СТРУКТУРА СПЛАВОВ

СТРОЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ

Твердые растворы замещения. Возникают при занятии некотррых узлов решетки матрицы атомами другого элемента, т. е. замещением атома матрицы (рис. 1.10).

рис. 1.10

Область растворимости какого-либо металла в данной матрице может быть оценена эмпирическим правилом Юм-Розери.

Широкая область растворимости возможна в тех случаях, когда:

а) различие атомных радиусов менее 10—15 %;

б) элементы обладают почти одинаковыми электрохимическими свойствами;

в) решетки изотипны.

Отсюда при выполнении всех вышеназванных условий получается непрерывный ряд твердых растворов (например, Си— Ni), а при частичном выполнении выше-названных условий растворимость в твердом состоянии ограниченная.

При образовании твердых растворов электрическое сопротивление, твердость чаще всего возрастает, а теплопроводность, пластичность — обычно падают.

Рис. 1.11

Ближний порядок. Возникает, когда реализуется тенденция к расположению в качестве ближайших соседей разнородных атомов (разных элементов). Энергия связи между разнородными атомами больше, чем между однородными (рис. 1.11).

Дальний порядок, или сверхструктура. Возникает при определенном количественном (стехиометрическом) соотношении разнородных атомов, которые в соответствии с условиями обработки образуют вполне определенную решетку. Сверхструктуры устойчивы только ниже определенной температуры, когда сохраняется закономерное расположение разнородных атомов в определенных узлах сверхрешетки (рис. 1.12).

Рис. 1.12

Сплавы с дальним порядком имеют по сравнению с неупорядоченными твердыми растворами иные механические, электрические и магнитные свойства (см. раздел 1.11).

 рис. 1.13.

Сверхструктура золота и меди — см. рис. 1.13.

Образование зон. Происходит тогда, когда в твердом растворе реализуется тенденция к предпочтительному расположению однородных атомов (растворяемого элемента) в качестве ближайших соседей, что в определенных условиях (вероятного образования металлических фаз) оказывается энергетически выгоднее, чем образование неупорядоченного твердого раствора (рис. 1.14).

рис. 1.14

Твердые растворы внедрения. Образуются при внедрении чужеродных атомов растворяемого элемента (большей частью металлоидов с малым атомным радиусом) в междоузлия кристаллической решетки матрицы. Образование твердого раствора внедрения при заполнении пор в г. ц. к. решетке — см. рис. 1,15.

 рис. 1,15.

Несмотря на малую растворимость внедренных атомов элементов в кристаллическую решетку металлической матрицы, ряд технологических процессов, таких как обработка на твердый раствор,закалка, старение, приводит к значительному изменению свойств (см. 5.0), что широко используется в технике.

Фазы внедрения. Сверхструктуры в системах растворов внедрения (см. рис. 1.16,на котором изображена структура WC, координационное число 6) имеют полуметаллический блеск, высокую твердость и износоустойчивость. В технике используются такие фазы внедрения, как бориды, силициды, карбиды.

Рис. 1.16

Интерметаллические фазы. Образуются обычно в средних частях диаграмм состояния, за областью твердых растворов, когда не выполняется правило Юм-Розери. Характеризуются проявлением гетерополярной и гомеополярной составляющих межатом-

ных сил связи наряду, естественно, с металлической связью при почти полной или частичной стехиометрии. Интерметаллические фазы стабильнее сверхструктур, они большей частью твердые, хрупкие и обладают плохой электропроводностью.

Различают (по увеличению вклада неметаллической составляющей сил связи):

A. Фазы Юм-Розери, которые образуются между металлами групп Ib, IVb до VIIIb (металлы первого рода) и металлами групп IIb, IIIa до Va (металлы второго рода) — табл. 4. Такие фазы характеризуются определенным отношением числа валентных электронов к числу атомов.

