Взаимодействие компонентов в сплавах

В расплавленном состоянии большинство металлов растворяются друг в друге без ограничений, образуя жидкий раствор. При кристаллизации они могут образовать подобную структуру – твердый раствор одного компонента в решетке другого. Иногда компоненты вступают в химическое взаимодействие и образуют химическое соединение. Но бывает и так, что между компонентами в твердом состоянии нет никакого взаимодействия, и тогда они кристаллизуются раздельно, каждый образует свои собственные кристаллы, а сплав представляет собой механическую смесь кристаллов исходных компонентов.

Рассмотрим все эти случаи подробнее.

1) Твердые растворы возникают, если атомы одного компонента могут встраиваться в кристаллическую решетку другого компонента.

Тот компонент, которого в сплаве больше и решетка которого сохраняется, называется растворителем. Компонент, доля которого меньше, занимает какие-то места в решетке растворителя и называется растворенным веществом.

Твердые растворы могут быть образованы двумя способами:

а) Твердые растворы замещения возникают, если атомы одного компонента замещают атомы другого компонента в его решетке (рис. 48).

Здесь компонент A является растворителем, а компонент B – растворенным веществом.

Таким образом обычно растворяются друг в друге металлы, если их атомные радиусы близки (разница в размерах атомов не должна превышать 15 %). У металлов возможна даже неограниченная растворимость, когда атомы компонента B замещают атомы компонента A в любой пропорции, от 0 до 100 %. Для этого, кроме близкого размера атомных радиусов, они должны иметь один тип решетки и одинаковое строение валентной электронной оболочки. Такими парами являются, например, Cu и Ni, Fe_a и Cr.

Гораздо чаще встречается ограниченная растворимость, когда замещение атомов растворителя атомами растворенного компонента возможно до какого-то определенного содержания, называемого пределом растворимости. Так, например, растворяются цинк или олово в меди. Предел растворимости цинка в меди составляет 39 %.

б) Твердые растворы внедрения возникают, если атомы одного компонента (B) находятся в порах кристаллической решетки другого компонента (A).

Так неметаллы с маленькими размерами атомов растворяются в металлах (рис. 49). Твердые растворы внедрения всегда ограниченные, так как количество пор в решетке ограничено и не любого размера поры годятся для размещения атомов растворенного вещества. Примеры твердых растворов внедрения: углерод в железе, кремний в алюминии.

Под микроскопом твердые растворы выглядят так же, как и чистые металлы: видны только границы зерен (рис. 50). Твердый раствор – это одна фаза, поэтому рентгеноструктурный анализ покажет только решетку металла-растворителя, но ее параметры будут отличаться в большую или меньшую сторону из-за искажений, вызванных растворенным веществом.

Свойства сплавов, представляющих собой твердые растворы, могут очень сильно отличаться от свойств исходных компонентов. Именно твердые растворы являются основой большинства современных промышленных сплавов, потому что они дают наибольшие возможности для получения необходимых эксплуатационных свойств.

Обозначают твердые растворы греческими буквами: a, b, g, d, … или A(B), где A – растворитель, B – растворенный компонент.

2) Механическая смесь кристаллов возникает, если компоненты не могут растворяться друг в друге и не вступают в химическую реакцию.

Такие сплавы представляют собой смесь сросшихся между собой кристаллов исходных компонентов. Под микроскопом в сплаве, представляющем собой механическую смесь кристаллов, видны зерна двух разных видов: зерна A и зерна B (рис. 51). Это двухфазная структура, поэтому рентгеноструктурный анализ сплава показывает два вида решеток: металла A и металла B.

Различие между сплавом-твердым раствором и сплавом-механической смесью легко представить на таком простом примере. Строится стена из кирпичей разного цвета: красных и белых, например. В одном случае кирпичи располагаются вперемешку, выбирает их каменщик, не глядя. В другом случае часть стены сложена только из красных кирпичей, а вторая ее половина – только из белых. В обоих случаях получится стена одинакового размера, но первая похожа на твердый раствор, где перемешивание идет на уровне атомов, а вторая – на механическую смесь кристаллов разных веществ.

Свойства сплава линейно зависят от количества кристаллов того и другого компонента; значения механических и физических характеристик являются промежуточными между свойствами чистых исходных веществ. Поэтому возможности выбора сплава с нужными свойствами ограничены.

Обозначается механическая смесь как сумма двух компонентов: A + B.

3) Химическое соединение возникает, если компоненты могут вступать в химическую реакцию друг с другом и образовывать устойчивое сложное вещество со строго определенным соотношением между атомами одного и другого компонента.

Химическое соединение можно выразить простой формулой A_mB_n, где m и n – натуральные числа.

Химические соединения возникают между компонентами с разными кристаллическими решетками или разным строением валентной электронной оболочки.

Пример: медь и алюминий имеют одинаковый тип кристаллической решетки (ГЦК), но разное строение внешней электронной оболочки. Они образуют химическое соединение CuAl₂ со своей кристаллической решеткой (рис. 52).

Такие соединения называются интерметаллидами. Их кристаллическая решетка, температура плавления, все физические, химические и механические свойства резко отличаются от свойств исходных компонентов. Как правило, интерметаллидные соединения имеют менее компактные, более сложные кристаллические решетки, чем металлы. Поэтому они тверже и прочнее исходных металлов, но менее пластичны.

Встречаются в сплавах и соединения металлов с неметаллами: карбиды Me_xC_y, нитриды Me_xN_y и т. п.

В сплавах химические соединения являются упрочняющими фазами, но состоящие только из химического соединения сплавы применяются редко.

Образовавшееся соединение тоже становится компонентом сплава, оно вступает во взаимодействие с исходными компонентами – простыми веществами.

Под микроскопом химические соединения обычно выглядят как мелкие частицы внутри кристаллов одного из компонентов или твердого раствора (рис. 53). Рентгеноструктурный анализ, конечно, покажет новый тип решетки: не исходных компонентов, а их соединения.

Итак, компоненты, образовавшие новый материал – сплав, – невооруженным глазом в нем неразличимы, но различные методы анализа позволяют их обнаружить и определить их количество (табл. 1).

Таблица 1

Определение природы фаз в сплавах различными методами

Механические испытания тоже покажут свойства, отличные от свойств исходных компонентов.