Все о металле, его обработке и переработке
Партнеры
  • .

Правила Юм-Розери

В 1966 году в Женеве состоялся Между* народный коллоквиум, иа котором обсуждались во« просы теории фаз в сплавах. Он был исключительно представительным —¦ собрались ведущие металлофи­зики многих стран мира. По материалам докладов был выпущен сборник, который открывается знамена­тельными словами: «Книга посвящается профессору У. Юм-Розери, чьи труды превратили металловедение из ремесла в науку». Чем же заслужил Юм-Розери такое посвящение?

Взяв в руки один из толстых справочников по фа­зовым диаграммам и открыв его на нужной странице, вы сможете выяснить, как растворяются друг в друге разные металлы, распадаются или упорядочиваются твердые растворы, при каких температурах происхо­дят фазовые превращения и т. д. И невольно возни­кает вопрос, а нельзя ли узнать что-либо о диаграмме без ее построения? Нельзя ли прогнозировать фазовое состояние сплавов, исходя только из свойств чистых компонентов? Уильям Юм-Розери первым попытался ответить на эти вопросы.

Очевидно, что для неограниченной растворимости друг в друге металлы должны обладать одинаковыми ¦кристаллическими решетками. Но этого недостаточно. Одни пары металлов с одинаковыми решетками при достаточно высоких температурах образуют непрерыв­ную область твердых растворов, а другие пары друг друга практически «не терпят» и предел растворимо­сти в твердом состоянии очень мал. Почему это так?

Юм-Розери заметил, что для хорошей растворимо­сти атомы обоих металлов не должны заметно отли­чаться по величине. И это вполне понятно. Представь­те себе, что в кристаллическую решетку из теннисных мячей вы вставляете футбольный мяч. Это сразу вы — зывет ее искажения. И если футбольных мячей взять достаточно много, то кристаллическая решетка как таковая перестанет существовать. Можно сказать, что растворимость футбольных мячей в теннисных очень низкая из-за неблагоприятного размерного фактора (так принято называть несоответствие атомных раз­меров). Проанализировав экспериментальные фазовые •диаграммы, Юм-Розери заключил, что размерный фактор неблагоприятен, если атомный радиус раство­ренного элемента на 14—15 % больше, чем атомный радиус растворителя. В этом случае область твердых растворов на диаграмме сильно ограничена, т. е. пре­дел растворимости достаточно низок (обычно не боль­ше нескольких процентов).

Ну а если размерный фактор благоприятен? Это еще не гарантия хорошей растворимости. Например, элементы между собой могут образовывать химиче­ское соединение с низкой свободной энергией и тогда области твердых растворов «оттесняются» в углы диа­грамм.

Пока речь шла о вещах более или менее очевид­ных. Но вот следующее наблюдение Юм-Розери за­ставляет взглянуть на образование фаз в сплавах со-

Обратим внимание на фазовые диаграммы трех сплавов на основе меди — Cu — Zn, Cu — Al и Cu — Sn. Их замысловатый полный вариант нам не потребуется, и мы приведем лишь интересующие нас фрагменты (рис. 113).

193

Налицо несомненное сходство. Во всех трех систе­мах а-фаза — ГЦК твердый раствор на основе меди, а р-фаза имеет ОЦК решетку (это нам уже известно на примере р-латуни). Приблизительный состав р-фаз отвечает химическим формулам CuZn, СщА1 и Cu5Sn. На первый взгляд, никакой закономерности нет. Но это только до тех пор, пока концентрация приводится в атомных (или тем более массовых) долях.

7 А. С, Штейнберг

Юм-Розери предложил выражать концентрацию в количестве валентных электронов на атом (обозна­чается е/а). Каждый из металлов, как известно, от­дает часть своих электронов в общее владение всему кристаллу («коллективизирует» по Я. И. Френкелю). Они и называются валентными. За счет притяжения между ионами и валентными электронами и возникает специфическая металлическая связь.

Количество валентных электронов у атома дан­ного металла зависит от его положения в таблице Менделеева и хорошо известно. У меди — один ва­лентный электрон, у цинка —два, у алюминия — три, у олова — четыре. А теперь подсчитаем значение е/а во всех трех р-фазах:

Ш

Ю

(т)

1,5, 1,5, 1,5.

CujAI

1X1+2X1

1 + 1

1X3+3X1 3+1

1X5+4X1

Cu5Sn

5+1

CuZn

Случайными такие совпадения не бывают! Тем бо­лее, что |3-фазы образуются еще в целом ряде систем (медь — индий, медь — бериллий, серебро — цинк, марганец — цинк и т. д.) и всегда области их суще­ствования лежат в районе значения е/а = 1,5. Уда­лось также выявить и еще несколько характерных фаз, которым отвечает определенное значение элек­тронной концентрации е/а. За ними так и закрепилось название электронных фаз.

Первые наблюдения Юм-Розери датируются 1926-м годом. С тех пор предпринималось немало по­пыток пролить свет на тайны электронной концентра­ции. Но, несмотря на все усилия и отдельные удачи, полной ясности в этом вопросе нет и по сей день.

Открытие Юм-Розери имело два важных след­ствия. Во-первых, появилась возможность ограничен­ного прогноза фазовых диаграмм. А во-вторых, стало совершенно ясно, что истинные «художники» диа­грамм — не нейтральные атомы, а электроны и ионы.

До сих пор мы говорили почти только об атомах. Но это отнюдь не значит, что все рассказанное невер­но. Электроны и ионы все время фигурировали «на заднем плане»! Например, не раз обсуждалось взаи­модействие атомов между собой. В металле оно обус­ловлено кулоновскнм отталкиванием ионов и их же кулоновским притяжением к «коллективизированным» электронам. Но об истоках межатомного взаимодей­ствия почти не упоминалось. Внимание акцентирова­лось лишь на результате — существовании взаимодей­ствия и на следствиях, к которым оно приводит. По­этому неявным образом мы учитывали раздельное су­ществование электронов и ионов.

Однако возможен совершенно иной подход. Можно с самого начала в явном виде учитывать существова­ние электронов и ионов. Это, конечно, серьезно услож­няет задачу. Во-первых, увеличивается общее число частиц и их «сортность». Даже в чистом металле оказываются два типа частиц — тяжелые ионы и лег­кие электроны. Кроме того, электроны и ионы прихо­дится рассматривать с позиций квантовой механики как частицы и волны одновременно. Вычислить сво­бодную энергию такой системы весьма не простая за­дача.

Несмотря на все сложности, такой подход получил, особенно в последнее время, широкое распростране­ние. Ведь только на его основе возможно истинное прогнозирование свойств сплавов. Не в последнюю очередь его растущая популярность связана с появле­нием быстродействующих компьютеров, которые де­лают реальным выполнение чудовищных расчетов. К сожалению, более подробно рассказать о квантовой теории сплавов мы не можем, так как эта тема, несо­мненно, заслуживает отдельной книги.

ГЛАВА 6