66879

ФАЗЫ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВАХ

Лекция

Физика

Твердыми растворами называют фазы в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку а атомы другого или других компонентов располагаются в решетке первого компонента растворителя изменяя ее размеры периоды.

Русский

2014-08-29

38 KB

11 чел.

Тема № 4

ФАЗЫ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВАХ

Чистые металлы обладают низкой прочностью и в ряде случаев не обеспечивают требуемых физико-химических и технологических свойств. Поэтому в технике их применяют редко. Наиболее широко используют сплавы.

Сплавы получают сплавлением или спеканием двух или более металлов или металлов с неметаллом. Вещества, образующие сплавы, называются компонентами.

Сплав может состоять из двух или большего числа компонентов и образовывать одну или несколько фаз.

Фазой называется физически и химически однородная часть системы (металла или сплава), имеющая одинаковый состав, одно и то же агрегатное состояние и отделенная от остальных частей системы поверхностью раздела.

В сплавах в зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы, твердые растворы, химические соединения.

Твердые растворы

Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого или других компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры (периоды).

Твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу.

Различают твердые растворы замещения (рис. 9) и твердые растворы внедрения (рис.10). При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке. Атомы растворенного компонента могут замещать любые атомы растворителя.

При образовании твердого раствора внедрения атомы растворенного компонента располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решетки растворителя. При этом атомы располагаются не в любом междоузлии, а в таких пустотах, где для них имеется больше свободного пространства.

При образовании твердого раствора кристаллическая решетка всегда искажается и периоды ее изменяются. При образовании твердого замещения период решетки может увеличиться или уменьшиться в зависимости от соотношения атомных радиусов растворителя и растворенного компонента. В случае твердого раствора внедрения период решетки растворителя всегда возрастает. Атомы растворенного компонента нередко скапливаются у дислокации.

В растворах замещения атомы меньшего размера (по сравнению с атомами металла растворителя) скапливаются в сжатой зоне решетки (рис.11), атомы больших размеров - в растянутой зоне решетки, при образовании твердого раствора внедрения атомы растворенного элемента располагаются в растянутой области под краем экстраплоскости; в области дислокации чужеродным атомам легче размещаться, чем в совершенной области решетки, где они вызывают значительные искажения решетки. Атомы внедрения значительно сильнее связываются с дислокациями, чем атомы замещения, образуя так называемые атмосферы Коттрелла. Образование атмосфер сопровождается уменьшением искажений решетки, что предопределяет их устойчивость. Выход или отрыв атомов из атмосферы Коттрелла требует значительной энергии.

Твердые растворы замещения с неограниченной растворимостью могут образоваться при соблюдении следующих условий:

1. Компоненты должны обладать одинаковыми по типу (изоморфными) кристаллическими решетками. Только в этом случае при изменении концентрации твердого раствора будет возможен непрерывный переход от кристаллической решетки одного компонента к решетке другого компонента.

2. Различие в атомных размерах компонентов должно быть незначительным и не превышать определенной величины— для сплавов на основе меди до 14-15 %, а для сплавов на основе железа до 9 %.

3. Компоненты должны принадлежать к одной и той же группе периодической системы элементов или к смежным родственным группам и в связи с этим обладать близким строением валентной оболочки электронов в атомах.

Твердые растворы внедрения могут возникнуть только в тех случаях, когда диаметр атома растворенного элемента невелик. Поэтому твердые растворы этого типа получаются лишь при растворении в металле (например, в железе, молибдене, хром и т.д.) углерода (атомный радиус 0,77A), азота (0,71 А), водорода (0,46 А), 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.

Упорядоченные твердые растворы (сверхструктуры). В некоторых сплавах (например, Cu-Au, Fe-Al, Fe-Si, Ni-Mn и др.), образующих при высоких температурах растворы замещения (с неупорядоченным чередованием атомов компонентов), при медленном охлаждении или длительном нагреве при определенных температурах протекает процесс перераспределения атомов, в результате которого атомы компонентов занимают определенные положения в кристаллической решетке.

