Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
СПЛАВЫ

СПЛАВЫ

СПЛАВЫ - макроскопически однородные многокомпонентные системы, <в к-рых хотя бы один из компонентов обладает металлич. свойствами. В болеешироком смысле термин «С.» относят также к полупроводниковым, оксидным, <солевым, органическим и др. многокомпонентным системам (см. Гиббса правилофаз). Обычно С. находятся в кристаллнч. состоянии, однако нек-рые изних могут быть получены в аморфном состоянии (напр., металлические стёкла).

С. подразделяются на однофазные (гомогенные) и многофазные (гетерогенные).Среди отд. фаз в С. различают: твёрдые растворы, в к-рыхатомы или ионы компонентов, смешиваясь в произвольных соотношениях, <образуют общую кристаллич. решётку, характерную для одного из компонентов; интерметаллическиесоединения, для к-рых характерно определ. соотношение между составляющимиих элементами и кристаллич. решётки к-рых отличны от решёток образующихих элементов. Для нек-рых групп С. используют традиц. названия: чугуныи стали (Fe - С), латуни (Си - Zn), бронза (Си - Sn).

Классификация. Кроме классификации С. по числу фаз, находящихся в равновесии, <С. различают по характеру диаграмм состояния (твёрдые растворы, эвтектич. <С., эвтектоидные С., перетектич. С. и др.; см. Диаграмма состояния), поосн. компоненту (ферросплавы, медные С. и т. п.) или по двум осн. компонентам(железо-углеродистые С., медно-никелевые С. и т. п.), а также по осн. свойствуили назначению (магн. С., сверхпроводящие С. и т. п.). Наиб. последовательнаклассификация С. по степени упорядочения атомов: жидкий или аморфный С.(отсутствуют и дальний и ближний порядок в расположении атомов разногосорта); неупорядоченные твёрдые растворы замещения; твёрдые растворы замещенияс ближним порядком; твёрдые растворы внедрения; кристаллич. фаза с упорядоченнымраспределением атомов, когда атомы компонентов С. образуют неск. вставленныхдруг в друга кристаллич. подрешёток.

Термодинамическое описание. В качестве независимых термодинамическихпеременных системы рассматривают обычно темп-ру Т и состав - кол-вомолей компонентов ( п ₁, n₂, ..., n_i )илиих молярные доли . Внеш. давление р принимают постоянным и равным 1 атм = 1,013*10⁵ Па. Характеристич. ф-циями служат энтальпия Н, энтропия S и Гиббсаэнергия G= U - TS - pV (U - внутр. энергия, V- объём).Для описания компонентов С. используют парциальные молярные величины, напр. химическийпотенциал . Относительные парциальные молярные величины описывают различие междупарциальной молярной величиной i-ro компонента С. и молярной величинойдля того же компонента в виде чистого вещества. Относительные парциальныемолярные величины наз. энтальпией H^M, энтропией S^M и энергией Гиббса G^M смешения, напр.:

где индекс «О» относится к чистому i -му компоненту. В термодинамикеС. особое значение имеют относительные интегральные молярные величины Н ^M,S^M, G^M, напр. относительная интегральнаямолярная энтальпия (теплота смешения):

Это теплота, к-рую необходимо затратить, напр., для образования одногомоля сплава из x_i молей чистого вещества А и x₂ молей чистого вещества В (т. е. величина, непосредственно измеряемаякалориметрически). Условие образования С.: H^M<0, что возможно, <когда силы притяжения между атомами разного сорта преобладают над силамиотталкивания (при Т= 0 К). Ур-ния типа (2) для относительных интегральныхмолярных величин справедливы как для гомогенных, так и для гетерогенныхС. Фазовый состав С. в зависимости от Т и х описывается диаграммойсостояния, число фаз С., сосуществующих в равновесии, определяется правиломфаз Гиббса.

Микроскопическое описание сплавов базируется на одноэлектронной моделитвёрдого тела. Осн. задачи микроскопич. теории - расчёт диаграмм состояния, <термодинамич. ф-ций, кинетики, упорядочения и т. п. Расчёты из первых принципов, <когда в качестве параметров входят только ат. номера и массы атомов, возможнылишь в немногих случаях. В феноменологич. теориях рассматривают ряд факторов, <влияющих на структуру и свойства С.: различие размеров атомов и их валентностей, <перераспределение заряда между атомами разного сорта, взаимодействие Ван-дер-Ваальсамежду ионными остовами (см. Межатомное взаимодействие, Межмолекулярноевзаимодействие).

