Контрольная работа: Строение и свойства фаз в металлических сплавах. Твёрдые растворы, химические соединения. Гетерогенные структуры

Большое число химических соединений, образующихся в металлических сплавах, отличается по некоторым особенностям от типичных химических соединений, так как не подчиняется законам валентности и не имеет постоянного состава. Рассмотрим наиболее важные химические соединения, образующиеся в сплавах.

Фазы внедрения

Переходные металлы (Fe, Mn, Cr, Mo, Ti, V, W и др.) образуют с неметаллами С, N, Н соединения: карбиды (с С), нитриды (с N), бориды (с В), гидриды (с Н). Часто их называют фазами внедрения.

Фазы внедрения имеют формулу:

М4Х (Fe4N, Mn4N и др.),

М2Х (W2C, Mo2C, Fe2N, Cr2N и др.),

МХ (WC, TiC, VC, NbC, TiN, VN и др.).

Кристаллическая структура фаз внедрения определяется соотношением атомных радиусов неметалла (Rх) и металла (Rм).

Если Rх/Rм < 0,59, то атомы металла в этих фазах расположены по типу одной из простых кристаллических решеток: кубической (К8, К12) и гексагональной (Г12), в которую внедряются атомы неметалла, занимая в ней определенные поры.

Фазы внедрения являются фазами переменного состава, а соответствующие им формулы (химические) обычно характеризуют максимальное содержание в них металлов.

Фазы внедрения обладают высокой: электропроводностью, температурой плавления и высокой твёрдостью.

Фазы внедрения имеют кристаллическую решетку, отличную от решетки металла растворителя.

На базе фаз внедрения легко образуются твердые растворы вычитания (VC, TiC, ZrC, NbC), часть атомов в узлах решетки отсутствует.

Электронные соединения.

Эти соединения образуют между одновалентными (Cu, Ag, Au, Li, Na) металлами или металлами переходных групп (Mn, Fe, Co и др.), с одной стороны, и с простыми металлами с валентностью от 2 до 5 (Be, Mg, Zn, Cd, Al и др.) с другой стороны.

Соединения этого типа (определил английский металлофизик Юм – Розери), характеризуются определенным отношением валентных электронов к числу атомов: 3/2; 21/13; 7/4; каждому соотношению соответствует определенная кристаллическая решетка.

При отношении 3/2 образуется ОЦК решетка (обозначается β – фаза) (CuBe, CuZn, Cu3Al, Cu5Sn, CoAl, FeAl).

При 21/13 имеют сложную кубическую решетку (52 атома на ячейку) – γ – фаза (Cu5Zn8, Cu31Sn8, Cu9Al4, Cu31Si8).

При 7/4 имеется плотноупакованная гексагональная решетка, обозначается ε – фазой (CuZn3, CuCd3, Cu3Si, Cu3Sn, Au3Sn, Cu5Al3).

Электронные соединения встречаются во многих технических сплавах – Cu и Zn, Cu и Sn (олово), Fe и Al, Cu и Si и т.п. Обычно в системе наблюдается все три фазы (β, γ, ε).

У электронных соединений определенное соотношение атомов, кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов – это признаки хим. соединений. Однако в соединениях нет упорядоченного расположения атомов. С понижением температуры (после нагрева) происходит частичное упорядочение, но не полное. Электронные соединения образуют с компонентами, из которых состоят твердые растворы в широком интервале концентраций.

Таким образом, этот вид соединений следует считать промежуточными между химическими соединениями и твердыми растворами.

Таблица №1 – Электронные соединения

Фазы Лавеса

Имеют формулу АВ2, образуются при соотношении атомных диаметров компонентов ДА/ДВ = 1,2 (чаще 1,1–1,6). Фазы Лавеса имеют ГПУ гексагональную решетку (MgZn2 и MgNi2, BaMg2, MoBe2, TiMn2) или ГЦК (MgCu2, AgBe2, Ca Al2, TiBe2, TiCr2). Данные фазы встречаются как упрочняющие интерметаллидные фазы в жаропрочных сплавах.

5.      Гетерогенные структуры

Сплавы с гетерогенной (разнородной) структурой образуются в случаях, когда компоненты не обладают полной взаимной растворимостью. При повышении предельной растворимости получается структура, состоящая из насыщенных растворов или твердого раствора и химического соединения.

Примеры систем (Pb–Sb, Cu–Bi, Zn–Sn, Pb–Sn, Pb–Bi, Ni–Cr, Fe–C, Al–Cu и др.). Каждая фаза имеет свою кристаллическую решетку.

Литература

1.  Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М., 1972, 1980

2.  Гуляев А.П. Металловедение. М., 1986

3.  Сидорин И.И. Основы материаловедения. М., 1976

4.  Антикайн П.А. Металловедение. М., 1972