Такие твердые растворы получили название упорядоченных твердых растворов или сверхструктур. Образование сверхструктуры сопровождается изменением свойств.

Химические соединения

Химические соединения и родственные им по природе фазы в металлических сплавах многообразны. Характерными особенностями химических соединений, образованных по закону нормальной валентности, отличающими их от твердых растворов, являются следующие:

1. Кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов, образующих соединение. Атомы в решетке химического соединения располагаются упорядоченно, т. е. атомы каждого компонента расположены закономерно и по определенным узлам решетки. Большинство химических соединений имеет сложную кристаллическую структуру.

2. В соединении всегда сохраняется кратное массовое соотношение элементов. Это позволяет выразить их состав простой формулой, где А и В - соответствующие элементы; n и m - простые числа.

3. Свойства соединения резко отличаются от свойств образующих его компонентов.

4. Температура плавления (диссоциации) постоянная. В отличие от твердых растворов химические соединения обычно образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток.

Примером типичных химических соединений с нормальной валентностью являются соединения магния с элементами IV —- VI групп периодической системы и др.

Соединения одних металлов с другими носят общее название интерметаллидов или интерметаллических соединений. Химическая связь между атомами в интерметаллидах чаще металлическая.

Большое число химических соединений, образующихся в металлических сплавах, имеют некоторые особенности, отличающие их от типичных химических соединений: так, некоторые из них не подчиняются законам валентности и не имеют постоянного состава.

Фазы внедрения. Переходные металлы Fe, Mn, Сг, Мо и др. образуют с углеродом, азотом, бором и водородом, т. е. элементами с малым атомным радиусом, такие соединения, как карбиды, нитриды, бориды и гидриды. Они имеют много общего в строении и свойствах; часто их называют фазами внедрения.

Фазы внедрения имеют формулу: M4X(Fe4) , M2x(Fe2N), MX(TiN) и др. Кристаллическая структура фаз внедрения определяется соотношением атомных радиусов неметалла (Rx) и металла (Rm). Если Rx/Rm < 0.59, 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, а соответствующие им химические формулы обычно характеризуют максимальное содержание в них неметалла. Фазы внедрения обладают высокой электропроводностью, уменьшающейся с повышением температуры, и металлическим блеском. Карбиды, относящиеся к фазам внедрения, плавятся при высокой температуре.

Если условие Rx/R < 0,59 не выполняется, как это наблюдается для кар-бидов железа, марганца и хрома, то образуются соединения с более сложными решетками; такие соединения нельзя считать фазами внедрения.

Электронные соединения. Эти соединения образуются между одновалентными элементами (Си,Ag,Au,Li,Na) или металлами переходных групп (Fe, Mn, Со и др.) и простыми металлами с валентностью от 2 до 5 (Be, Mg, Zn, Cd, Al и др.). Особенно часто электронные соединения встречаются в сплавах Си, Ag или Au.

Соединения этого типа имеют определенное отношение числа валентных электронов к числу атомов, т. е. определенную электронную концентрацию. Так, существуют соединения, у которых это отношение в одних случаях равно 3/2 (1,5); в других 21/13 (1,62), в третьих 7/4 (1,75). Каждому из указанных соотношений соответствуют и определенные типы кристаллической решетки.

