Промежуточные фазы системы металл-металл

При сплавлении металлов могут образовываться промежуточные фазы с металлическим типом связи. К ним относятся электронные фазы, фазы Лавеса, σ – фазы.

Электронные фазы. Для максимального содержания металла более высокой валентности характерно совершенно определенное значение электронной концентрации (отношение числа валентных ē к числу атомов): 3/2, 21/13, 7/4. Фазы с указанными значениями электронной концентрации обозначают β, γ и ε, соответственно.

Указанным электронным концентрациям можно приписать соответствующие формулы. Например, в сплавах Cu с Zn, в которых могут образовываться все фазы в указанными концентрациями, такими формулами будут соответственно СuZn, Cu₅Zn₈, CuZn₃.

В большинстве сплавов β-фазы имеют ОЦК-решетку, γ-фаза – сложную кубическую решетку с 52 атомами в элементарной ячейке и ε-фаза – ГП-решетку.

Свойства электронных фаз, в частности, механические свойства, зависят от упорядоченности атомов компонентов в кристаллической решетке электронного соединения. Так, β-фазы с ОЦК-решеткой почти во всех системах при высоких температурах неупорядочены, и в этом состоянии их свойства близки к свойствам твердых растворов (низкая твердость и хорошая пластичность). При низких температурах неупорядоченные β-фазы неустойчивы: они либо распадаются на двухфазные смеси, либо упорядочиваются, как, например, в системе Cu-Zn. Упорядоченные β-фазы значительно более тверды и хрупки. Почти всегда упорядочены и хрупки γ-фазы, ε-фазы почти всегда неупорядочены.

Электронные соединения присутствуют в структуре многих сплавов на медной основе: латунях(Cu ‑ Zn), бронзах (Cu – Al, Cu – Sn и др.), они являются упрочняющими фазами.

Фазы Лавеса. Эти промежуточные фазы практически постоянного состава АВ₂. образуются при взаимодействии металлов разных групп ПСЭ. При этом, атомный радиус элемента В должен быть меньше атомного радиуса элемента А на 20-30%.

Фазы Лавеса имеют упорядоченные сложные кубические или гексагональные решетки. В магнитном поле ведут себя как диамагнетики. Присутствуют в структуре некоторых жаропрочных сплавов и способствуют их упрочнению (NbFe₂, MoFe₂,TiFe₂,TiCr₂).

Сигма-фазы образуются при сплавлении металлов, имеющих близкие размеры атомов. Имеют частично упорядоченную сложную решетку. В железных сплавах, содержащих более 20% Cr (коррозионно-стойкие конструкционные материалы), медленное охлаждение из области твердого раствора или изотермическая выдержка при 800-600ºС приводит к образованию кристаллов σ-фазы, которое сопровождается увеличением твердости и хрупкости сплавов.

Как называются кристаллы, в которых сохраняется тип кристаллической решетки элемента-растворителя?

Как называется новый тип кристаллической решетки, образующийся между элементом-растворителем и растворяемым элементом?

Рис. 2.1.1. Твердые растворы внедрения (а) и замещения (б)

В реальных кристаллах всегда содержатся дефекты (рис.3.3.3), которые подразделяют на:

— точечные (размеры близки к межатомному расстоянию);

— линейные (длина на несколько порядков больше ширины);

— поверхностные (толщина мала, а ширина и длина больше ее на несколько порядков);

— объемные (поры, трещины, имеют значительные размеры по всем трем направлениям).

Дефекты сохраняют подвижность, способны перемещаться в кристаллической решетке и при сближении взаимодействуют между собой. Подвижность дефектов контролируется диффузией (в большинстве случаев). Передвижение дислокаций (линейных дефектов) не связано с массопереносом, дислокации подвижны и при низких температурах, когда диффузия уже не играет никакой роли.

К точечным дефектам относятся вакансии, межузельные атомы основного вещества, чужеродные атомы внедрения (рис.3.1.1).

Вакансия - пустой узел кристаллической решетки.

Межузельный атом - атом, перемещенный из узла в позицию между узлами.

Вакансии и межузельные атомы появляются в кристаллах при температуре выше абсолютного нуля из-за тепловых колебаний атомов.

Пересыщение точечными дефектами достигается при резком охлаждении после высокотемпературного нагрева, при пластическом деформировании и при облучение нейтронами.

С течением времени избыток вакансий сверх равновесной концентрацией уничтожается на свободных поверхностях кристалла, границах зерен и других дефектов решетки. Места, где исчезают вакансии, называется стоками вакансий.

Все виды точечных дефектов искажают кристаллическую решетку и в определенной мере влияют на физические свойства. В технически чистых металлах точечные дефекты повышают электросопротивление, а на механические свойства почти не влияют.

Важнейшие виды линейных несовершенств - краевые и винтовые дислокации. Краевая дислокация в сечении представляет собой край «лишний» полуплоскости в решетке (рис. 3.2.1). Винтовая дислокация образована неполным сдвигом кристалла по плоскости Q (рис. 3.2.2). При наличии винтовой дислокации кристалл можно рассматривать как состоящий из одной атомной плоскости, закрученной в виде винтовой поверхности. Вокруг дислокаций решетка упруга искажена.

