CC BY
78
УДК 546.46:669...5 В.П. Перминов СГГ А, Новосибирск
СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ МАГНИЯ
Одна из важнейших общих проблем материаловедения - проблема создания сплавов с заранее заданными свойствами - не может быть решена без учета знаний о диаграммах состояния.
Как известно, диаграмма состояния - это графическое изображение фазового состояния сплавов в зависимости от концентрации компонентов и температуры.
С помощью диаграмм состояния определяют температуры плавления сплавов, наличие или отсутствие промежуточных фаз, устанавливают режимы термообработки и т. д.
На протяжении многих десятилетий работы по исследованию новых диаграмм состояния и уточнению отдельных областей уже известных продолжаются как у нас, так и за рубежом и публикуются в специальных изданиях [1].
Представляется целесообразной попытка систематизировать уже опубликованный материал с целью выявления каких-либо общих закономерностей, позволяющих делать прогнозы по поводу еще не изученных систем.
Такая попытка была сделана нами в отношении бинарных магниевых систем в монографиях Магниды и Магниетермия [2, 3].
Рациональной основой была выбрана периодическая систем элементов Д.И. Менделеева. Все известные к 1971 г. бинарные диаграммы состояния были нанесены на «матрицу» периодической системы, а металлохимическое взаимодействие было проанализировано с учетом роли образования стабильных электронных конфигураций в формировании свойств химических элементов и соединений.
Для анализа представлялось целесообразным разделить все элементы на 3 семейства однотипного характера взаимодействия с магнием.
Семейство I состоит их элементов la, IVа - Vila подгрупп. С элементами этого семейства магний либо совершенно не вступает в химическое взаимодействие, либо оно характеризуется образованием эвтектик, перитектик или монотектик с широкой областью расслоения, широкой областью твердых растворов без признаков образования химических соединений.
Семейство II состоит из элементов Ie - IIIe, lia, IIIa, VIIIa подгрупп, включая лантаноиды, актиноиды и углерод.
Все эти элементы образуют с магнием интерметаллические соединения без признаков валентных отношений.
Наконец III семейство формируется из элементов - VПв подгрупп периодической системы.
С этими элементами магний образует соединения, отвечающие правилам валентности. Характерно, что с каждым из этих элементов, кроме углерода, магний образует только одно соединение.
Анализ характера взаимодействия в изученных системах, а также физико-химических свойств соединений, обнаруженных в них, дал возможность сделать ряд прогнозов для систем еще не изученных, в частности, лантаноидов и актиноидов.
За истекший период были построены свыше десятка бинарных диаграмм состояния магния и сделаны первые шаги в построении более 300 тройных.
Даже с такими элементами как бериллий, углерод и водород удалось построить бинарные диаграммы, правда, в ограниченной области концентраций.
Практически все диаграммы состояния магния с лантаноидами разработаны и, в целом, незначительно отличаются от прогнозируемых нами.
Подтвердилось наше предположение, что в системах Mg - Yb и Mg - Lu будут обнаружены металлиды типа Me5Mg24.
Не были обнаружены подобные соединения (как и предполагалось) в системах магния с лантаном, церием, празеодимом, неодимом, евронием и гадолнием. Обнаружение в системах магния с La, Ce, Pr, № и Sm металлидов вида Me5Mg41 приведет к некоторой корректировке известных диаграмм состояния. Существование некоторых металлидов таких, например, как SmMg6.2 или Gd9Mg еще требует проверки.
Нанесение вновь разработанных бинарных диаграмм на матрицу периодической системы элементов не меняет общей картины, т. е. целесообразности разделения всех элементов на три вышеуказанных семейства.
Многие технические проблемы и огромная трудоемкость разработки даже бинарных диаграмм делают понятным, почему практически ни одна тройная диаграмма, не говоря уже о многокомпонентных, не построена.
На рисунке сделана первая попытка совместить известные к настоящему моменту сведения о тройных диаграммах состояния магния на матрице периодической системы элементов, имеющей вид круга.
Ca, H
В центре круга - основа сплавов магний. По внешней окружности расположены по часовой стрелке в порядке возрастания атомного номера элементы ^ - VШа подгрупп (за исключением Ru - Pt).
На внутренних окружностях в той же последовательности расположены элементы ^ - VПв подгрупп, лантаноиды и актиноиды соответственно.
В прямоугольниках по периферии указаны третьи элементы диаграмм состояния, причем выше двойной горизонтали показаны элементы тройных диаграмм, известных ранее к моменту выхода монографий [2, 3], а ниже -разработанные в последующие годы вплоть до настоящего времени.
Не удивительно, что наиболее пристальное внимание исследователей было приковано к магниевым системам, являющимся основой конструкционных магниевых и алюминиевых сплавов, а также сплавов с особыми физико-химическими свойствами (бориды, гидриды и нитриды магния), называемых иногда магнидами.
Больше всего магнидов было обнаружено в системах Mg - Al - Э (свыше 3х десятков) и Мg - Zn - Э (свыше 4х десятков), где Э - элемент периодической системы (не обязательно металл).
Проблематично пока сформулировать общие закономерности, раскрывающие причины образования соединений, в частности магнидов, в одних системах и отсутствие их в других. Тем не менее, имеется принципиальная возможность предсказания характера взаимодействия в неизученных диаграммах состояния на основе анализа особенностей электронного строения компонентов и его изменения при образовании соединений.
Систематизация тройных диаграмм состояния на основе магния затруднительна из-за слишком малого количества исследований. Однако можно утверждать, что непрерывных твердых растворов между тремя компонентами с участием магния не существует. Все остальные семь типов по классификации Б.К. Вульфа [4] можно встретить среди уже исследованных систем.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Диаграммы состояния металлических систем, опубликованные - М.: ВИНИТИ, 1969 - 1999, вып. 15 - 41; 1971 - 2000.
2. Самсонов, Г.В. Магниды / Г.В. Самсонов, В.П. Перминов. - Киев: Наукова думка, 1971. - 344 с.
3. Самсонов, Г.В. Магниетермия / Г.В. Самсонов, В.П. Перминов. - М.: Металлургия, 1971. - 174 с.
4. Вульф, Б.К. Тройные металлические фазы в сплавах / Б.К. Вульф. - М.: Металлургия, 1964.
© В.П. Перминов, 2006
