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).