Электронные соединения подобно обычным химическим соединениями имеют кристаллическую решетку, отличную от решетки образующих 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.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

40024. Имитационное моделирование инвестиционных рисков 138.5 KB
  В процессе предварительного анализа экспертами были выявлены три ключевых параметра проекта: объем выпуска Q цена за штуку – P переменные затраты – V. Прочие параметры: постоянные затраты при производстве F амортизация – налог на прибыль – T норма дисконта – R срок проекта – n начальные инвестиции I0 описывающие проект считаются постоянными величинами табл. Ключевые параметры проекта по производству продукта А Показатели Сценарий минимум максимум Объем выпуска Q 150 300 Цена за штуку P 40 55 Переменные затраты V 25 35...
40025. ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ В ЭКОНОМИКЕ 1.13 MB
  Crmсистемы 5. На микропроцессорах и интегральных схемах создаются компьютеры компьютерные сети системы передачи данных. На этом в частности основаны многие современные системы шифрования данных и механизмы электронной подписи.
40026. Доходность вексельной сделки 2.11 MB
  Пример создания проекта Цель проекта: разработать компьютерную программу состоящую из двух модулей. Создание проекта и установка параметров Будем считать что аналогов создаваемому проекту в мире нет и мы начинаем его строить с нуля. Убедиться что параметры проекта установленные по умолчанию и представленные в окне Сведения о проекте нас устраивают; если это действительно так щелкнуть на кнопке Отменить чтобы закрыть окно без изменений; в противном случае после внесения изменений требуется щелкнуть на кнопке ОК. Для однообразия...
40027. Создание локальных и открытых баз данных 11.29 MB
  ПЕРМЬ 2006 Введение Для выполнения практических заданий студент должен: иметь представление о принципах построения баз данных этапах создания и возможностях эксплуатации; знать основные свойства системы управления реляционными базами данных MS ccess; уметь использовать реляционные базы данных в локальных и глобальных сетях. Разработка базы данных разбивается на следующие основные этапы: 1. Определение цели создания базы данных На первом этапе разработки базы данных необходимо определить ее назначение и как она будет использоваться.
40028. База Данных «Прием в поликлинику» 3.31 MB
  Она содержит: Данные о каждой приеме: дата приема время приема специалист пациент предварительный диагноз лечение; Данные о специалистах: ФИО специализация стаж работы № договора № кабинета; Данные о пациенте: ФИО дата рождения пол адрес номер мед.[№_кабинета] FROM Специалист ORDER BY [Фамилия_И_О_специалиста]; RowSourceType: Таблица или запрос SourceField: Специалист SourceTble: Прием Пациент Текстовый 5 RowSource: SELECT [Пациент].[Код_пациента] [Пациент].
40029. База данных «Склад сотовых телефонов» 802.5 KB
  21 Назначение базы данных Склад сотовых телефонов База данных Склад предназначена: для клиента покупателя для работника склада Созданная база данных содержит информацию о: фирме производителя адрес контактный телефон контактное лицо индекс; товаре телефонах; клиентах ФИО код клиента телефон адрес; заказах код заказа дата и оплата заказа количество заказанных телефонов С помощью этой базы данных клиент может посмотреть параметры и свойства понравившегося ему телефона.ФИО_клиента FROM Клиент ORDER BY...
40030. Метрологічний аналіз ІВК «установки каталітичного крекінгу» (автоматизація реакторного блоку) на базі ентропійного коефійієнта 2.2 MB
  Сучасні ІВК визначаються як автоматизовані засоби вимірювань та обробки інформації, призначених для контролю складних обєктів у вигляді сукупності програмно-керованих технічних засобів (вимірювальних, обчислювальних, допоміжних), та мають блочно-модульну
40031. Иностранный гражданин как субъект трудового права 131.5 KB
  В реферате рассмотрены лишь основные противоречия и пробелы трудового законодательства в отношении иностранных граждан. Имеются они и по вопросам предоставления гарантий и компенсаций иностранному работнику, регулирования надомной работы
40032. База данных «Сеть кинотеатров» 784.91 KB
  Назначение. База данных «Сеть кинотеатров» предназначена как для работников справочной службы кинотеатров города так и для обычных пользователей. БД обеспечивает в режиме диалога доступ к информации об имеющихся городе кинотеатров и фильмах, которые в них идут. Предусмотрена возможность как внесения изменений, так и получения справок с выводом информации на печать.