рядом твёрдых  растворов. По существу, все кристаллические  вещества, считающиеся чистыми, представляют собой твёрдые растворы с очень  малым содержанием примесей.

Различают три вида твёрдых  растворов:

1) твёрдые растворы замещения;

2) твёрдые растворы внедрения;

3) твёрдые растворы вычитания.

Твердые растворы являются кристаллическими фазами переменного  состава. Атомы растворенного элемента В размещаются в кристаллической  решетке растворителя — элемента А, замещая атомы в узлах решетки  или внедряясь между узлами. В  первом случае кристаллы называют твердыми растворами замещения, во втором —  твердыми растворами внедрения. Количество замещенных атомов, так же как и  количество внедренных, может изменяться в широких пределах, что и приводит к переменной растворимости твердых растворов.

Твердые растворы обозначаются буквами  греческого алфавита: альфа, бетта, гамма  и т.д. или А(В), где А — растворитель, В — растворенный элемент.

Твердые растворы замещения. Замещение  атомов растворителя А атомами растворенного  элемента В возможно, если атомные  радиусы отличаются не более, чем  на 15 %. Это условие называют размерный  фактор. В твердых растворах атомы  растворенного вещества, как правило, распределяются в решетке растворителя статистически. Вокруг атома растворенного  вещества возникают местные искажения  пространственной решетки, которые  приводят к изменению свойств  и среднего периода решетки. Растворение  элементов с меньшим атомным  радиусом, чем атомный радиус растворителя, вызывает уменьшение среднего периода  решетки, а с большим — его  увеличение.

Образование твердых растворов  всегда сопровождается увеличением  электрического сопротивления и  уменьшением температурного коэффициента электрического сопротивления; твердые  растворы обычно мене-епластичны (исключение составляют твердые растворы на основе меди) и всегда более твердые и  прочные, чем чистые металлы.

Растворимость элементов в твердом  состоянии уменьшается при увеличении различия в атомных радиусах сплавленных  элементов и их валентности.

При образовании твердых растворов  замещения возможна и неограниченная растворимость элементов в твердом  состоянии, т.е. когда при любом  количественном соотношении сплавляемых  элементов все разнородные атомы  размещаются в узлах общей  пространственной решетки.

Неограниченная растворимость  наблюдается при соблюдении размерного фактора и если элементы имеют  одинаковый тип кристаллической  решетки.

 

Неограниченная растворимость  в твердом состоянии наблюдается  в сплавах Cu-Au, Cu-Ni, Ge-Si. В полиморфных  металлах встречается неограниченная растворимость в пределах одной  модификации пространственной решетки. Например, Fe(альфа) дает неограниченный ряд твердых растворов с хромом (ОЦК решетки), a Fe(гамма) — неограниченный ряд твердых растворов с никелем (ГЦК решетки).

Многие твердые растворы замещения при относительно невысоких  температурах способны находиться в  упорядоченном состоянии, т.е. вместо статистического распределения  разносортных атомов в узлах пространственной решетки атомы одного и другого  металла размещаются в совершенно определенном порядке. Такие твердые  растворы называются упорядоченными.

Переход из неупорядоченного в упорядоченное состояние происходит при определенной температуре или  в определенном интервале температур. Температура, при которой твердый  раствор полностью разупорядо-чивается, называется точкой Курнакова и обозначается (тетта)К. Упорядочение происходит обычно только при медленном охлаждении твердого раствора из температурной  области выше (тетта)К.

Упорядоченные твердые растворы встречаются в системах с значительной или неограниченной растворимостью в твердом состоянии; при этом полная упорядоченность возникает  при концентрациях твердого раствора, соответствующих простым атомным  соотношениям компонентов типа АВ или  АВ3 Частичная упорядоченность наблюдается  при составах, близких к указанным. Расположение атомов в упорядоченных  твердых растворах двух сплавов  меди с золотом, составов, соответствующих  концентрациям АиСиз и AuCu.

Возникновение и исчезновение порядка в расположении атомов твердых  растворов сопровождается изменением свойств. При упорядочении возрастают электропроводность, температурный  коэффициент электрического сопротивления, твердость и прочность; снижается  пластичность сплава. У ферромагнитных сплавов изменяются магнитные свойства: например, у пермаллоев (магнитные  сплавы железа с никелем) при упорядочении в несколько раз уменьшается  магнитная проницаемость. Некоторые  сплавы в неупорядоченном состоянии  парамагнитны, а после упорядочения становятся ферромагнитными, например сплавы Гейслера (Mn-Cu-А1).

Твердые растворы внедрения. Такие  твердые растворы возникают при  сплавлении переходных металлов с неметаллами, имеющими малый атомный радиус —  водородом, азотом, углеродом, бором. Основным условием, определяющим возможность  растворения путем внедрения, является размерный фактор. Размер межузельного атома должен быть несколько больше размера поры. Твердые растворы внедрения  всегда имеют ограниченную растворимость  и встречаются преимущественно  тогда, когда растворитель имеет  ГП или ГЦК решетки, в которых  имеются поры с радиусом 0,41R, где R — радиус атома растворителя. В  ОЦК решетке растворимость путем  внедрения мала, так как размер пор не превосходит 0,29R. Примером твердых  растворов внедрения, имеющих промышленное значение, являются твердые растворы углерода в Fe(гамма) и Fe(альфа). Так, Fe(гамма) с ГЦК решеткой растворяет до 2,14 % (мас.) углерода, a Fe(альфа) с ОЦК ре­шеткой  почти совсем его не растворяет (максимальная растворимость составляет около 0,02 % (мас.)). Искажения решетки при  образовании твердых растворов  внедрения больше, чем при образовании  твердых растворов замещения, поэтому  у них более резко изменяются и свойства. По мере увеличения концентрации растворенного элемента в твердом  растворе заметно возрастают электрическое  сопротивление, твердость и прочность, но и значительно понижаются пластичность и вязкость. В сплавах, содержащих более двух элементов, возможно растворение в одном и том же растворителе и путем замещения, и путем внедрения. Так, при сплавлении железа с марганцем и углеродом получится твердый раствор, в котором марганец растворяется путем замещения, а углерод — путем внедрения.

Свойства твердых растворов

Причиной изменения свойств  у большинства термически обрабатываемых сплавов является процесс выделения. При этом главная составная часть  сплава, являющаяся твердым раствором  двух или большего числа элементов, изменяет свой состав с образованием новой фазы.

Процессы выделения завоевали  исключительное значение в технологии металлов со времени открытия дуралюмина. Большинство сплавов, введенных  в производство за последние десятилетия, обязано своими хорошими, а в некоторых  случаях и плохими свойствами процессам выделения, и возможность  получения на базе этого явления  новых сплавов, по-видимому, до сих  пор отнюдь не исчерпана. Так, в последнее  время был разработан алюминиевый  сплав с особенно высокой коррозионной устойчивостью, а также специальная  сталь с весьма ценными магнитными свойствами, при изготовлении которых  процессы выделения имеют большое  значение.

Для понимания природы  таких сплавов весьма важно знать, как изменяются их свойства (вследствие образования твердого раствора. Эти  изменения можно полнее всего  проследить у таких сплавов, которые  образуют непрерывные ряды твердых  растворов. В подобных сплавах при  любом составе выступает лишь одна единственная фаза, свойства которой  непрерывно изменяются вместе с составом.