Характеристики самодиффузии некоторых материалов

Решётка	Материал	Do, м^2/c	Q, эВ	Q, кДж/моль
ОЦК	a-железо	2,0×10^-4	2,61
ниобий	1,1×10^-4	4,18
хром	2,8×10^-5	3,19
ванадий	3,6×10^-5	3,21
вольфрам	5,6×10^-4	6,09
ГЦК	g-железо	1,8×10^-5	2,81
свинец	1,4×10^-4	1,14
алюминий	1,7×10^-4	1,48
медь	2,0×10^-5	2,05
никель	1,9×10^-4	2,96
ГПУ	a-цирконий	4,0×10^-5	2,60
a-титан	8,6×10^-10	1,56
кадмий	5,0×10^-6	0,79	76,2
магний	1,0×10^-4	1,41
бериллий	6,2×10^-5	1,68

Строение сплавов

Фазовые состояния сплавов.

 

Сплавы из разных элементов находят значительно более широкое применение по сравнению с чистыми материалами. Они позволяют значительно расширить диапазоны изменения практически важных свойств и условий эксплуатации. Соответственно, стали разнообразнее и технологические приёмы получения и обработки конструкционных материалов. Их развитие было обеспечено прогрессом знаний о фазовой структуре сплавов, её равновесном состоянии и превращениях при воздействии того или иного фактора.

Сплавы могут представлять механическую смесь, промежуточную фазу (химическое соединение), твёрдый раствор на основе одного из компонентов или химического соединения. При этом фазой называют часть системы, обладающей специфическим расположением атомов, ограниченной поверхностью и существующей в определённой области факторов воздействия.

Механическая смесь элементов образуется, если они не способны к взаимному растворению и образованию химических соединений. Сплав состоит из их хаотично расположенных кристаллитов.

Химические соединения металла с неметаллом, когда имеет место ионная связь, отличает определённый стехиометрический состав (например, А_xВ_y), специфическая решётка с упорядоченным расположением элементов разного типа и отсутствие металлических свойств. Соединения из одних металлических элементов связаны недостаточно жёсткой металлической связью, не подчиняются закону валентности и допускают некоторое отклонение от стехиометрии.

В жидком состоянии большинство металлических сплавов являются однородными жидкими растворами. При охлаждении зачастую однородность сохраняется, образуется твёрдый однофазный раствор с характерной решёткой в определённом интервале концентраций. Растворяемые атомы могут замещать узлы решётки или междоузлия с образованием растворов замещения или внедрения. Растворителем считают тот элемент, чья решётка сохраняется. Растворяемый элемент в растворах замещения может быть больше или меньше растворителя. Параметр решётки соответственно увеличивается или уменьшается, что упрочняет сплав. Образование твёрдого раствора внедрения всегда увеличивает параметр решётки.

Небольшое различие размеров растворяемых атомов и атомов растворителя и одинаковая решётка у обоих являются непременным условием образования раствора неограниченной растворимости. При несоблюдении этих условий растворимость ограничена.

Твёрдый раствор могут образовывать и химические соединения. В этом случае сохраняется решётка соединения А_xВ_y, но, к примеру, часть атомов А или С растворяется в соединении, заменяя собой атомы В. Формула соединения нарушается. Возможен и частичный уход одного из элементов с образованием так называемого раствора вычитания.

Фазовое состояние определяется не только изменением состава сплава, но упорядочением атомов. Упорядоченные растворы характеризуются одинаковым окружением атомов с образованием ближнего или ближнего и дальнего порядка одновременно.

 

Диаграммы состояния.

 

Диаграммы состояния представляют собой, как правило, графическое изображение равновесных фазовых состояний при различных температурах, концентрациях элементов и давлении. Диаграммы для бинарного сплава в общем случае являются поверхностью в трёхмерном пространстве или плоскими фигурами при постоянном давлении или температуре.

Основой построения диаграмм являются рассмотрение свободной энергии разных фаз и экспериментальные данные по их структурным характеристикам. Каждый из этих подходов взаимно дополняет друг друга.

В термодинамике рассматривают фазовые переходы первого и второго рода. Первые отличает скачкообразное изменение теплоты перехода, внутренней энергии, объёма, выражаемых через первую производную термодинамического потенциала от температуры и давления. Вторые сопровождаются скачком характеристик, пропорциональных второй производной термодинамического потенциала от температуры и давления (теплоёмкость, коэффициент теплового расширения и т.д.). К первым относят изменения агрегатного состояния, аллотропические превращения, ко вторым – некоторые переходы от беспорядочного к упорядоченному состоянию, в состояние сверхпроводимости и сверхтекучести, магнитные превращения.

На рис. 5 представлен вид диаграмм состояния бинарного сплава АВ, отражающих переходы первого рода.

Наиболее проста диаграмма в случае неограниченного твёрдого раствора. На ней области жидкого L и твёрдого раствора разделены двумя непересекающимися линиями, сходящихся на концах при температуре плавления того и другого элемента (рис. 5а). Верхнюю линию называют линией ликвидуса, нижняя – линией солидуса. По ним определяют количество и состав жидкой и твёрдой фаз по правилу рычага.

Если элементы неограниченно растворяются в жидком состоянии и совершенно не растворяются в твёрдом, две линии ликвидуса и

 

Рис. 5. Примеры диаграмм состояний бинарного сплава

горизонтальная линия солидуса пересекаются в точке, называемой эвтектической (рис. 5б).

При ограниченной взаимной растворимости элементов на диаграмме имеются шесть областей: L, b- и a- твёрдых растворов, L+b, L+a, a+b (рис. 5в). Столько же областей будет и при значительном различии температур плавления элементов А и В, но в этом случае говорят не об эвтектической, а перитектической точке (рис. 5г). Диаграмма усложняется, если элементы испытывают полиморфные превращения (рис. 5д).

При наличии химического соединения у элементов, совершенно нерастворимых в твёрдом состоянии, диаграмма приобретает вид, показанный на рис. 5е. Она ещё более сложна при наличии ограниченных твёрдых растворов.

Если сплав включает три элемента, то его диаграмму для заданных величин температуры и давления представляют в виде равностороннего треугольника с отражением содержания элементов по сторонам. Чтобы изучить влияние, к примеру, температуры, нужно построить диаграммы для нескольких её значений.

При фазовых переходах второго рода у приведённых выше диаграмм появляются куполообразные области, внутри которых сплав отличается упорядоченным расположением атомов, проявлением ферромагнетизма, сверхпроводимости и т.д.