Глава 2.6 / 2.6.1. Типы сплавов
Различают следующие типы сплавов: твердые растворы, химические соединения, смеси.
Сплавы типа твердый раствор характеризуются тем, что при их образовании один компонент (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого (растворенного) располагаются в кристаллической решетке растворителя. Таким образом, сплавы этого типа однофазны, они имеют кристаллическую решетку растворителя. Атомы компонентов в сплавах типа твердый раствор расположены неупорядоченно.
Атомы растворенного компонента могут замещать атомы растворителя в кристаллической решетке, образуя твердый раствор замещения, или размещаться между атомами растворителя в его кристаллической решетке, образуя твердый раствор внедрения (рис. 2.17).
Рис. 2.17. Кристаллическая решетка твердого раствора замещения (а) и твердого раствора внедрения (б):
А – атомы компонента-растворителя; В – атомы растворяемого компонента
Твердые растворы замещения состоят из металлов, расположенных рядом в Периодической системе элементов. По взаимной растворимости различают твердые растворы с неограниченной и ограниченной растворимостью компонентов. В твердых растворах с неограниченной растворимостью компонентов возможна любая концентрация растворимого компонента (вплоть до 100 %).
Твердые растворы замещения с неограниченной растворимостью образуются при следующих условиях:
- кристаллические решетки компонентов должны быть одного типа;
- компоненты принадлежат одной или смежным группам Периодической системы элементов;
- различие атомных радиусов компонентов небольшое: при их разнице 8... 15% могут образовываться твердые растворы с неограниченной растворимостью, при большей — твердые растворы с ограниченной растворимостью компонентов.
Поскольку атомные радиусы компонентов неодинаковы, при образовании твердых растворов замещения происходит искажение кристаллической решетки (рис. 2.18), что замедляет прохождение диффузионных процессов.
Рис. 2.18. Искажение кристаллической решетки в твердых растворах замещения:
а — радиус атома растворяемого компонента больше радиуса атома растворителя;
б — радиус атома растворяемого компонента меньше радиуса атома растворителя
Твердые растворы внедрения образуются при условии, что атомный радиус растворенного компонента г заметно меньше, чем растворителя R: г < 0,6/?. Только в этом случае атом растворенного компонента может расположиться между атомами растворителя, внедряясь в его кристаллическую ячейку. Такие твердые растворы возникают между металлами и неметаллами — элементами I и II периодов. Периодической системы, имеющими малые атомные радиусы (Н, N, С, В).
Твердые растворы близки по свойствам к металлу-растворителю. Они, как правило, пластичны, хорошо деформируются в холодном и в горячем состояниях.
Твердые растворы обозначают буквами греческого алфавита: а, р, у и т.д. или А (В), где А — растворитель, В — растворенный компонент.
Химические соединения образуют элементы, расположенные в Периодической системе элементов далеко друг от друга. Для сплавов этого типа характерно следующее:
- кристаллическая решетка химического соединения отлична от кристаллических решеток образующих его компонентов;
- свойства химического соединения резко отличаются от свойств компонентов;
- атомы в кристаллической решетке химического соединения расположены упорядоченно, например атомы NaCI (см. рис. 1.1);
- состав химического соединения можно описать стехиометрической формулой AmBn где т и n — взаимно простые целые числа;
- химическое соединение имеет постоянную температуру плавления;
- химические соединения обладают высокой твердостью и хрупкостью.
Химические соединения образуют вещества, имеющие большие отличия в атомном строении и кристаллических решетках. При этом возможны соединения типа металл — неметалл и металл — металл.
Соединения металл — неметалл характеризуются ионным типом связи. Названия этих химических соединений определяются видом неметаллического элемента: нитрид — соединение металла с азотом; карбид — соединение с углеродом; оксид — соединение с кислородом и т.д.
Соединения металл — металл называются интерметаллидами (например, СиАl2). Эти соединения характеризуются металлическим типом связи. В узлах кристаллической решетки таких соединений располагаются положительно заряженные ионы, удерживаемые электронным газом.
Смеси образуют компоненты, которые не растворяются друг в друге в твердом состоянии, а также не способны к химическому взаимодействию с образованием соединения. В сплавах типа смесь каждый компонент сохраняет свою кристаллическую решетку. Структура смеси неоднородная, она состоит из нескольких фаз. Механические свойства смесей зависят от количественного соотношения компонентов, а также от размеров и формы фаз.