Строение реальных металлов

Существует математическая связь между числом компонентов (К), числом фаз (Ф) и вариантностью системы ( С ). Это правило фаз или закон Гиббса

Если принять, что все превращения происходят при постоянном давлении, то число  переменных уменьшится

где: С – число  степеней свободы, К – число компонентов, Ф – число фаз, 1 – учитывает возможность изменения температуры.

Особенности строения, кристаллизации и свойств сплавов: механических смесей, твердых растворов, химических соединений

Строение металлического сплава зависит от того, в какие  взаимодействия вступают компоненты, составляющие сплав. Почти все металлы в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях. При образовании сплавов в процессе их затвердевании возможно различное взаимодействие компонентов.

В зависимости  от характера взаимодействия компонентов различают сплавы:

механические  смеси;

химические соединения;

твердые растворы.

Сплавы механические смеси образуются, когда компоненты не способны к взаимному растворению  в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.

Образуются между элементами значительно различающимися по строению и свойствам, когда сила взаимодействия между однородными атомами больше чем между разнородными. Сплав состоит из кристаллов входящих в него компонентов В сплавах сохраняются кристаллические решетки компонентов. 

Сплавы химические соединения образуются между элементами, значительно различающимися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между разнородными атомами больше, чем между однородными.

Особенности этих сплавов:

Постоянство состава, то есть сплав образуется при определенном соотношении компонентов, химическое соединение обозначается Аn Вm/

Образуется специфмческая, отличающаяся от решеток элементов, составляющих химическое соединение, кристаллическая решетка с правильным упорядоченным расположением атомов

Ярко выраженные индивидуальные свойства

Постоянство температуры  кристаллизации, как у чистых компонентов

Сплавы твердые  растворы – это твердые фазы, в которых соотношения между  компонентов могут изменяться. Являются кристаллическими веществами.

Характерной особенностью твердых растворов является:наличие  в их кристаллической решетке  разнородных атомов, при сохранении типа решетки растворителя.

Твердый раствор  состоит из однородных зерен (рис. 4.3). 

Классификация сплавов твердых растворов. 

По степеням растворимости компонентов различают  твердые растворы:

с неограниченной растворимостью компонентов;

с ограниченной растворимостью компонентов. 

При неограниченной растворимости компонентов кристаллическая  решетка компонента растворителя по мере увеличения концентрации растворенного компонента плавно переходит в кристаллическую решетку растворенного компонента.

Для образования  растворов с неограниченной растворимостью необходимы:

изоморфность (однотипность) кристаллических решеток компонентов;

близость атомных  радиусов компонентов, которые не должны отличаться более чем на 8…13 %.

близость физико-химических свойств подобных по строение валентных оболочек атомов.

При ограниченной растворимости компонентов возможна концентрация растворенного вещества до определенного предела, При дальнейшем увеличении концентрации однородный твердый раствор распадается с образованием двухфазной смеси.

По характеру  распределения атомов растворенного  вещества в кристаллической решетке  растворителя различают твердые растворы:

замещения;

внедрения;

вычитания. 

В растворах  замещения в кристаллической  решетке растворителя часть его  атомов замещена атомами растворенного  элемента (рис. 4.4 а). Замещение осуществляется в случайных местах, поэтому такие  растворы называют неупорядоченными твердыми растворами.

При образовании  растворов замещения периоды  решетки изменяются в зависимости  от разности атомных диаметров растворенного  элемента и растворителя. Если атом растворенного элемента больше атома  растворителя, то элементарные ячейки увеличиваются, если меньше – сокращаются. В первом приближении это изменение пропорционально концентрации растворенного компонента. Изменение параметров решетки при образовании твердых растворов – важный момент, определяющий изменение свойств. Уменьшение параметра ведет к большему упрочнению, чем его увеличение.

Твердые растворы внедрения образуются внедрением атомов растворенного компонента в поры кристаллической решетки растворителя (рис. 4.4 б).

Образование таких  растворов, возможно, если атомы растворенного элемента имеют малые размеры. Такими являются элементы, находящиеся в начале периодической системы Менделеева, углерод, водород, азот, бор. Размеры атомов превышают размеры межатомных промежутков в кристаллической решетке металла, это вызывает искажение решетки и в ней возникают напряжения. Концентрация таких растворов не превышает 2-2.5%

Твердые растворы вычитания или растворы с дефектной  решеткой. образуются на базе химических соединений, при этом возможна не только замена одних атомов в узлах кристаллической решетки другими, но и образование пустых, не занятых атомами, узлов в решетке.

К химическому  соединению добавляют, один из входящих в формулу элементов, его атомы  занимают нормальное положение в  решетке соединения, а места атомов другого элемента остаются, незанятыми. 

Кристаллизация  сплавов. 

Кристаллизация  сплавов подчиняется тем же закономерностям, что и кристаллизация чистых металлов. Необходимым условием является стремление системы в состояние с минимумом  свободной энергии.

Основным отличием является большая роль диффузионных процессов, между жидкостью и кристаллизующейся фазой. Эти процессы необходимы для перераспределения разнородных атомов, равномерно распределенных в жидкой фазе.

В сплавах в  твердых состояниях, имеют место процессы перекристаллизации, обусловленные аллотропическими превращениями компонентов сплава, распадом твердых растворов, выделением из твердых растворов вторичных фаз, когда растворимость компонентов в твердом состоянии меняется с изменением температуры.

Эти превращения  называют фазовыми превращениями в  твердом состоянии.

При перекристаллизации в твердом состоянии образуются центры кристаллизации и происходит их рост.

Обычно центры кристаллизации возникают по границам зерен старой фазы, где решетка  имеет наиболее дефектное строение, и где имеются примеси, которые могут стать центрами новых кристаллов. У старой и новой фазы, в течение некоторого времени, имеются общие плоскости. Такая связь решеток называется когерентной связью. В случае различия строения старой и новой фаз превращение протекает с образованием промежуточных фаз.

Нарушение когерентности  и обособления кристаллов наступает, когда они приобретут определенные размеры.

Процессы кристаллизации сплавов изучаются по диаграммам состояния. 

Диаграмма состояния. 

Диаграмма состояния  представляет собой графическое  изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости  от концентрации и температуры 

Диаграммы состояния  показывают устойчивые состояния, т.е. состояния, которые при данных условиях обладают минимумом свободной энергии, и поэтому ее также называют диаграммой равновесия, так как она показывает, какие при данных условиях существуют равновесные фазы.

Построение диаграмм состояния наиболее часто осуществляется при помощи термического анализа.

В результате получают серию кривых охлаждения, на которых  при температурах фазовых превращений  наблюдаются точки перегиба и  температурные остановки.

Температуры, соответствующие  фазовым превращениям, называют критическими точками. Некоторые критические точки имеют названия, например, точки отвечающие началу кристаллизации называют точками ликвидус, а концу кристаллизации – точками солидус.

По кривым охлаждения строят диаграмму состава в координатах: по оси абсцисс –концентрация  компонентов, по оси ординат – температура.

Шкала концентраций показывает содержание компонента В. Основными  линиями являются линии ликвидус (1) и солидус (2), а также линии  соответствующие фазовым превращениям в твердом состоянии (3, 4).

По диаграмме  состояния можно определить температуры фазовых превращений, изменение фазового состава, приблизительно, свойства сплава, виды обработки, которые можно применять для сплава.