Основы теории сплавов Электропроводность диэлектриков Магнитные материалы Полупроводниковые материалы

Основные понятия в теории сплавов.

Диаграммой состояния называют графическое изображение, в котором отражены фазовый состав и структура сплавов в зависимости от концентрации компонентов и температуры в условиях равновесия, т.е. когда в сплавах все фазовые превращения полностью завершились.

Система – группа тел выделяемых для наблюдения и изучения.

В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы. Чистый металл является простой однокомпонентной системой, сплав – сложной системой, состоящей из двух и более компонентов.

Компоненты – вещества, образующие систему. В качестве компонентов выступают чистые вещества и химические соединения, если они не диссоциируют на составные части в исследуемом интервале температур.

Фаза – однородная по химическому составу и строению часть системы, отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую изменяются состав, строение структура и свойства сплава.

В жидком состоянии компоненты сплава обычно полностью растворимы друг в друге, т.е. образуют жидкий раствор. В твердом состоянии сплавы образуют гетерогенные структуры, твердые растворы или химические соединения. Закономерности изменения строения  и свойств этих типов сплавов установлены исследованиями Н.С.Курнакова и А.А.Бочвара.

Вариантность (C) (число степеней свободы) – это число внутренних и внешних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения количества фаз в системе.

Если вариантность C = 1 (моновариантная система), то возможно изменение одного из факторов в некоторых пределах, без изменения числа фаз.

Если вариантность C = 0 (нонвариантная cистема), то внешние факторы изменять нельзя без изменения числа фаз в оистеме

Существует математическая связь между числом компонентов (К), числом фаз (Ф) и вариантностью системы ( С ). Это правило фаз или закон Гиббса

 (1)

Если принять, что все превращения происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится

 (2)

где С – число степеней свободы;

К – число компонентов;

Ф – число фаз;

1 – учитывает возможность изменения температуры.

Особенности строения, кристаллизации и свойств сплавов: механических смесей, твердых растворов, химических соединений

Строение металлического сплава зависит от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, составляющие сплав. Почти все металлы в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях. При образовании сплавов в процессе их затвердевании возможно различное взаимодействие компонентов.

В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы:

- механические смеси;

- химические соединения;

- твердые растворы.

Сплавы механические смеси образуются, когда компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.

Образуются между элементами значительно различающимися по строению и свойствам, когда сила взаимодействия между однородными атомами больше чем между разнородными. Сплав состоит из кристаллов входящих в него компонентов (рисунок 6.1). В сплавах сохраняются кристаллические решетки компонентов.

Рисунок 6.1 - Схема микроструктуры механической смеси

Сплавы химические соединения образуются между элементами, значительно различающимися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между разнородными атомами больше, чем между однородными.

Особенности этих сплавов:

  - постоянство состава, то есть сплав образуется при определенном соотношении компонентов, химическое соединение обозначается Аn Вm;

 - образуется специфическая, отличающаяся от решеток элементов, составляющих химическое соединение, кристаллическая решетка с правильным упорядоченным расположением атомов (рисунок 6.2);

  - ярко выраженные индивидуальные свойства;

 - постоянство температуры кристаллизации, как у чистых компонентов.

Рисунок 6.2 - Кристаллическая решетка химического соединения

Сплавы твердые растворы – это твердые фазы, в которых соотношения между компонентов могут изменяться. Являются кристаллическими веществами.

Характерной особенностью твердых растворов является наличие в их кристаллической решетке разнородных атомов, при сохранении типа решетки растворителя.

Твердый раствор состоит из однородных зерен (рисунок 6.3).

Рисунок 6.3 - Схема микроструктуры твердого раствора

Классификация сплавов твердых растворов

По степеням растворимости компонентов различают твердые растворы:

 - с неограниченной растворимостью компонентов;

 - с ограниченной растворимостью компонентов.

При неограниченной растворимости компонентов кристаллическая решетка компонента растворителя по мере увеличения концентрации растворенного компонента плавно переходит в кристаллическую решетку растворенного компонента.

Для образования растворов с неограниченной растворимостью необходимы:

 - изоморфность (однотипность) кристаллических решеток компонентов;

 - близость атомных радиусов компонентов, которые не должны отличаться более чем на 8…13 %.

 - близость физико-химических свойств подобных по строение валентных оболочек атомов.

При ограниченной растворимости компонентов возможна концентрация растворенного вещества до определенного предела, При дальнейшем увеличении концентрации однородный твердый раствор распадается с образованием двухфазной смеси.

По характеру распределения атомов растворенного вещества в кристаллической решетке растворителя различают твердые растворы:

- замещения;

- внедрения;

- вычитания.

В растворах замещения в кристаллической решетке растворителя часть его атомов замещена атомами растворенного элемента (рисунок 6.4 а). Замещение осуществляется в случайных местах, поэтому такие растворы называют неупорядоченными твердыми растворами.

Рисунок 6.4 - Кристаллическая решетка твердых растворов замещения

(а), внедрения (б)

При образовании растворов замещения периоды решетки изменяются в зависимости от разности атомных диаметров растворенного элемента и растворителя. Если атом растворенного элемента больше атома растворителя, то элементарные ячейки увеличиваются, если меньше – сокращаются. В первом приближении это изменение пропорционально концентрации растворенного компонента. Изменение параметров решетки при образовании твердых растворов – важный момент, определяющий изменение свойств. Уменьшение параметра ведет к большему упрочнению, чем его увеличение.

Твердые растворы внедрения образуются внедрением атомов растворенного компонента в поры кристаллической решетки растворителя (рисунок 6.4 б).

Образование таких растворов, возможно, если атомы растворенного элемента имеют малые размеры. Такими являются элементы, находящиеся в начале периодической системы Менделеева, углерод, водород, азот, бор. Размеры атомов превышают размеры межатомных промежутков в кристаллической решетке металла, это вызывает искажение решетки и в ней возникают напряжения. Концентрация таких растворов не превышает 2 - 2,5 %.

Твердые растворы вычитания или растворы с дефектной решеткой. образуются на базе химических соединений, при этом возможна не только замена одних атомов в узлах кристаллической решетки другими, но и образование пустых, не занятых атомами, узлов в решетке.

К химическому соединению добавляют, один из входящих в формулу элементов, его атомы занимают нормальное положение в решетке соединения, а места атомов другого элемента остаются, незанятыми.

Процесс кристалиизации Складывается из 2х процессов: 1) зароддение мельчайших частиц, называемых центрами кристаллизации (зародышами) 2) рост кристаллов из этих зародышей При температурах, близких к температурам кристаллизации, в жидком металле возможно образование микрообъемов, в которых атомы "упакованны" так же как в будущем кристалле. Такие группировки атомов в жидком металле называются фазовыми (гетерогенными) флуктуациями, которые и являются центрами кристаллизации.
Электротехнические материалы