Мерой искажения служит так называемый вектор Бюргерса. Вектор, который нужен для замыкания контура в кристалле (внутри которого расположена дислокация) называется вектором Бюргерса (рис.3.2.3).

Плотность дислокаций – суммарная величина всех линий дислокаций в единице объема, выраженная в см на см³ (см^-2). В полупроводниковых металлах она равна

10⁴- 10⁵ см^-2, у отожженных металлов – 10⁶- 10⁸ см^-2. При холодном пластическом деформировании плотность дислокаций возрастает до 10¹¹–10¹² см^-2. Попытка увеличить плотность дислокаций выше 10¹² см^-2 быстро ведет к разрушению металла.

Дислокации значительно влияют на свойства материалов, наряду с другими дефектами участвуют в фазовых превращениях.

Вдоль дислокаций выше скорость диффузии. Они служат местом концентрации примесных атомов, особенно примесей внедрения, т. к. это уменьшает искажения решетки. Примесные атомы вокруг дислокаций образуют зону повышенной концентрации - атмосферу Коттрелла, которая мешает движению дислокаций и упрочняет металл.

Наиболее важными поверхностными дефектами являются большеугловые и малоугловые границы, дефекты упаковки, границы двойников.

Поликристаллический сплав содержит огромное число мелких зерен. В соседних зернах решетки ориентированы различно (рис. 3.3.1) и границы между зернами представляют собой переходный слой шириной 1—5 нм. В нем нарушена правильность расположения атомов, имеются скопления дислокаций, повышена концентрация примесей. Границы между зернами называются большеугловыми, т. к. соответственные кристаллографические направления в соседних зернах образуют углы в десятки градусов (рис. 3.3.1 а).

Каждое зерно, в свою очередь, состоит из субзерен (рис.3.3.2). Субзерно представляет собой часть кристалла относительно правильного строения, а его границы- стенки дислокаций, которые разделяют зерно на субзерна. Угол между соседними зернами невелик, поэтому такие границы называют малоугловыми. Здесь также накапливаются примеси.

Дефекты упаковки представляют собой часть атомной плоскости, ограниченную дислокациями, в пределах которой нарушен нормальный порядок чередования атомных слоев. Это как бы тонкая пластинка другой решетки (например, ГП в ГЦК - решетке).

Поверхностные дефекты влияют на механические и физические свойства материалов. Особенно большое значение имеют границы зерен. Чем мельче зерно, тем выше придел текучести, вязкость и меньше опасность хрупкого разрушения.

Вдоль границ зерен и субзерен быстро протекает диффузия (во много раз быстрее, чем сквозь кристалл), особенно при нагреве. Взаимодействие между дефектами, перемещение их в кристаллах, изменение концентрации дефектов - все это отражается на свойствах и имеет большое практическое значение.

4. Объясните пожалуйста, почему скопления примесных атомов вокруг дислокаций мешают их дальнейшему передвижению?

6. Как вы понимаете предложение: «…со временем происходит снижение концентрации дефектов за счет их взаимного уничтожения».

7. Как вы понимаете предложение: «Подвижность дефектов контролируется диффузией. Но передвижение дислокаций не связано с массопереносом».

Рис. 3.1.1. Точечные дефекты кристаллической решетки: а – межузельный атом внедрения; б – примесный атом в узле кристаллической решетки; в - вакансия

Рис.3.3.2. Зерно разделенное на субзерна имеющимися дислокациями (а)

Рис.3.3.3. Дефекты строения кристаллической решетки:

1 – вакансия, 2 – межузельные атомы, 3 – замещенный примесный атом, 4 – внедренный примесный атом, 5 – краевая дислокация, 6 – малоугловая граница, 7 – моноатомный слой примесных атомов, 8 – большеугловая граница

Свойства - количественная или качественная характеристика материала, определяющая его общность или различие с другими материалами.

Выделяют 3 основных группы свойств: эсплуатационные, технологические, стоимостные. Эти свойства лежат в основе выбора материала.

Эксплуатационными называют свойства материала, которые определяют работоспособность деталей машин, приборов или инструментов, их силовые, скоростные, стойкостные и другие технико-эксплуатационные показатели.

Работоспособность вещества деталей машин обеспечивает уровень механических свойств. Механические свойства характеризуют поведение материала под действием внешней нагрузки.

Работоспособность отдельной группы деталей машин зависит от сопротивления воздействию химически активной рабочей среды. В этом случае определяющими становятся физико-химические свойства материала - жаростойкость и коррозионная стойкость. Жаростойкость - это способность материала противостоять химической коррозии в атмосфере сухих газов при повышенной температуре. Коррозионная стойкость - это способность материала противостоять электрохимической коррозии при наличии жидкой среды на поверхности металла.

Для некоторых деталей машин, важное значение, имеют физические свойства, характеризующие поведение материалов в магнитных, электрических и тепловых полях. Их подразделяют на магнитные, электрические, теплофизические и радиационные.

Среди технологических свойств главное место занимает технологичность материала - пригодность его для изготовления деталей машин требуемого качества при минимальных трудовых затратах.

Она оценивается обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, прокаливаемостью, склонностью к деформации и короблению при термической обработке.

От технологичности материала зависит производительность и качество изготовления деталей.

Стоимостные свойства - это экономичность использования материала. Количественным показателем стоимости является оптовая цена.

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: