книги из ГПНТБ / Рытвин Е.И. Платиновые металлы и сплавы в производстве стеклянного волокна [учеб. пособие]

{ПО). К этому же семейству плоскостей относят набор

параллельных плоскостей с индексами (1 1 0), так как начало координат выбирают произвольно. Если пло­ скость проходит через начало координат, то для опреде­ ления ее индексов необходимо рассмотреть соседнюю, параллельную ей плоскость, или перенести начало коор­ динат в другую вершину куба.

Все плоскости с одинаковым атомным строением, на­ пример (100), (010), (001), кристаллографически экви­ валенты. Совокупность таких плоскостей обозначают ин­ дексами любой плоскости, входящей в эту совокупность, и заключают индексы в фигурные скобки. Так, совокуп­ ность шести эквивалентных плоскостей с одинаковым

атомным строением — (100) (100) (010) (010) (001) (001),

образующих кубическую ячейку, можно обозначить ин­ дексами {100} или {010}. Совокупность восьми кристал­ лографически эквивалентных плоскостей, образующих октаэдр, обозначают {111}, а соответствующую совокуп­ ность двенадцати плосткостей ромбического додекаэдра обозначают {ПО}. Совокупности {100} (111) и (ПО) постоянно встречаются при рассмотрении структуры ме­ таллов с ГЦК-решеткой. С увеличением числовых значе­ ний индексов плотность упаковки атомов уменьшается. При анализе кристаллической структуры металлов часто пользуются индексами направлений в решетке. Направ­ ление прямой, проходящей через начало координат, оп­ ределяется координатами любой ее точки (рис. 11). Для определения направления прямая обязательно должна проходить через начало координат. Если этого нет, то прямая переносится параллельно самой себе в начало координат. В случае отрицательных значений координат получается направление, обратное первоначальному.

Единицей измерения отрезков на каждой кристалло­ графической оси является период решетки. Значения координат точки, приведенные к отношению трех наи­ меньших целых чисел, определяют индексы данного на­ правления и всех параллельных направлений [и ѵ до]. Кристаллографически эквивалентным направлениям да­ ют индексы одного из направлений. Так, совокупность

значается совокупность всех направлений диагонали гра­

37

ни куба < 1 1 0 > или пространственной диагонали куба <;111> . Чтобы не спутать индексы отдельных и парал­ лельных атомных плоскостей, совокупности кристалло­ графически эквивалентных плоскостей, параллельных направлений и совокупности эквивалентных непарал­ лельных направлений, эти индексы заключаются соответ­

ственно в круглые, фи­

с ГЦК-решеткой при кристаллизации слитка ребро куба ориентировано перпендикулярно к поверхности охлаж­ дения.

При обработке металлов давлением наблюдается на­ правленное скольжение по определенным атомным пло­ скостям и направлениям кристаллической решетки. Ори­ ентация плоскостей и направлений изменяется в зави­ симости от вида деформации. При прокатке металлов с ГЦК-решеткой параллельно направлению прокатки устанавливается направление [112], а атомная пло­ скость (100) параллельна плоскости прокатки. При на­ греве ориентация плоскости и направления, полученная в процессе деформации (текстура деформации) — (100) [112]— может быть заменена другой ориентацией — (100) [001]— текстурой рекристаллизации. Характер ориентировки зерен всегда определяется условиями де­

сматривать как неподвижную модель. Все составляющие

38

элементы пространственной решетки находятся в посто­ янном движении. Происходит колебание атомов и ионов около своих средних положений, перемещаются коллек­ тивизированные электроны. С повышением температуры движение атомов (ионов) в кристалле становится более интенсивным. Когда атомы (ионы) получают определен­ ное количество энергии, они могут оторваться от своих средних положений. Такие атомы либо покидают кри­ сталл, либо застревают в нем, вызывая искажение кри­ сталлической решетки. При этом прежнее место атома остается вакантным. На место образовашегося вакантно­ го узла может перемещаться другой атом, образующий рядом новое вакантное место. Атомы вокруг таких ва­ кантных мест смещаются. Эта схема является одним из примеров нарушения правильности кристаллической по­ стройки атомов, за счет которого возникают несовершен­ ства (или дефекты) пространственной решетки. В дру­ гом случае причиной возникновения несовершенства кристаллической решетки, нарушения правильности ее строения, может быть сдвиг, деформация.

Учение о дефектах в кристаллах объясняет многие ■практически важные свойства металлов и сплавов. Де­ фекты кристаллической решетки можно подразделить на точечные, линейные (одномерные), поверхностные (дву­ мерные) н объемные (трехмерные). Размеры точечных дефектов (вакансии, межузельные атомы, примесные атомы) по всем направлениям не превышают нескольких атомных диаметров. Размеры линейных дефектов (це­ почки вакансий и межузельных атомов, линейные де­ фекты при сдвиге атомной плоскости — дислокации) в одном направлении могут быть соизмеримы с размером кристалла. Поверхностные дефекты имеют значительные размеры в двух направлениях. Примером таких дефек­ тов могут служить границы зерен. Объемные дефекты имеют значительные размеры во всех трех измерениях. К этим дефектам относят поры, трещины и царапины. За счет образующихся дефектов, например, при дефор­ мации связи в кристаллической решетке разрываются не одновременно, а последовательно, по слабым направле­ ниям. В этом случае прочность всей кристаллической по­ стройки не используется. Однако по мере увеличения в решетке числа дефектов их избыток может мешать на­ правленному перемещению атомов, которое должно было

