Промежуточные фазы внедрения

Переходные металлы и металлоиды с малым атомным радиусом (углерод, азот, бор и водород) – образуются промежуточные фазы карбиды, нитриды, бориды гидриды.

Их структуру можно представить как кристаллическую решетку металла с внедренными в междуузлия атомами металлоида.

В отличие от граничного твердого раствора внедрения, имеющего кристаллическую решетку металла-основы, в промежуточной фазе внедрения атомы металла располагаются по узлам решетки, не свойственной данному металлу в чистом виде. Например, в карбиде титана, который представляет собой промежуточную фазу внедрения, атомы титана находятся в узлах ГЦК решетки, а чистый титан и граничный раствор углерода в нем при 20⁰С имеют ГП решетку.

Промежуточные фазы внедрения часто называют просто фазами внедрения. Их обозначают формулами М₄Х ( Fe₄N), М₂Х (W₂C,), МХ (WC, TiC), и др.

Кристаллическая структура фаз внедрения определяется соотношением атомных радиусов атомов металла неметалла (R_н) и металла (R_м).

Если R_н)/ R_м < 0,59, то атомы металла в этих фазах образуют одну из простых решеток: кубическую (К8, К12) или гексагональную (К12), в которые внедряются атомы неметалла, занимая в ней определенные поры (их еще называют фазами Хэгга).

При rx/rm>0,59 промежуточные фазы имеют более сложную решетку. К таким фазам относятся все бориды и карбиды железа и марганца.

Тип связи – металлический.

Большая твердость, хрупкость и высокая температура плавления говорит о том, что между атомами металла и металлоида существуют и ковалентные связи.

Например, карбид тантала TaC плавится при температуре около 3800⁰С.

Фазы Лавеса.

Существование фаз Лавеса определяется размерным фактором. Имеют формулу АВ₂ и образуются между компонентами типа А, В при отношении атомных диаметров D_A /D_B@1,2 (чаще 1,1 – 1,6).

Такое соотношения размеров атомов позволяет им наиболее плотным образом заполнить пространство. Каждый атом А окружен 12 атомами В и на несколько большем расстоянии четырьмя атомами А.

Следовательно, координационное число для атомов А равно 12+4=16 (в решетке из атомов одного вида максимально возможное координационное число- 12)

Фазы Лавеса имеют ГП решетку (MgZn₂, MgNi₂) или ГЦК (MgCu₂).

Сигма-фазы.

Образуются при взаимодействии переходных металлов VA –VIA подгрупп с металлами VIIA – VIII групп, имеющих близкие размеры атомов. Ряд исследователей относят s -фазы к электронным соединениям - е/а @ 7- (атомные радиусы металлов, образующих эти фазы отличаются не более чем на 8%).

Имеют частично упорядоченную сложную решетку с 30 атомами в элементарной ячейке. Стехиометрическая формула АВ (FeCr, FeV), многие из них имеют широкий интервал гомогенности.

Некоторые s -фазы устойчивы в ограниченном интервале температур и распадаются на смесь, состоящую из другой промежуточной фазы и граничного раствора на основе переходного металла.

В железных сплавах при содержании хрома более 20% (коррозионостойкие стали), медленное охлаждение их области твердого раствора или при изотермической выдержке при 800⁰С приводит к образованию сигма-фаз, которые вызывают увеличение твердости и охрупчивание.

Появление этих фаз отрицательно сказывается на технологических и эксплуатационных характеристиках, поэтому их присутствие в сплавах допускать нельзя.

Соединения с нормальной валентностью. Это промежуточные фазы, которые образуются между типичными металлами и элементами, обладающими и металлическими, и неметаллическими свойствами. Для этих промежуточных фаз характерен постоянный состав или очень узкие области гомогенности. Стехиометрические формулы таких соединений подчиняются правилам химической валентности.

Ч.С. Баррет, Т.Б. Массальский. Структура металлов. 2 тома.