Твердые растворы внедрения

Твердые раст­воры внедрения образуются только в тех условиях, когда диаметр атома растворенного элемента невелик.

Твердые растворы этого типа получаются лишь при раство­рении в металле (например, в железе, молибдене, хроме и т. д.) углерода (атомный радиус 0,077 нм), азота (0,071 нм), водорода (0,046 нм), т. е. элементов с малым атомным радиусом. Твердые растворы внедрения могут быть только ограниченной концентра­ции, поскольку число пор в решетке ограничено, а атомы основ­ного компонента сохраняются в узлах решетки. Роль этого вида твердого раствора значительна в сталях и чугунах.

Твердые растворы, устойчивые при сравнительно низких температурах, получили название упорядоченных твердых раст­воров, или сверхструктур.

Полностью упорядоченные растворы образуются, когда отно­шение компонентов в сплаве равно целому числу: 1:1, 1:2, 1: 3 и т. д. В этом случае сплава с упорядоченной структурой можно приписать формулу химического соединения, например, CuAu или Cu₈Au.

Упорядоченные твердые растворы можно рассматривать как промежуточные фазы между твердыми растворами и химическими соединениями. Правильное расположение атомов обоих компо­нентов в решетке и резкое изменение свойств характерно для химических соединений. Однако в упорядоченных твердых раст­ворах в отличие от химического соединения сохраняется решетка растворителя, и при нагреве до определенной температуры (точки Курнакова) степень упорядочения постепенно уменьшается, а выше этой температуры твердый раствор становится неупорядоченным.

Образование упорядоченных твердых растворов сопровож­дается изменением физических (магнитные свойства, электросо­противление и др.) и механических свойств. Прочность обычно возрастает, а пластичность ухудшается.

ХИМИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Химические соединения и родственные им по природе фазы в металлических сплавах многообразны. Характерные особен­ности химических соединений, образованных по закону нормаль­ной валентности, приведены ниже.

Кристаллическая решетка отличается от решеток компо­нентов, образующих соединение.

В соединении всегда сохраняется простое кратное соотношение компонентов. Это позволяет выразить их состав простой
формулой AnBm, где А и В — соответствующие элементы; n и
m — простые числа.

Свойства соединения резко отличаются от свойств образующих его компонентов.

Температура плавления (диссоциации) постоянная.

Образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.

В отличие от твердых растворов химические соединения обычно образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток.

В качестве примера типичных химических соединений с нор­мальной валентностью можно указать на соединения магния с элементами IV—VI групп периодической системы. Соединения одних металлов с другими носят общее название интерметаллидов, или интерметаллических соединений.

Соединения металла с неметаллом (нитриды, карбиды, гид­риды и т. д.), которые могут обладать металлической связью, нередко также называют металлическими соединениями.

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.

Ниже будут рассмотрены наиболее важные химические соеди­нения, образующиеся в сплавах.

Фазы внедрения.

Переходные металлы (Fe, Mn, Cr, Mo и др.) образуют с углеродом, азотом, бором и водородом, т. е. с элемен­тами, имеющими малый атомный радиус, соединения: карбиды, нитриды, бориды и гидриды. Они имеют общность строения и свойств и часто называются фазами внедрения.

Фазы внедрения имеют формулу М₄Х (Fe₄N, Mn₄N и др.), (WC, VC, TiC, NbC, TiN, VN и др.).

Кристаллическая структура фаз внедрения определяется соот­ношением атомных радиусов неметалла (Rx) и металла (Rм). Если rx/rm < 59, то атомы металла в этих фазах расположены по типу одной из простых кристаллических решеток: кубической (К8, К12) или гексагональной (Г12), в которую внедряются атомы неметалла, занимая в ней определенные поры.

Фазы внедрения являются фазами переменного состава. Кар­биды и нитриды, относящиеся к фазам внедрения, обладают вы­сокой твердостью.

Рассмотренные выше твердые растворы внедрения образуются при значительно меньшей концентрации второго компонента (С, N, Н) и имеют решетку металла растворителя, тогда как фазы внедрения получают кристаллическую решетку, отличную от решетки металла.

Если условие Rх/Rм < 0,59 не выполняется, как это наблю­дается для карбида железа, марганца и хрома, то образуются соединения е более сложными решетками, и такие соединения нельзя считать фазами внедрения. На базе фаз внедрения легко образуются твердые растворы вычитания, называемые иногда твердыми растворами с дефектной решеткой. В твердых раство­рах вычитания часть узлов решетки, которые должны быть заняты атомами одного из компонентов, оказываются свободными. В из­бытке по сравнению со стехиометрическим соотношением М„Хт имеется другой компонент.

Растворы вычитания образуются, например, в карбидах VC, TiC, ZrC, NbC и др.

Электронные соединения. Эти соединения чаще образуются между одновалентными (Gu, Ag, Аи, Li, Na) металлами или ме­таллами переходных групп (Fe, Mn, Co и др.), о одной стороны,и простыми металлами с валентностью от 2 до 5 (Be, Mg, Zn, Cd, Al и др.), с другой стороны. Соединения этого типа имеют опре­деленное отношение числа валентных электронов к числу атомов, т. е определенную электронную концентрацию.

Электронные соединения подобно обычным химическим соеди­нениям имеют кристаллическую решетку, отличную от решетки образующих их компонентов. Но в отличие от химических соеди­нений с нормальной валентностью электронные соединения об­разуют с компонентами, из которых они состоят, твердые раст­воры в широком интервале концентраций.

Фазы Лавеса. Эти фазы имеют формулу АВ2 и образуются между компонентами типа А и В при отношении атомных диамет­ров DA/DB = 1,2 (чаще 1,1—1,6) Фазы Лавеса имеют плотноупа­кованную кристаллическую решетку гексагональную MgZn₂ или гранецентрированную кубическую (MgCu₂)

К фа­зам Лавеса относятся AgBe₂, СаА1₂, MoBe₂, TiMn₂ и др. (тип MgZn₂).