Закономерности образования твердых растворов внедрения

Лекция № 3. Фазы в легированных сталях

Твердые растворы на основе железа

В специальных сталях и сплавах легирующие элементы, входящие в их состав, не являются самостоятельными компонентами, а образуют фазы: твердые растворы и промежуточные фазы (карбиды, нитриды, интерметаллиды и т.д.). Структура и свойства сталей определяются составом и строением фаз, их распределением в структуре и взаимодействием между собой.

Три случая растворимости:

Компоненты практически не растворяются. При этом образуется гетерогенная смесь и каждый элемент кристаллизуется в своей решетке. Практически не растворяются в a - железе сера, цирконий, гафний, тантал, висмут. Системы, в которых максимальная растворимость элемента в железе менее 0,2% классифицируются как твердые растворы с незначительной растворимостью.

Компоненты имеют неограниченную полную растворимость. В этом случае атомы разных элементов образуют общую кристаллическую решетку - непрерывный твердый раствор. Системы:Fe – Cr, Fe – V, (a - твердые растворы); Fe – Mn, Fe – Ni, Fe – Co (g - твердые растворы). В некоторых из этих сплавов при определенных концентрациях легирующего элемента и температурах образуются промежуточные фазы – интерметаллиды.

Компоненты ограниченно растворимы, т.е. образуется ограниченный твердый раствор, имеющий кристаллическую решетку растворителя. Величина растворимости будет различной в каждой системе, т.е. ограниченные твердые растворыбудут иметь неодинаковую область гомогенности (концентрационные границы существования твердого раствора).

В большинстве систем на основе железа образуются именно ограниченные твердые растворы.

В зависимости от величины области гомогенности ограниченные твердые растворы делятся на:

- ограниченные твердые растворы с широкой областью гомогенности (в железе растворяется более 2 % элемента);

- ограниченные твердые растворы с узкой областью гомогенности (от 0,2 до 2%).

Растворение легирующих элементов в железе может происходить по типу замещения и внедрения.

Закономерности образования твердых растворов замещения

Твердые растворы замещения на основе железа образуются в соответствии с общими законами образования твердых растворов такого типа.

Условиями, определяющими растворимость компонентов в растворах замещения, являются (условия Юм – Розери):

1. Изоморфизм, т.е. однотипность решеток, компонентов, составляющих раствор.

2. Соотношение атомных размеров компонентов – размерный фактор;

3. Электронная структура компонентов, т.е. относительное расположение компонентов в периодической системе элементов Д.И. Менделеева.

Рассмотрим эти условия применительно к растворению легирующих элементов в железе. Поскольку железо имеет две модификации a - железо (ОЦК) и g - железо (ГЦК), то условия образования твердых растворов на базе этих модификаций будут различными.

Неограниченные твердые растворы с железом образуют Ni, Co, Mn, Cr, V. Причем Ni, Co и Mn образуют непрерывные твердые растворы на основе g - железа, а Cr и V на основе a - железа. Т.о. реализуется первое условие Юм – Розери – изоморфность решеток растворителя и растворенного вещества. При разных типах решеток компонентов неограниченный твердый раствор образован быть не может. Условие является необходимым, но недостаточным.

Второе необходимое условие – соблюдение размерного фактора. При образовании неограниченных и ограниченных твердых растворов атомные радиусы растворителя и растворенного элемента должны отличаться не более чем на ± 15%.

Неограниченные твердые растворы на основе железа и других тугоплавких металлов образуются, если это различие не более ± 8%. Ограниченные – если различие не более ± 15 %.

Атомные размеры Ni, Co, Mn, Cr, V отличаются от атомных размеров изоморфных с ними модификаций железа не более чем на 8 %, соответственно эти элементы в сочетании с железом дают неограниченные твердые растворы. Ограниченные твердые растворы с широкой областью гомогенности дают эти же элементы с неизоморфными модификациями железа. Молибден и вольфрам, имеющие размерный фактор больше ± 8%, но меньше ± 15%, образуют с обеими модификациями железа ограниченные растворы с широкой областью гомогенности. Элементы с атомным радиусом на пределе размерного фактора (Ti, Nb, Ta) образуют лишь ограниченные растворы с узкой областью гомогенности или практически нерастворимы в железе. Когда размерный фактор выходит за пределы 15 % (Zr, Hf, Pb), элементы имеют незначительную растворимость в железе. Соблюдение размерного фактора также является необходимым, но недостаточным условием, определяющим образование твердого раствора замещения.

Третье необходимое условие – электронная структура компонентов.

Значения предельной растворимости легирующих элементов в железе зависят от взаимного расположения этих элементов в периодической системе. Наибольшую растворимость в железе имеют элементы, находящиеся в том же периоде, что и железо, а также расположенные в наиболее близких к нему V – VIII группах. По мере удаления от железа увеличивается различие в строении внешних d – и s – электронных оболочек d- переходных металлов, изменяется металлическая валентность и электрохимические свойства элементов, т.е сродство к электрону. В свою очередь электронное строение определяет атомные размеры элементов. Поэтому как размерный фактор, так и сродство к электрону являются связанными между собой параметрами, определяющими растворимость элементов в железе.

Закономерности образования твердых растворов внедрения

Твердые растворы внедрения образуют элементы внедрения с малыми атомными размерами. К элементам внедрения относятся:B, C, N, O, H.

Твердые растворы внедрения всегда ограничены, а растворимость в них зависит от кристаллической структуры металла – растворителя и размеров атома элементов внедрения. Ограниченность твердых растворов внедрения определяется тем, что они сохраняют решетку металла – растворителя, а атомы внедрения в них занимают лишь вакантные междоузлия.

Междоузлие обязательно должно быть меньше, чем размер атома внедрения, так как в противном случае прочной связи между атомами металла - растворителя и атомами внедрения не будет. Однако размер поры не должен быть и слишком малым, так как внедрение атома вызовет ослабление связей между атомами решетки растворителя и структура такого твердого раствора будет неустойчивой.

Растворимость атомов внедрения увеличивается с уменьшением размера атомов, т.е. возрастает в ряду В – С – N – О – Н.

Твердые растворы внедрения, как и все фазы внедрения, образуются при выполнении условия, охарактеризованного правилом Хэгга:

R_x / R_Me < 0,59

где:

R_x - радиус атома элемента внедрения (неметалла);

R_Me – радиус атома – растворителя (металла).

Для бора при образовании твердого раствора внедрения правило Хэгга не выполняется. Т.к. R_B / R_Fe = 0,68 и такое отношение не позволяет образовывать твердые растворы замещения бора в железе. Т. о. атомы бора внедряются в решетку металла – растворителя по дефектам кристаллического строения (вакансиям, дислокациям, субграницам и т.д.).

Также в твердых растворах внедрения может происходить процесс упорядочения.

В обычных твердых растворах атомы растворенного элемента распределяются в решетке растворителя беспорядочно. Однако при известных условиях атомы занимают определенные места в узлах решетки, т.е. от неупорядоченного расположения переходят в упорядоченное. Подобный процесс носит название упорядочения, а растворы с упорядоченным расположением атомов растворенного элемента – упорядоченными твердыми растворами.

Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 1050; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!