Фазы и структурные составляющие в сплавах

Фаза - однородная часть системы (в нашем случае сплава), отделенная от других частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую состав, структура и свойства резко меняются. В сплавах в твердом состоянии в зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов могут образовываться следующие фазы: твердые растворы и химические соединения.

Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы (ионы) других (другого) компонентов (растворяемые элементы) располагаются в решетке первого компонента. Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу (обозначение: малая буква греческого алфавита – α, γ, δ, ε и т.д.) Микроструктура твердого раствора не отличается от микроструктуры чистого компонента.

Различают следующие виды твердых растворов.

1. Твердые растворы замещения - образуются путем замены атомов металла-растворителя в его кристаллической решетке атомами растворенного элемента (рис. 2.18).

Твердые растворы замещения могут быть ограниченные и неограниченные. В тех случаях, когда компоненты могут замещать один другого в кристаллической решетке в любых количественных соотношениях (вплоть до 100 %), растворимость неограниченна и образуется непрерывный ряд твердых растворов. Неограниченные твердые растворы образуются при условии:

- одинаковый (изоморфный) тип решетки компонентов;

- различие атомных радиусов не превышает 8 - 15 %;

- близкие физико-химические свойства.

Неограниченно растворяются друг в друге Сu - Ni, Ag - Au, V - Ti и т.д.

При ограниченной растворимости существует предел растворимости, выше которого растворимость (вхождение в кристаллическую решетку растворителя атомов растворяемых элементов) в равновесных условиях невозможна. Например, предел растворимости меди в алюминии при комнатной температуре составляет 0,5 %.

 

Р и с. 2.18. Твердые растворы замещения

 

2. Твердые растворы внедрения образуются путем размещения атомов растворенного элемента в порах решетки растворителя. Такие растворы образуются в случае, когда радиус атома растворенного элемента невелик. Например, при растворении в железе атомов углерода, азота или водорода.

Твердые растворы внедрения всегда ограниченные, т.е. количество растворенного компонента ограничено определенной величиной, так как объем пор в кристаллической решетке ограничен. Образуются эти растворы при условии: R _{растворенного} / R _{растворителя} < 0,59, где R - атомные радиусы компонентов. Чаще всего твердые растворы этого типа образуют металлы Fe, Mn, Co, Ti, Mo, W, V, Zr и др. с С, N, O, H. Например, в системе железо - углерод (основа сталей и чугунов) твердыми растворами внедрения углерода в железе являются феррит (в

α - Fe, решетка ОЦК) и аустенит (в γ - Fe, решетка ГЦК). Название первой фазы произошло от латинского ferrum - железо, вторая названа в честь английского ученого W. C. Roberts - Austen a. Феррит является низкотемпературной фазой, а аустенит - высокотемпературной, которая образуется при нагреве стали до определенной температуры.

Р и с. 2.19. Твердые растворы внедрения

 

Твердые растворы мягки и пластичны. Благодаря высокой пластичности они хорошо поддаются обработке давлением. Литейные свойства и обрабатываемость резанием у твердых растворов низкие.

Упорядоченные твердые растворы - представляют твердые растворы замещения, в которых атомы растворителя и растворенного элемента занимают определенные положения в кристаллической решетке (рис. 2.20).

 

 

    

 

 

 

 

Р и с. 2.20. Упорядоченные твердые растворы замещения

 

Упорядочение наблюдается при относительно небольших температурах. В случае нагрева до определенной температуры упорядочение исчезает. Упорядоченные твердые растворы характеризуются более высокой твердостью и хрупкостью и могут рассматриваться как промежуточные фазы между неупорядоченными твердыми растворами и химическими соединениями.

Химические соединения имеют следующие особенности:

- постоянный химический состав, который может быть выражен простой формулой А_mВ_n, где А и В – соответствующие элементы, а m и n – целые числа;

- кристаллическую решетку, отличную от кристаллических решеток элементов, образующих соединение;

- свойства, резко отличающиеся от свойств образующих соединение элементов;

- постоянную температуру кристаллизации, как и у чистых металлов.

В отличие от твердых растворов химические соединения обычно образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов. Соединения одних металлов с другими носят общее название интерметаллидов или интерметаллических соединений. Примерами интерметаллидов являются: CuAl ₂, MnAl ₆, MgNi ₂, AuCd, Ni ₃ Ti и др. Примером химического соединения в системе железо - углерод является фаза Fe ₃ C, карбид железа – цементит (рис.2.21). Кристаллическая решетка цементита совершенно отлична от решеток железа и углерода. Содержит 6,67 % углерода. Цементит является самой твердой и хрупкой фазой в системе железо- углерод.

 

 

Р и с. 2.21. Кристаллическая решетка цементита (Fe ₃ C)

 

Структурная составляющая в сплавах - часть микроструктуры сплава, характеризуемая одинаковым средним химическим составом и однообразным расположением и формой кристаллов образующих её фаз. Может состоять из одной или нескольких фаз. Весьма распространенными структурными составляющими в сплавах являются смеси двух фаз. Примером такой структурной составляющей в системе железо - углерод является пластинчатая смесь двух фаз - феррита и цементита (рис. 2.22), называемая перлитом.

 

 

Р и с. 2.22. Микроструктура перлита ×1400

Название произошло от франзузского perle - жемчужина. Перлитная структура получила свое название от того, что после травления в химическом реактиве она имеет под микроскопом перламутровый блеск.