В эмпирич. правилах У. Юм-Розери (W. Hume-Rothery) сформулированы нек-рыезакономерности, связывающие роль этих факторов с особенностями структурыС.: 1) если различие в атомных радиусах 15%, то взаимная растворимость компонентов ограничена; 2) разница валентностейблагоприятствует образованию интерметаллич. соединений и сужает областьсуществования твёрдых растворов; 3) при нек-рых отношениях числа валентныхэлектронов к числу атомов образуются т. н. электронные соединения с определ. <типами кристаллич. решёток (фазы Ю м - Р о з е р и).

Получение сплавов. Осн. метод - кристаллизация из расплава. Перспективнанаправленная кристаллизация, при к-рой в кристаллизующемся С. искусственносоздаётся градиент темп-ры, что даёт возможность управлять микроструктуройС. (см. Металлофизика). Быстрая кристаллизация-охлаждение расплавасо скоростью порядка 10⁶ К/с позволяет фиксировать метастабильныефазы в С., в частности стеклообразные состояния. К аналогичным результатамприводят сверхбыстрая закалка и распыление, когда мелкие капли расплаваС. охлаждаются на холодной поверхности или в потоке холодного инертногогаза.

В металлокерамич. методе порошки компонентов С. спекают при Т< Т _ПЛ. Этот метод обычно используют для получения С. из тугоплавких компонентов(W, Мо, Та и др.). В т. н. методе горячего изостатич. прессования порошкиодновременно подвергают воздействию высоких давлений и темп-р. Для получениятонких плёнок и слоев С. применяют методы конденсации из паровой фазы, <электроосаждения из раствора, диффузионного насыщения и т. п.

Фазовые превращения. При изменении темп-ры, давления или под действиеммагн. поля в С. могут происходить фазовые переходы, при к-рых имеетместо изменение кристаллич. структуры, хим. состава и, как правило, физ. <свойств (см., напр., Алмаз и Углерод, Мартенситное превращение). Измененияструктуры, не сопровождающиеся изменением состава, характерны для полиморфныхпревращений в С. (см. Полиморфизм )и упорядочения твёрдых растворов. <Изменение хим. состава без изменения типа кристаллич. решётки имеет местопри расслоении (спинодальном распаде) твёрдых растворов. В большинствеслучаев при фазовых превращениях одновременно меняются и структура и составС.

Фазовые превращения в С. (в твёрдом состоянии) являются фазовыми переходами1-го и 2-го рода. Мерой отклонения от термодинамич. равновесия, или термодинамич. <движущей силой фазовых превращений, при постоянных темп-ре и давлении являетсяуменьшение энергии Гиббса G; изменение G в точке фазового переходадостигается либо путём появления в результате флуктуации малых областей(зародыша) новой фазы с заметным отличием её структуры и свойств от структурыи свойств исходной фазы (при фазовом переходе 1-го рода), либо путём бесконечномалых изменений структуры и свойств во всём объёме (при фазовом переходе2-го рода). Большинство фазовых превращений в С. являются фазовыми переходами1-го рода, в процессе к-рых возникает гетерогенное состояние. На кинетикуфазовых переходов в С. существ. влияние оказывают дислокации, границызёрен и др. дефекты кристаллич. структуры.

Свойства сплавов. Различают структурно-нечувствительные свойства, зависящиетолько от состава и типа кристаллич. решётки, и структурно-чувствительные, <к-рые, кроме того, зависят от реальной структуры С. (т. е. концентрацииразл. дефектов). Механич. свойства ( пластичность, упругость )гораздосильнее зависят от реальной структуры, чем электронные (электрич., магн.,оптич. и др. свойства, определяемые электронной системой). Как правило, <структурно-нечувствительные свойства гомогенных С. аддитивны, а структурно-чувствительныеотклоняются от аддитивности.

Отличие кинетич. свойств С. от свойств чистых металлов проявляется ввиде примесных вкладов в электропроводность, теплопроводность и др. Длясопротивления С. справедливо Маттиссена правило:, где обусловлено рассеянием электронов на фононах (зависит от темп-ры Т),- остаточное сопротивление, зависящее от состава С. (рис. 1). Величинаr _ост растёт пропорционально квадрату разности валентностей компонентов С. (рис. 2). Для разбавленных С. немагн. металлов с переходнымии редкоземельными металлами характерно появление минимума сопротивленияпри низких темп-pax (см. Кондо эффект).

В отличие от сверхпроводящих металлов, для к-рых характерно наличиеодного критич. поля Н _с (при Н = Н _с магн. <поток полностью проникает в металл), сверхпроводящие С. являются сверхпроводникамивторого рода, т. е. имеют 2 критич. поля (при начинается проникновение магн. поля в С., при H= С. полностью переходит в нормальное состояние), критич. темп-pa Т _с и критич. поля H_c1 и H_c2 не зависятот реальной структуры С., в то время как величина критич. плотности тока j _с сильно зависит от параметров реальной структуры.

Рис. 1. Температурные зависимости удельного сопротивления сплавовСи типа твёрдых растворов: 1) чистая Си; 2) Сu- In(1,03%); 3) Сu- Ni (1,12%);4) Сu - Sb (0,4%); 5) Сu - Sn (0,89%); 6) Сu - Ni (2,16%); 7) Сu - Мn (1,2%);8) Сu-Fe(0,61 %); 9) Си - Ni (3,32%); 10) Сu- Fe(0,87%); 11) Сu-Sb(l,13%);12) Сu - As (1,01%).

Рис. 2. Остаточное сопротивление на 1% атомных концентраций примесей. Для верхней кривой ;для нижней кривой

Магн. свойства С. разнообразны. В нек-рых С. реализуется ферримагн. <состояние (см. Ферримагнетизм), другие являются неупорядоченнымимагнетиками - спиновыми стёклами. Мн. свойства ферромагнитных С.(коэрцитивная сила, остаточная индукция, магнитная проницаемость и др.) структурно-чувствительны и зависят от фазового состава С., размерови формы кристаллов, текстуры, плотности дислокаций и др. дефектов.

Специфическими для С. процессами переноса являются диффузия (движениеатомов в направлении, обратном градиенту концентрации) и электроперенос(направленное перемещение атомов под действием пост. электрич. тока). Осн. <механизм - обмен местами атомов и вакансий.

Особенности механич. свойств С. обусловлены различием упругих свойствобразующих их фаз (изменение электронной структуры, образование нехарактерныхдля металлов кристаллич. решёток и т. д.), а также протеканием фазовыхпревращений под действием механич. напряжений и др. В С. наблюдаются эффектыупрочнения в результате закрепления дислокаций на примесных атомахи торможения их движения, выделения частиц 2-й фазы и т. д. В условияхдеформации под действием пост. нагрузки (ползучесть) при движении дислокацийсо скоростью, превышающей скорость диффузии примесных атомов, имеет местоотрыв дислокаций от атмосферы примесей (атмосферы Котрелла), при замедлениидислокаций они вновь захватываются атмосферой примесей (деформац. старение),что приводит к изменению пластичности и прочности. В эвтектоидных С. приопределённых температурно-скоростных условиях деформации наблюдается явлениесверхпластичности - резкое падение сопротивления деформации, возрастаниепластичности, отсутствие упрочнения (см. Механические свойства). Экспериментальныеметоды исследования сплавов разделяются на структурные, физические и механические. <К структурным методам относятся оптич. микроскопия в рассеянном или поляризов. <свете (металлография), электронная микроскопия, рентг. микроскопия, <автоионная микроскопия (см. Ионный проектор )и др. Для фазовогоанализа используют дифракц. методы ( рентгенография материалов, нейтронография, <электронография). Физ. методы необходимы для построения диаграмм состоянияС., изучения фазовых превращений, процессов упорядочения и т. п. наиб. <распространены измерения сопротивления, магнитной восприимчивости, внутреннеготрения и др. при высоких темп-pax. Для изучения диффузии служат в осн. <радионуклиды. Для исследования электронной и магн. структуры С. применяютметоды рентгеновской спектроскопии, Мё'ссбауэровской спектроскопии идр.

Лит.:Progress in material science, v. 1-32-, N. Y.- Oxf., 1949-88-;Solid state physics, v. 1-42-, N. Y., 1955-89-; Вагнер К., Термодинамикасплавов, пер. с англ., М., 1957; Д е л и н г е р У., Теоретическое металловедение, <пер. с нем., М., 1960; Физическое металловедение, пер. с англ., 3 изд.,т. 1-3, М., 1987; Пирсон У., Кристаллохимия и физика металлов и сплавов, <пер. с англ., ч. 1-2, М., 1977; У м а н-с к и и Я. С., С к а к о в Ю. А.,Физика металлов, М., 1978; Пасынков В. В., Сорокин B.C., Материалы электроннойтехники, 2 изд., М., 1986; Циммерман Р., Гюнтер К., Металлургия и материаловедение. <Справочник, пер. с нем., М., 1982; Физическое материаловедение в СССР. <История, современное состояние, перспективы развития, К., 1986. В. А. <Финкель.