Сравнение поведения магния при легировании с поведением цинка и кадмия

Поведение магния при легировании довольно удовлетворительно согласуется с общей теорией образования сплавов, разработанной в результате изучения сплавов на основе меди, серебра и золота. Два других двухвалентных металла с гексагональной структурой — цинк и кадмий ведут себя совершенно по-другому. Так, имеются сведения о сплавах кадмия и цинка с алюминием, галлием, индием и таллием, но ни разу не сообщалось об образовании сколько-нибудь значительной области твердых растворов.

Во многих из этих систем объемный фактор является благоприятным. но самая высокая растворимость в твердом растворе, обнаруженная в этой серии сплавов, равна приблизительно 3% атомн. алюминия в цинке. Наиболее вероятно, что эта резкая разница в поведении является следствием неодинаковой электронной структуры сравниваемых трех металлов, как обсуждалось ранее. Для магния обычный тип кривой N(E) схематически показан на рис. 16, а, соответствующие кривые для цинка и кадмия приведены на рис. 16,б. При сравнении этих рисунков видно, что на границе заштрихованной площади, которая соответствует двум электронам на атом, кривая для цинка и кадмия намного ближе к горизонтали, чем для магния. Это показывает, что при добавлении электронов к решетке магния они могут быть легко присоединены, так как кривая N(E) продолжает возрастать; однако при добавлении того же количества электронов к решетке цинка или кадмия увеличение энергии будет больше, чем для магния, так как кривая N(E) не возрастает. Это является причиной того, что элементы группы IIIB, обладающие благоприятным объемным фактором, могут свободно растворяться в магнии, :но не в кадмии и цинке, в которых увеличение энергии от добавления электрона получается намного выше.

Интересно отметить следующее: хотя нельзя сделать вывода, касающегося относительной легкости добавления и удаления электрона в плотноупакованной гексагональной решетке, типичные кривые, приведенные на рис. 16,а и 16,б, дают основание полагать, что, по-видимому, цинк и кадмий имеют большую склонность к образованию твердых растворов с одновалентными металлами, чем магний, благодаря уменьшению отношения электрон : атом.

Можно полагать, что сплав, в котором существует вероятность изменения кристаллических решеток, будет кристаллизоваться в такую решетку, которая соответствует наивысшей кривой N(E), так как для данного общего количества электронов чем выше кривая N(E), тем больше электронов может быть присоединено при низком уровне энергии. Кривая чуть ниже границы заштрихованной поверхности на рис. 16, б находится несколько выше кривой для магния, теряющего относительно большее число электронов при низких энергетических уровнях, когда электронная концентрация уменьшается. Это согласуется с фактами: несмотря на то, что магний растворяет только 3,9% атомн. серебра при эвтектической температуре, кадмий и цинк растворяют приблизительно 5 и 6% атомн. серебра соответственно. Подобные эффекты наблюдаются при легировании магния золотом.

В соответствии с современными взглядами на структуру металлов понятно, почему магний, цинк и кадмий не укладываются в рамки одной схемы при рассмотрении хода кривых ликвидуса, солидуса и растворимости элементов в первичном твердом растворе. Магний вследствие особенностей своей электронной структуры подлежит особому рассмотрению.

Эти дополнительные рассуждения указывают на трудность объяснения образования сплавов магния с многовалентными растворенными элементами по единой схеме до тех пор, пока не будет получено больше количественных данных. Однако в изучении самого магния уже достигнут значительный успех.

Одна из важнейших особенностей, рассмотренных выше, заключается во влиянии объемното фактора, находящегося на границе благоприятной зоны, на форму кривых растворимости в твердом состоянии. Когда объемный фактор находится на границе благоприятной зоны, наблюдается тенденция к относительно высокой растворимости яри возрастании температуры и к заметному уменьшению растворимости при понижении температуры. Это как раз тот тип кривых растворимости, который относится к системам, склонным к упрочнению при старении.

При разработке сплавов, способных к упрочнению при старении, необходимо избегать растворяющихся веществ с очень благоприятным объемным фактором, так как они не будут давать достаточного изменения растворимости при изменении температуры; необходимо также избегать веществ с неблагоприятным объемным фактором, поскольку они будут слишком ограничивать область твердого раствора при высоких температурах. Растворенные вещества с объемным фактором на границе благоприятной зоны по отношению к растворителю будут в основном давать требуемую форму кривых растворимости в твердом состоянии.

Образование металлических соединений, не очень прочных (например, Mg2Pb), может также давать кривые растворимости в твердом состоянии требуемой для упрочняющего старения формы даже в тех случаях, когда объемный фактор слишком благоприятен для значительного изменения растворимости при изменении температуры. Следовательно, дополнительное условие, которое благоприятствует существованию кривых растворимости требуемой формы, заключается в том, чтобы электрохимический фактор был умеренным при разумно благоприятном объемном факторе. Если электрохимический фактор слишком низкий, скорость изменения растворимости с температурой получается неудовлетворительной; если же он слишком высокий, то область твердого раствора при высокой температуре сильно ограничена.

Наконец, можно считать, что положено начало применению общей теории магниевых сплавов, чтобы предсказывать, какие элементы могут быть с пользой опробованы в качестве легирующих добавок при разработке сплавов для специальных назначений. Очевидно, благодаря применению теории можно сконцентрировать внимание на объектах, которые, по-видимому, могут быть полезными, сократив таким образом значительное количество предварительной экспериментальной работы. Другими словами, можно использовать теоретические принципы для разработки детальной программы исследования с уверенностью в том, что опыты будут наиболее успешными.

Изучение системы, упрочняющейся в результате старения, тесно связано с изучением природы фазы, находящейся в равновесии с первичным твердым раствором и выпадающей при охлаждении или при низкотемпературном отжиге. Обычно необходимо, чтобы в геометрии расположения атомов и в межатомном расстоянии определенных кристаллографических плоскостей исходного твердого раствора и выпадающей фазы существовало некоторое сходство. Поэтому в следующей главе нужно сконцентрировать внимание на природе интерметаллических фаз в магниевых сплавах.