39

бы происходить из-за наличия какой-то части этих де­ фектов. Следовательно, с увеличением числа дефектов может происходить наложение сдвиговых перемещений, приводящее к упрочнению кристаллов. Таким образом, при малом количестве дефектов за счет неодновременно­ го разрыва связен по слабым направлениям происходит разупрочнение кристалла, а увеличение искажений ре­

ко от его атомного и кри­ сталлического строения. В сильной степени на свойства, прежде всего на механические, может влиять микро- и макроструктура металла, представляющая собой сово­ купность кристаллитов. Дефекты в микро- и макро­ объемах во многом определяют поведение металла при эксплуатации. Влияние на свойства поликристалла ока­ зывают форма, размер, состав отдельных зерен, а также их расположение и ориентировка. Особое значение при анализе свойств металла придается границам зерен. В зависимости от упрочнения за счет искажений решет­ ки или разупрочнения вследствие наличия пор, микро­ пустот и хрупких составляющих реальный металл вбли­ зи границы зерен может быть упрочненным или ослаб­ ленным. В последующих разделах будет показано, как связаны важнейшие свойства платиновых металлов и сплавов с. их структурой.

40.

Платиновые металлы в состоянии поставки

Все платиновые металлы выпускаются в соответст­ вии с ГОСТ:

Родий может поставляться как в виде аффинированного порош­ ка с размером зерна менее 1 мм (марки РдА-1 и РдА-2), так и в виде

Палладий выпускается аффинированным в слитках (марки ПдА-1 и ПдА-2), а также в полуфабрикатах н изделиях (марки Пд 99.9 и Пд 99,8). Слитки имеют размеры 100 X 65 X 35 мм. На по­ верхности слитков аффинированного палладия допускается нали­ чие участков зачищенной поверхности на глубину не более 1 мм. На каждом слитке указывается его вес, содержание палладия в про­ центах II ставится символ «Pd». Полуфабрикаты и изделия из пал­

зерна менее 1 мм (марки ИА-1 и ИА-2), а также в полуфабрикатах и изделиях (марки И-99,9 п И-99,8).

Платина может поставляться аффинированной в слитках (мар­ ки ПлА-1 и ПлА-2), а также в виде полуфабрикатов и изделий (мар­ ки Пл-99,93, Пл-99,9 и Пл-99,8), применяемых в различных отрас­ лях промышленности. Слитки аффинированной платины имеют та­ кие же размеры и такое же качество, как н слитки аффинированного палладия. На каждом платиновом слитке ставится символ «Pt»

Таким образом, в виде слитков аффинированного металла могут быть только платина и палладий. Аффи­ нированные родий, рутений, иридий и осмий выпускают­ ся только в порошке. Это связано как со свойствами ме-

41

таллов, так и с особенностями их использования. Плати­ на и палладий чаще являются основой сплавов, а родий, рутений, иридий и осмий чаще используются в качестве легирующих элементов. Платина и палладий в слит­ ках — высокопластичные, легкодеформируемые металлы, родий и иридий — труднодеформируемые металлы; ру­ тений и осмий из-за сложности обработки вообще ие вы­ пускаются в слитках.

Наиболее важной характеристикой металлов плати­ новой группы является их химический состав, т. е. со­ держание в них примесей (табл. 4).

Из табл. 4 видно, что содержание примесей в одном и том же металле разных марок может сильно разли­ чаться как по общему количеству примесей, так и по процентному содержанию отдельных элементов. От со­ держания примесей в исходных металлах и соответст­ венно в полученных из них сплавах существенно зави­ сят свойства сплавов при высокой температуре. Наибо­ лее чистыми являются аффинированные платиновые ме­ таллы марки А1, содержание всех примесей в которых не превышает 0,05%- Однако даже такое содержание примесей может оказаться чрезвычайно опасным для эксплуатации металла при высокой температуре, осо­ бенно если примеси неравномерно распределены и в от­ дельных участках имеются их скопления (до целых или даже десятков процентов). При наличии примеси, на­ пример 0,001% кремния, в одном кубическом миллимет­ ре платины содержится ~5 -1015 атомов кремния. В ре­ альных платиновых металлах, содержащих 0,05—0,20% примесей неблагородных элементов, соответственно воз­ растает вероятность хрупкого разрушения.

