» » Структурная микронеоднородность твердых металлов и сплавов
30.01.2015

Известно, что первое исследование химической неоднородности стальных слитков было выполнено А.С. Лавровым в 1866 г. Отношение концентраций данного элемента в твердой и жидкой фазах называется коэффициентом ликвации (Cs=ωСL, где ω — коэффициент ликвации).
Ниже приведены величины коэффициентов ликвации для обычных примесей стали:
Структурная микронеоднородность твердых металлов и сплавов

Известно, что все технические сплавы представляют собой сочетания твердых растворов, закономерности образования которых и положены в основу выбора легирующих элементов. Б.Б. Гуляев рассмотрел взаимную растворимость элементов в твердом состоянии в двойных системах в связи с их положением в периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Он предлагает называть непрерывными твердыми растворами те, в которых ниже линии солидуса имеется область, в которой взаимная растворимость компонентов возможна при любых соотношениях их концентраций (рис. 48, 1-8). В непрерывные растворы входят: 1) неограниченные, у которых линии ликвидуса и солидуса не имеют особых точек; они могут состоять из единственного раствора (см. рис. 48, 1) или представлять собой объединения с расслоениями (см. рис. 48, 2), сопряжениями (см. рис. 48, 3) или другими растворами (см. рис. 48, 4); 2) сопряженные, имеющие особые точки на линиях ликвидуса - солидуса в виде экстремумов; они могут образовываться только из двух элементов (см. рис. 48, 5) или объединяться с другими элементами (см. рис. 48, 6). В случае образования максимума их называют дистектическими, а минимума - катотектическими. Первые среди металлических расплавов в чистом виде (см. рис. 48, 7) не встречаются, вторые (см. рис. 48, 5, 6) встречаются часто. Сочетания растворов, имеющие особую точку, являющуюся предельной для раствора низкотемпературной модификации одного из компонентов, показаны на рис. 48, 8.
Структурная микронеоднородность твердых металлов и сплавов

Непрерывным растворам противостоят ограниченные твердые растворы, в которых область, где взаимная растворимость компонентов возможна при любых концентрациях, отсутствует. Ограниченные растворы возникают при сочетаниях с расслоением (см. рис. 48, 9, 10) или с другими растворами (см. рис. 48, 11, 12).
Непрерывные твердые растворы изучаются около 100 лет, и в настоящее время выявлено 134 непрерывных твердых растворов, образуемых химическими элементами. Начиная с работ Юм—Розери предпринимали ряд попыток связать образование растворов со свойствами элементов. Для этой цели использовали атомный радиус или объем, электроотрицательность, валентность, тип решетки, термодинамические характеристики, температуры плавления и т.д. Вполне справедливо В.М. Воздвиженский назвал такой подход статистическим, поскольку он является результативным, для обобщения данных об известных растворах. Однако имеется большое количество пар элементов, отвечающих статистическим критериям, но не образующих непрерывных растворов Б.Б. Гуляев способность образовывать растворы с наиболее фундаментальными параметрами пар элементов связывает с положением последних в периодической системе элементов Д.И. Менделеева.
При этом растворимость рассматривается как вероятность. В случае непрерывной растворимости существует полная взаимозаменяемость атомов компонентов, это соответствует 100%-ной вероятности или достоверности. Ограниченная растворимость — это отношение числа атомов добавки, которыми можно заменить атомы основы без появления новой фазы, к полной совокупности атомов. При этом в сильной мере проявляется характер расположения электронов в двух видах взаимодействующих атомов.
Таким образом, в двойных системах элементов встречается несколько разновидностей растворимостей: 1) непрерывнаая растворимость [10в2 % (ат.)], когда атомы компонентов полностью взаимозаменяемы. Решающим фактором является непосредственное соседство элементов в периодической системе элементов Д.И. Менделеева; 2) сильная, но ограниченная растворимость [от 10в2 до 10°% (ат.)], когда полной взаимозаменяемости атомов компонентов нет. Компоненты расположены в периодической системе близко друг к другу; 3) ограниченная растворимость [от 10° до 10в-3 % (ат.)]. Решающим фактором является устойчивость электронных оболочек добавок; 4) очень слабая растворимость [от 10в-3 до 10в-7 % (ат.)], определяемая высокой устойчивостью внешних электронных оболочек атомов элементов добавок, (это инертные газы и близко к ним расположенные элементы).