11) Химические соединения, твердые растворы, механические смеси

Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (или другого) компонентов располагаются в ре­шетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры (периоды). Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и пред­ставляет собой одну фазу.

Различают твердые растворы замещения (рис. 29, а) и твердые растворы внедрения (рис. 29, б). При образовании твердого раст­вора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке.

При образовании твердого раствора внедрения (рис. 29, б) атомы растворенного компонента располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решетки растворителя. При этом атомы располагаются не в любом междоузлии, а в таких пустотах, где для них имеется больше свободного пространства. Например в плотноупакованной ГЦК решетке наиболее подходящей бу­дет октаэдрическая пора (центры шести атомов — шаров, между которыми образовалась пора, расположены по вершинам октаэдра)(рис 29).

Твердые растворы замещения с неограниченной раствори­мостью могут образоваться при соблюдении условий, приведен­ных ниже.

1. Компоненты должны обладать одинаковыми по типу (изо­морфными) кристаллическими решетками. Только в этом случае при изменении концентрации твердого раствора будет возможен непрерывный переход от кристаллической решетки одного компо­нента к решетке другого компонента.

2. Различие в атомных размерах компонентов должно быть незначительным и не превышать 8—15 %.

3. Компоненты должны принадлежать к одной и той же группе периодической системы элементов или к смежным родственным группам и в связи с этим иметь близкое строение валентной обо­лочки электронов в атомах.

Твердые растворы, устойчивые при сравнительно низких температурах, получили название упорядоченных твердых раст­воров, или сверхструктур.

Образование упорядоченных твердых растворов сопровож­дается изменением физических (магнитные свойства, электросо­противление и др.) и механических свойств. Прочность обычно возрастает, а пластичность ухудшается.

Механическая смесь

Механическая смесь двух компонентов А и В образуется, тогда когда они не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. При этих условиях сплав будет состоять из кри­сталлов А и В (рис. 78), отчетливо вы­являемых на микроструктуре (если они достаточно крупного размера).

Рентгенограмма сплава покажет нали­чие двух решеток компонентов А и В. Если бы исследовать в таком сплаве от­дельно свойства кристаллов А и кристал­лов В, то они были бы тождественны свой­ствам чистых металлов Л и В.

Механические свойства зависят от коли­чественного соотношения компонентов, а также от размера и формы зерен, значения их — промежуточные между характеристиками свойств чистых компонентов.

Химическое соединение

При образовании химического соединения: а) соотношение чисел ато­мов элементов соответствует стехиометрической пропорции, что мо­жет быть выражено простой формулой (в общем виде химическое соединение двух элементов можно обозначить А_пВ_т); б) образуется специфическая (отличная от элементов, составляющих химическое сое­динение) кристаллическая решетка с упорядоченным расположе­нием в ней атомов компонентов.

Химическое соединение также характеризуется определенной температурой плавления (диссоциации), скачкообразным изменением свойств при изменении состава (так называемой сингулярностью свойств).

Если химическое соединение образуется только металлическими элементами, то в узлах решеток располагаются положительно заря­женные ионы, удерживаемые электронным газом, т. е. в данном слу­чае так называемая металлическая связь.

Такая связь не является жесткой, и поэтому при определенных условиях количество какого-либо элемента может быть большим или меньшим, чем это соответствует стехиометрическому соотношению элементов по формуле данного химического соединения.

При образовании химического соединения металла с неметаллом возникает ионная связь.

В результате взаимодействия элементов в этом случае атом ме­талла отдает электроны (валентные) и становится положительным ионом, а атом металлоида принимает электроны на свою внешнюю оболочку и становится отрицательным ионом. В решетке химиче­ского соединения такого типа элементы удерживаются электростати­ческим притяжением.

Химический состав вещества при наличии этой связи обусловли­вается законом валентности — наличием свободных (валентных) электронов и достроенностью электронных орбит у вступающих в соединения элементов.