ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Фазовые переходы и их влияние на структуру и свойства материалов из "Основы физикохимии и технологии композитов " Как отмечалось, межфазное взаимодействие оказывает влияние на прочность связи компонентов композита, возможность химических реакций и образования новых фаз на фаницах, формир я такие свойства как термостойкость, устойчивость к действию агрессивных сред, прочность и другие важные эксплутационные характеристики нового материала. Поэтому при производстве и эксплуатации композитов возникает актуальная научная физико-химическая проблема изучения граничных химических реакций и фазовых переходов в многокомпонентных системах. [c.32] При разработке новых соединений огромное значение имеют фазовые диаграммы состояния, отражающие взаимодействие компонентов, образование твердых растворов, стабилизацию тех или иных фаз, образование промежуточных соединений и фазовые равновесия. [c.32] Фазовая диафамма изображает зависимость устойчивого фазового состояния одно- или многокомпонентного вещества от термодинамических параметров, определяющих это состояние (температуры, давления, напряженностей электрических и магнитных полей и др.) Диафв.мма состояния представ.тяет собой фафическое изображение соотношений между параметрами состояния системы и ее составом. Для двухкомпонентных систем обычно строят фазовые диафаммы в координатах температура - состав (при постоянном давлении). [c.32] Законы термодинамики определяют условия равновесия фаз и форму диафамм состояния. Согласно правилу фаз Гиббса, максимальное число фаз Р, которые могут сосуществовать в химической системе, плюс число степеней свободы F равно числу компонентов С плюс 2. [c.32] Характерные виды фазовых диафамм для двухкомпонентных систем представлены на рис. 3.1. [c.32] Физической причиной конкретной кристаллической структ фы любого элемента и его модификаций является перекрытие валентных и подвалентных оболочек его атомов, приводящее к образованию определенных межатомных связей Число, протяженность и симметрия орбиталей атомов данного конкретного элемента полностью определяют число, длину, ориентировку- и энергию межатомных связей, образующихся в результате перекрытия этих орбиталей, а, следовательно, размещение атомов в пространстве, т е. кристаллическуто структуру, а также физико-химические свойства элемента. [c.34] Основные виды фазовых превращений рассмотрим на примере металлических структур, поскольку металлы составляют большую часть элементов таблицы Менделеева. [c.34] Полиморфные превращения (способность веществ в зависимости от внешних условий кристаллизоваться в различных формах) имеют огромное практическое значение, так как, благодаря различной растворимости легирлтощих элементов в высоко- и низкотемпературных модификациях, щ тем термической обработки можно получать желаемую структуру и изменять в огромном диапазоне физико- химические свойства металлических сплавов. [c.34] Повышение температуры в связи с увеличением энергии и ампли-т ды тепловых колебаний атомов вызывает полиморфные превращения многих металлов Наиболее характерными для металлов являются фазовые переходы плотных гексагональнььх (ПГ) и гранецентрированных кубических (ГЦК) упаковок в объемно-центрированную кубическую (бцК) структуру (табл. 3.1). [c.34] Отметим важную закономерность полиморфных превращений в металлах если металл имеет ОЦК структуру при ОК или начиная с некоторой более высокой температуры, то при дальнейшем нагревании вплоть до Т п.т ОЦК-структура не испытывает никаких превращений. Ряд металлов имеют ОЦК структуру при абсолютном ОК (К, Rb, s, Fr, Ва, Ra, Eu, No, V, Nb, Та, Pa, r, Mo, W). [c.35] Единственное исключение из этой закономерности превращение ОЦК -Fe- ГЦК 5-Fe, происходящее при нагреве выше 911°С, которое лежит в основе термической обработки стали и чугуна. Однако при 1394°С происходит нормальное превращение ГЦК y-Fe - ОЦК 5-Fe, связанное с термическим расщеплением Зй/ -оболочки, Уникальный переход обусловлен наличием у Fe четьфсх не спаренных Зс/- орбиталей, определяющих магнитный. момент на атоме Fe, и двух расщепленных Зй -орбиталей. Перекрытие таких Зй -оболочек и обусловливает ОЦК структуру а -Fe при те.мпературах ниже 911°С, Переход а -Fe y-Fe связан t ферро.