Характеристика твердых растворов замещения

Характеристика твердых растворов замещения.

В жидком состоянии большинство металлических сплавов, применяемых в технике, представляет собой однородные жидкости, т. е. жидкие растворы. При переходе в твердое состояние во многих таких сплавах однородность сохраняется, следовательно, сохраняется и растворимость. Твердая фаза, образующаяся в результате кристаллизации такого сплава, называется твердым раствором. Химический или спектральный анализ показывает в твердых растворах наличие двух элементов или более, тогда как по данным металлографического анализа такой сплав, как и чистый металл, имеет однородные зерна рис. 3 . Рентгеновский анализ обнаруживает в твердом растворе, как и у чистого металла, только один тип решетки.

Следовательно, в отличие от механической смеси твердый раствор является однофазным, состоит из одного вида кристаллов, имеет одну кристаллическую решетку в отличие от химического соединения твердый раствор существует не при определенном соотношении компонентов, а в интервале концентраций.

Строение твердых растворов на основе одного из компонентов сплава таково, что в решетку основного металла- растворителя входят атомы растворенного вещества. Здесь возможны два принципиально различных случая 1. твердые растворы замещения 2. Твердые растворы внедрения мы рассмотрим 1-вый. Твердые растворы замещения Металл А имеет, например, решетку, изображенную на рис. 4, а. Растворение компонента В в металле А происходит путем частичного замещения атомов А атомами В в решетке основного металла рис. 4, б. Рис4 а - чистый металл б - твердый раствор замещения При образовании растворов внедрения и замещения атомы растворенного компонента распределяются в решетке растворителя беспорядочно.

При образовании твердого раствора сохраняется решетка одного из элементов и этот элемент называется растворителем. Атомы растворенного вещества искажают и изменяют средние размеры элементарной ячейки растворителя.

При образовании твердых растворов замещения периоды решетки изменяются в зависимости от разности атомных диаметров растворенного элемента и растворителя. Если атом растворенного элемента больше атома растворителя, то элементарная ячейка, решетки увеличивается, если меньше, то сокращается. В первом приближении это изменение пропорционально концентрации растворенного компонента, выраженной в атомных процентах однако отклонения от линейной зависимости бывают иногда довольно значительными.

Изменение параметров решетки при образовании твердых растворов - весьма важный момент, определяющий изменение свойств. В общем независимо от вида металла относительное упрочнение при образовании твердого раствора пропорционально относительному изменению параметров решетки, причем уменьшение параметров решетки ведет к большему упрочнению, чем её расширение. Твердые растворы замещения могут быть ограниченные и неограниченные. При неограниченной растворимости любое количество атомов А может быть заменено атомами В. Следовательно, если увеличивается концентрация атомов В, то все больше и больше атомов В будет находиться в узлах решетки вместо атомов А до тех пор, пока все атомы А не будут заменены атомами В и, таким образом, как бы плавно совершится переход от металла Л к металлу В рис. 5 . Это. конечно, возможно при условии, если оба металла имеют одинаковую кристаллическую структуру, т. е. оба компонента являются изоморфными.

Следовательно, первым условием образования неорганического ряда твердых растворов является наличие у обоих компонентов одинаковых кристаллических решеток, т. е. условие изоморфности компонентов.

Рис. 5. Кристаллические решетки твердых растворов аамещения при неограниченной растворимости компонентов Если у двух металлов с одинаковыми кристаллическими решетками сильно различаются атомные радиусы, то образование твердых растворов между этими металлами сильно искажает кристаллическую решетку, что приводит к накоплению в решетке упругой энергии когда это искажение достигает определенной величины, кристаллическая решетка становится неустойчивой и наступает предел растворимости Итак, вторым условием образования неограниченных твердых растворов является достаточно малое различие атомных размеров компонентов.

Наконец, замечено, что неограниченная растворимость наблюдается преимущественно у элементов, близко расположенных друг от друга в периодической таблице Д. И. Менделеева, т. е. близких друг к другу по строению валентной оболочки атомов, по физической природе.

Если кристаллические решетки и неодинаковы, но близки, похожи, например гранецентрированные кубические и тетрагональные, то возможен плавный переход от одной решетки к другой с образованием и в этом случае неограниченного твердого раствора. Если сплавляемые металлы принадлежат к далеко расположенным друг от друга группам Периодической системы и поэтому имеют различную физическую природу, то они часто бывают склонны к образованию химических соединений, а не твердых растворов.

Если два металла не отвечают перечисленным выше условиям, то они могут ограниченно растворяться друг в друге. Замечено, что растворимость тем меньше, чем больше различие в размерах атомов и в свойствах, компонентов, образующих раствор. Ограниченная растворимость в большинстве случаев уменьшается с понижением температуры.