Фазовый состав сплавов

Фаза — часть сплава, отделенная поверхностью раздела и отличающаяся непрерывностью химического состава, кристаллической структуры и свойств по всему объему и скачкообразным изменением всех указанных параметров при переходе через границу.

Таким образом, признаками любой фазы (Ф) являются:

• кристаллическая решетка;

• химический состав;

• граница раздела, обособляющая фазу сплава от других его фаз.

В твердом состоянии в сплавах различают два вида твердых фаз — твердые растворы и промежуточные фазы (ПФ). В сплавах возможно также наличие специфических смесей фаз, которые образуются одновременно (во время охлаждения или нагревания) при постоянной температуре. Эти фазовые смеси могут состоять из твердых растворов, промежуточных фаз и технически чистых металлов. Они носят название эвтектоидных смесей.

Виды фаз можно выявить с помощью микроструктурного анализа. На рис. 4.1 показана схема микроструктуры сплава с различными промежуточными фазами. Белое поле с границами — это твердый раствор. Промежуточные фазы крупных размеров, образовавшиеся при кристаллизации, обозначены Фперв; промежуточные фазы более мелких размеров, сформировавшиеся при горячей обработке давлением, — Фвтор, а дисперсные частицы промежуточных фаз, образовавшиеся при термообработке, — Фстар. Частицы этих фаз находятся внутри твердого раствора.

Пластинчатые образования в одном из зерен представляют собой эвтектоидную смесь из двух фаз (Фэвт).

В том случае, когда легирующий компонент растворяется в металле-основе, не изменяя его кристаллическую решетку, образуется новая фаза — твердый раствор.

Твердый раствор — фаза сплава, кристаллическая решетка которой не отличается от кристаллической решетки металла-основы, а концентрация легирующих компонентов изменяется в широком диапазоне значений. Твердые растворы занимают основной объем сплава, являясь матричными фазами.

Классифицируют твердые растворы по нескольким признакам, одним из которых служит положение атома легирующего компонента в кристаллической решетке. Согласно этому признаку различают твердые растворы внедрения и замещения.

В твердых растворах внедрения атомы легирующего компонента располагаются в междуузлиях (рис. 4.2, а), в твердых растворах замещения — в узлах кристаллической решетки, замещая атомы основного металла (рис. 4.2, б).

Твердые растворы внедрения образуются в сплавах, содержащих металлоиды — водород, азот, углерод, бор, атомы которых имеют малые радиусы, сравнимые с размером пор и междуузельных пространств в кристаллической решетке металлов. Твердые растворы замещения характерны для сплавов, легированных металлами.

Промежуточные фазы — это химические соединения, которые образуются между технически чистыми компонентами в сплавах при определенном их соотношении. Их частицы отделены от матричного твердого раствора поверхностью раздела.

От твердых растворов ПФ отличаются также типом межатомной связи, которая может быть ковалентной, ковалентно-металлической, ионной. В любом случае эти связи сильнее в сопоставлении с металлической, вследствие чего температура плавления, модуль упругости и твердость ПФ выше, чем твердых растворов.

В сплавах ПФ подразделяют по названию легирующего элемента, образующего соединение с металлом:

- оксиды — соединения с кислородом;

- гидриды — соединения с водородом;

- карбиды — соединения с углеродом;

- нитриды — соединения с азотом;

- бориды — соединения с бором;

- силициды — соединения с кремнием;

- интерметаллиды или интерметаллические фазы — соединения с другим металлом.

В сплавах на основе железа — сталях и чугунах — наибольшее влияние на свойства оказывают карбиды и нитриды. В порядке увеличения карбидообразующей (нитридообразующей) способности легирующие компоненты сталей и чугунов располагаются в ряд:

Карбиды и нитриды элементов с большей карбидообразующей (нитридообразующей) способностью по сравнению с железом — основой сплавов — образуются при повышенных температурах практически на всех технологических этапах изготовления изделий. Эти карбиды обычно называют специальными. К ним относятся следующие фазы:

• TiC, NbC, VC, ZrC, TiN, NbN с общей формулой MeX (МеС, MeN), имеющие ГЦК-решетку;

• карбиды Fе3С, Сr7С3, Сr23С6, Мо6С со сложными кристаллическими решетками.

Такие промежуточные фазы, как нитриды FeN, Fe2N, Fe4N, CrN, AlN, образуются при специальной обработке поверхности — азотировании.

Твердость карбидов и нитридов в сталях, например, в несколько раз выше, чем в твердых растворах, а модуль упругости более чем в 2 раза превышает модуль упругости высокопрочных сталей. Эти соединения влияют на свойства сплавов; их используют для упрочнения объема сплава и поверхности.

Промежуточные фазы типа интерметаллидов оказывают существенное влияние на свойства цветных сплавов. Такие фазы обычно обозначают строчными буквами греческого алфавита. Количество групп и типов этих соединений в сплавах чрезвычайно велико. В машиностроительных сплавах практическое значение имеют четыре группы интерметаллидов: фазы Лавеса (Л), сигма-фазы (о), фазы типа Ni3Аl(у'), электронные соединения (b, е, у).