Виды взаимодействия элементов в твердом состоянии (3 основных вида).

Анализ диаграмм состояния показывает, что возможны три основных вида взаимодействия компонентов в равновесных физико-химических системах:

1. химическое взаимодействие, приводящее к образованию химических соединений.Ему соответствуют диаграммы с образованием соединения строго постоянного состава – дальтонида, дальтонидной фазы переменного состава, соединения переменного состава – бертоллида. Соединение может образовываться несколькими путями: или непосредственной кристаллизацией из жидкого состояния, или по перитектической реакции, или взаимодействием компонентов в твердом состоянии, или в результате превращения неупорядоченного твердого раствора при понижении температуры.

2. взаимодействия компонентов – образование твердых растворов. Физико-химической основой изоморфизма служит взаимодействие компонентов, приводящее к образованию твердых растворов. Твердые растворы могут быть непрерывными, очень широкими двусторонними (т. е. у обоих компонентов), очень широкими односторонними (т. е. у одного из компонентов), широкими (порядка 20 атомных (мольных) процентов и более растворенного компонента), узкими, очень узкими (< 1 ат. (мол.) % примеси).

3. взаимодействия компонентов – отсутствие всякого взаимодействия между компонентами в твердом состоянии и обособление их в виде самостоятельных структурных составляющих механических смесей. Этот вид взаимодействия (вернее невзаимодействия) характеризуется или диаграммой расслаивания (несмешиваемости) компонентов как в жидком, так и в твердом состоянии или диаграммой эвтектического типа, где компоненты полностьюсмешиваются в жидком состоянии, но совсем не смешиваются в твердом состоянии.

Указанные три вида взаимодействия компонентов двойных равновесных систем могут быть поняты с точки зрения представлений о силах взаимодействия между компонентами А и В (или X и Y) в конденсированном состоянии. Если разноименные связи А–В сильнее одноименных связей А–А и В–В, то в системе образуются химические соединения. Если силы всех связей (и разноименных, и одноименных) равны, т. е. А–А = А–В = В–В, то образуются твердые растворы. Известно, что это условие является основным определением понятия идеального раствора в теории растворов. Именно это условие равенства сил одноименных (А–А, В–В) и разноименных (А–В) межатомных (межчастичных) связей является физико-химической и энергетической основой явления изоморфизма. Отметим, что в этом случае элементы (атомы) А и В являются химически взаимоиндифферентными.

Теория кристаллизации, структура литого металла.Кристаллизация состоит из двух процессов: зарождения мельчайших частиц кристаллов (зародышей или цент­ров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров.

Последовательные этапы процесса кристаллизации

В процессе роста кристаллов к их зародышам присоединяются все новые атомы жидкого металла. Сначала кристаллы свободны и сохраняют правильную геометрическую форму, но это происходит только до момента встречи растущих кристаллов друг с другом. В месте соприкосновения кристаллов рост отдельных их граней прекращается. В результате кристаллы не имеют правильной геометрической формы. Такие кристаллы называют кристаллитами или зернами. Величина зерен зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем больше кристаллов образуется в данном объеме и каждый кристалл (зерно) меньше. При кристаллизации также проявляется анизотропия – зародыши образуются не круглой равноосной формы, а в виде иголочек в направлении, где его скорость роста максимальна.В кристаллах с кубической решеткой – это обычно направление ребра куба. Спустя некоторое время на образовавшихся иглах появляются «ветки» – отростки в направлении другого ребра куба. Такие кристаллы называют дендритами («dendros» – дерево).Полученная структура литого металла,имеет высокую неоднородность химического состава – все вредные примеси собираются между дендритами, резко охрупчивая металл.

Для улучшения качества слитки подвергают выравнивающему (гомогенизирующему) отжигу при температуре, близкой к температуре плавления, t = (0,7…0,8) tпл. Такой нагрев активизирует диффузию атомов, и они располагаются равномерно по всему объему. Одновременно при этом образуется крупное равноосное зерно в структуре отожженного металла в виде правильных многогранников.Для придания металлу необходимой формы (с поперечным сечением в виде круга, квадрата, прямоугольника, двутавра и др.) слиток подвергают пластической деформации. При этом меняется структура металла: при холодной пластической деформации зерна вытягиваются и утоняются, превращаясь в волокна. Для улучшения комплекса механических и технологических свойств металл после пластической деформации подвергают повторному отжигу (рекристаллизационному) при более низкой температуре. При этом формируется мелкозернистая структура отожженного металла (рис. 4, г), которая обеспечивает хорошую обрабатываемость резанием.Структуралитого металла, формирующаяся в результате возникновения и роста в расплаве центров кристаллизации, зависит от скорости охлаждения расплава, содержания примесей, направления отвода тепла и др. факторов. Увеличение скорости охлаждения может, например, приводить к измельчению зерна. Размер зерна можно изменить, подвергнув металл пластической деформации и рекристаллизации. Микроструктурарезко изменяется при протекании в твёрдом металле фазовых превращений, которые могут быть вызваны изменением температуры или всестороннего давления. И в этом случае структура зависит от условий, в которых проходит превращение, главным образом от температурного интервала и скорости охлаждения, а также от особенностей строения кристаллических решёток фаз, участвующих в превращении.