Примеры фаз:

а) β-фазы — большинство из них имеет кубическую и г. п. у. решетки; три валентных электрона на каждые два атома;

б) γ-фазы —большей частью сложные кубические решетки; 21 валентный электрон на 13 атомов;

в) ε-фазы — в основном г. п. у. решетки; имеют семь валентных электронов на четыре атома.

Фазы Юм-Розери имеют металлический блеск, высокую твердость И хрупкость. Их число в сплавах должно быть регламентировано.

Б. Фазы Лавеса, представляющие собой соединения АВ₂ типов MgCu_2, MgNi₂ и MgZn₂—табл. 5.

Фазы Лавеса — твердые, хрупкие, диамагнитные.

B. Фазы Цинтля, представляющие -собой соединения между металлами с сильно различающимися электрохимическими свойствами; имеют солевидный характер. Фазы Цинтля Li и Mg — табл. 6.

Г. Фазы Гримме—Зоммерфельда, имеющие гомеополярный характер сил связи, образующиеся между элементами, равноотстоящими вправо и влево от группы IVa периодической системы элементов. Они кристаллизуются в кубическую решетку алмазного типа или гексагональную типа - вюрцита, например CdSe, который применяется как полупроводник (лазер).

Д. Интерметаллические соединения на железной основе с металлами IV, V и VI групп, интерметаллические соединения Fe с Со, Ni и Μn.

σ-фазы описываются, как фазы Юм-Розери (имеют определенное отношение электронов на атом).

В таблице:

некоторые интерметаллические фазы в сплавах на основе железа.

Кошачьи усы и прочность кристалла

Кирпичная стена выглядит солидно, прочно и посвоему красиво, если ее выложил опытный и добросовестный каменщик.

 Он аккуратно укладывает кирпич за кирпичом в правильные ряды, каждый на свое место, и никогда не допустит, чтобы где-то ряд ушел в сторону хоть на полкирпича.

 Примерно то же происходит, когда из расплава возникает и растет кристалл.

 Атомы, его «кирпичи», должны в строгом соответствии с «чертежом» кристаллической решетки занимать заранее определенные места, целиком заполнять ряд за рядом, слой за слоем—только таким образом образуется правильный кристалл. 

Но природа обычно допускает «небрежность в работе», и идеальное строение кристалла нарушается. 

Некоторые узлы в решетке остаются не занятыми—такие дефекты называют вакансиями. В других участках решетки атомы оказываются в промежутках между ее узлами. Этим так называемым атомам внедрения приходится «локтями» расчищать себе место.

Они слегка раздвигают в стороны соседей, нарушая при этом регулярность кристаллической решетки.

Среди дефектов решетки, возникающих при росте кристалла из расплава, чаще всего встречаются дислокации. В 1 см³ «нормального» монокристалла общая длина линейных дислокаций достигает 100 км, и во многих участках кристаллическая решетка очень сильно искажена. 

Когда к кристаллу приложена сила, некоторые дислокации начинают двигаться, потому что они свободны.

Внешне такой процесспроявляется в виде пластической деформации.

При этом возникают новые свободные дислокации.

Если бы удалось приготовить кристалл с минимальным коли-чеством дефектов решетки, со­всем без дислокаций, то он дол­жен был бы обладать необыкно­венной прочностью

И такие кристаллы — вернее, кристаллики диаметром около 0,1 мм я длиной до нескольких миллиметров—действительно научились выращивать.

Ученые, впервые получившие подобные нитевидные кристаллы, назвали их усами  (причем кошачьими, потому что английское слово whisker означает усы у кошки или тигра, а у человека — бакен­барды).

Прочность железных усов примерно в 100 раз выше, чем массивного куска обычного же­леза.

Усы можно вырастить так­же из графита, окиси алюминия, карбида кремния.

В наши дни созданы композиционные материалы, упрочненные такими усами, которые по прочности намного превосходят все традиционные материалы

Знания даны для всех !  С^© А.Гальперин