Количество примесных элементов в платиновых ме­ таллах (см. табл. 4), по-видимому, не полностью отра­ жает их реальный состав. Относительно малое содержа­

вых металлах сильно затрудняют определение истинного состава металла. Как видно из табл. 4, в большинство платиновых металлов входит медь, никель, серебро, маг­ ний и другие металлы. Однако их допустимое содержа­ ние не ограничивается. В некоторых марках платиновых металлов не ограничивается содержание алюминия, кремния, олова, сурьмы и других примесей, но известно,

44

что эти элементы в платиновых металлах могут присут­ ствовать. Возможно также присутствие в платиновых металлах фосфора, серы, углерода и некоторых других элементов, содержание которых не контролируется. Та­ кое положение с анализом примесей в платиновых ме­ таллах не позволяет с достаточной обоснованностью де­ лать выводы о роли той или иной примесной добавки в механизме разрушения платиновых металлов и сплавов при высокотемпературной эксплуатации.

Глава V

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПЛАТИНОВЫХ МЕТАЛЛОВ МЕЖДУ СОБОЙ И С ДРУГИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

При сплавлении'Двух или более элементов они взаи­ модействуют друг с другом., причем характер взаимодей­ ствия зависит от природы и концентрации сплавляемых элементов и от температуры. Зависимость состояния сплавов от состава и температуры изображается графи­ чески диаграммой состояния. Диаграммы состояния имеют очень большое практическое значение при изуче­ нии свойств различных сплавов мерных и цветных ме­ таллов. Наиболее изучены диаграммы состояния двух­ компонентных систем. Значительно сложнее диаграммы состояния тройных и четверных систем. Для платино­ вых металлов построено большое число диаграмм со­ стояния двухкомпонентных систем и очень немного диа­ грамм состояния трехкомпонентных систем. Рассмотре­ ние диаграмм состояния платиновых металлов в книге ограничено в основном двухкомпонентными системами.

Для построения диаграммы состояния двухкомпонентнон системы по оси абсцисс откладывают содержа­ ние компонентов, а по оси ординат — температуру. В за­ висимости от взаимодействия компонентов при различ­ ных температурах и соответственно в зависимости от состояния системы можно выделить следующие важней­ шие типы диаграмм состояния.

1. Диаграмма состояния системы с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (с не­ прерывным рядом твердых растворов).

2. Диаграмма состояния системы с ограниченной рас­ творимостью компонентов в твердом состоянии (диа­

45

граммы состояния эвтектического или перитектического типа).

3.Диаграмма состояния системы с образованием хи­ мического соединения.

4.Диаграмма состояния системы с ограниченной растворимостью компонентов в жидком состоянии.

Если компоненты А и В неограниченно растворяются

вжидком и твердом состояниях (рис. 13, а), то из одной жидкой фазы L кристаллизуется только одна твердая фаза переменного состава— твердый раствор 5. Любая точка на линии / (линии ликвидуса) соответствует тем­ пературе начала кристаллизации (конца плавления) сплава определенного состава, а на линии s (линии солидуса)— температуре конца кристаллизации (начала плавления). Область, заключенная между линиями I и s, состоит из жидкой и твердой фаз (L + S ). ТА и Гц — температуры плавления чистых компонентов А и В. Ли­ нии ликвидуса и солидуса могут не иметь ни минимума, ни максимума (рис. 13,а,/) и могут иметь максимум М (рис. 13, а, II) или минимум m (рис. 13, а, III) .

При ограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии из одной жидкости могут кристалли­ зоваться два твердых раствора (рис, 13,6 и 13, а): твер­ дый раствор а, обогащенный компонентом А, и твердый раствор ß на основе компонента В. Смесь двух твердых фаз а и ß образует эвтектику (>a+ß). При кристаллиза­ ции сплавов, состав которых лежит левее точки Е (рис. 13,6), первоначально выделяется твердый раствор а. Если состав сплава лежит правее точки Е, то перво­ начально выделяется твердый раствор ß. При темпера­ туре, соответствующей точке на линии F E G , предельная концентрация а-раствора соответствует точке F, а ß-pac- твора — точке G. Точка Е отвечает эвтектическому со­ ставу сплава и эвтектической температуре плавления (кристаллизации). Температура начала плавления спла­ вов, состав которых определяется абсциссой от точки А до проекции точки F, изменяется по кривой солидуса TaF. Также изменяется по кривой TbG температура начала плавления сплавов, состав которых определяется по оси абсцисс от точки В до проекции на эту ось точки G. Сплавы, состав которых отвечает положению на оси абсцисс между проекциями точек F и G, имеют такую же температуру плавления, как и эвтектический сплав, со-

46

став которого соответствует точке Е. Рассмотренную диа­ грамму состояния называют диаграммой эвтектического типа (см. рис. 13,6).

Рис. 13. Основные типы диаграмм состояния двухкомпонентных систем:

а — с неограниченной растворимостью компонентов А и В в твердом состоя­ нии; б — с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (эвтектического типа); в — с ограниченной растворимостью компонентов в твер­ дом состоянии (перитектического типа); г — с образованием химического сое­ динения С;

/—Линин ликвидуса I и солидуса s имеют плавный подъем; I I — линии I n s име­ ют максимум Af; I I I — линии / и я имеют минимум пг,

Т д и Tg - температуры плавления компонентов А и В; L —жидкая фаза; 5, а , ß — твердая фаза.

Диаграмма состояния перитектического типа также характеризует систему с ограниченной растворимостью компонентов (рис. 13,8). Отличительной особенностью

47