магнитным состояние 1 железа при температурах ниже 768°С и антиферромагнитным состоянием а (P)-Fe в интервале температур 768-911°С. При 911°С происходит переход антиферро-магнитного ОЦК нм (P)-Fe в парамагнитное ГЦК y-Fe и, следовательно, это превращение не представляет исключения из общей последовательности переходов. [c.35] С полиморфным превращением вещества, на основе которого образуется твердый раствор, всегда связано и превращение самого твердого раствора. На рис. 3.1,к,л приведены диаграммы состояния с наиболее часто встречающимися вариантами такого превращения При эвтекто-идном превращении (рис 3.1,к) температура трехфазного равновесия (эвтектоидная точка Е , где твердые растворы аир, образутощиеся на основе двух модификаций компонента А, взаимодействуют с твердым раствором у, на основе компонента В) расположена ниже температуры (Тп) - полиморфного превращения, а область гомогенного твердого раствора на основе низкотемпературной модификации (Р) более узкая, чем на основе высокотемпературной модификации (а) при перитектоидном превращении (рис 3 1, л) - наоборот. [c.36] Твердые растворы - однородные (гомогенные) кристаллические фазы переменного состава в двойных или многокомпонентных системах. Образование твердых растворов следует рассматривать из первых принципов, а именно, с позиций возникновения связей между атомами растворите.тя и растворяющихся элементов. В зависимости от положения атомов растворенного элемента различают твердые растворы замещения, внедрения и вычитания. [c.36] В твердых растворах замещения растворенное вещество замещает исходное - атом на атом, ион на ион, молекула на молекулу При этом число частиц (атомов, молекул) в элементарной кристаллической ячейке остается постоянным. [c.36] Второй необходимый фактор для образования растворов замещения - химическое подобие компонентов, в частности, близость типа химической связи. В качестве параметра, определяющего возможность образования твердого раствора замещения, используют различие в степени ионности связи, иногда - разность электроотрицательностей атомов замещающих друг друга элементов и др. Непрерывные твердые растворы замещения образуются между изоморфными металлами, близко стоящими в Ta6j iHiie Менделеева. В качестве примеров можно привести системы Ag-Au, K-Rb, Se-Te, Mo-W, Au- u, Ge-Si, Nb-Ta, o-Ir, состоящие из близких компонентов одной фуппы Ir-Pt, Au-R, u-Ni, Ni-Fe, Fe- r, состоящих из близких компонентов одного периода Au-Pd, o-Pd, Fe-Pd, состоящее из компонентов близких фупп и периодов. [c.37] ютрим образование растворов замещения на основе модели перекрывания внешних валентных --оболочек, применительно к важнейшим промышленным металлическим сплавам с плотной кубической упаковкой Fe, Со, Ni, Си, а также сплавов на базе металлов с плотной гексагональной структурой Mg, Zn, Ti, Zr и др. [c.37] Перекрытие строго сферических 5-оболочек ведет к образованию ГЦК - структуры типа меди, а перекрытие слегка вытянутых или сплюснутых сфероидальных s-оболочек - плотных гексагональных структур. Замещение атома в решетке растворителя, например Ni, с атомным радиусом 1,24А и электронной концентрацией 2эл/ат, большим атомом легирующего элемента, например Си (r=l,2SA, 1эл/ат), ведет к оттеснению атомов никеля от узла, занятого атомом меди, и созданию зоны сжатия. Согласно модели перекрывающихся s-оболочек происходит совмещение максимумов электронной плотности 4s-оболочки атома меди с максимумами 45 -оболочек атолгов никеля. Атом меди оказывается центром зоны сжатия, быстро убывающей к периферийным атомам никеля на расстоянии 2-3 постоянных решетки. Локальный характер изменения длины и энергии межатомных связей вокруг растворенного атома объясняет реальные отклонения от правила Вегарда, постулирующего линейные изменения параметра (или атомного объема) при возрастании доли легирующего элемента. [c.37] Наряду с рассмотренными, нужно учитывать и другие виды фазовых переходов, например, в магнитных и электрических полях. Как показывают исследования, при низких температурах ( 100К) фазовые переходы в магнитно.м поле указывают на относительный характер разделения веществ на металлы, полупроводники и диэлектрики. В магнитном поле одно и то же вещество может быть и диэлектриком, и полупроводником, и металлом, что особенно важно при разработке новых композитов для решения задач современной микроэлектроники. [c.40] Вернуться к основной статье