- •1. Строение и свойства материалов
- •1.1. Кристаллические и аморфные тела
- •2. Элементы кристаллографии
- •1.2.1. Кристаллическая решетка
- •1.2.2. Анизотропия
- •1.2.3. Взаимодействие частиц в кристаллах
- •3. Фазовый состав сплавов
- •1.3.1. Твердые растворы
- •1.3.2. Промежуточные фазы
- •1.3.3. Дефекты кристаллов
- •Точечные дефекты
- •Линейные дефекты
- •Поверхностные дефекты
1.3.1. Твердые растворы
Твердые растворы являются кристаллическими фазами переменного состава. Атомы растворенного элемента В размещаются в кристаллической решетке растворителя — элемента А, замещая атомы в узлах решетки или внедряясь между узлами. В первом случае кристаллы называют твердыми растворами замещения, во втором твердыми растворами внедрения (рис.5). Количество замещенных атомов, так же как и количество внедренных, может изменяться в широких пределах, что и приводит к переменной растворимости твердых растворов.
Твердые растворы обозначаются буквами греческого алфавита: а, (3, 7 и т.д. или А(В), где А — растворитель, В — растворенный элемент.
Рис.5. Атомно-кристаллическая структура твердого раствора (схема):
а - твердый раствор замещения; б — твердый раствор внедрения
Твердые растворы замещения. Замещение атомов растворителя А атомами растворенного элемента В возможно, если атомные радиусы отличаются не более, чем на 15%. Это условие называют размерный фактор. В твердых растворах атомы растворенного вещества, как правило, распределяются в решетке растворителя статистически. Вокруг атома растворенного вещества возникают местные искажения пространственной решетки, которые приводят к изменению свойств и среднего периода решетки. Растворение элементов с меньшим атомным радиусом, чем атомный радиус растворителя, вызывает уменьшение среднего периода решетки, а с большим его увеличение.
Образование твердых растворов всегда сопровождается увеличением электрического сопротивления и уменьшением температурного коэффициента электрического сопротивления; твердые растворы обычно менее пластичны (исключение составляют твердые растворы на основе меди) и всегда более твердые и прочные, чем чистые металлы.
Растворимость элементов в твердом состоянии уменьшается при увеличении различия в атомных радиусах сплавленных элементов и их валентности.
При образовании твердых растворов замещения возможна и неограниченная растворимость элементов в твердом состоянии, т.е. когда при любом количественном соотношении сплавляемых элементов все разнородные атомы размещаются в узлах общей пространственной решетки.
Неограниченная растворимость наблюдается при соблюдении размерного фактора и если элементы имеют одинаковый тип кристаллической решетки. Неограниченная растворимость в твердом состоянии наблюдается в сплавах Сu-Аu, Cu-Ni, Ge-Si. В полиморфных металлах встречается неограниченная растворимость в пределах одной модификации пространственной решетки. Например, Fe дает неограниченный ряд твердых растворов с хромом (ОЦК решетки), a Fe неограниченный ряд твердых растворов с никелем (ГЦК решетки).
Твердые растворы внедрения. Такие твердые растворы возникают при сплавлении переходных металлов с неметаллами, имеющими малый атомный радиус водородом, азотом, углеродом, бором.
Основным условием, определяющим возможность растворения путем внедрения, является размерный фактор. Размер межузельного атома должен быть соизмерим с размером поры.
Твердые растворы внедрения всегда имеют ограниченную растворимость и встречаются преимущественно тогда, когда растворитель имеет ГП или ГЦК решетки, в которых имеются поры с радиусом 0,41R, где R радиус атома растворителя. В ОЦК решетке растворимость путем внедрения мала, так как размер пор не превосходит 0,29Д.
Примером твердых растворов внедрения, имеющих промышленное значение, являются твердые растворы углерода в Fe и Fe. Так, Fe с ГЦК решеткой растворяет до 2,14% (масс.) углерода, a Fe с ОЦК решеткой почти совсем его не растворяют (максимальная растворимость составляет около 0,02 % масс.).
Искажения решетки при образовании твердых растворов внедрения больше, чем при образовании твердых растворов замещения, поэтому у них более резко изменяются и свойства. По мере увеличения концентрации растворенного элемента в твердом растворе заметно возрастают электрическое сопротивление, твердость и прочность, но и значительно понижаются пластичность и вязкость.
В сплавах, содержащих более двух элементов, возможно растворение в одном и том же растворителе и путем замещения, и путем внедрения. Так, при сплавлении железа с марганцем и углеродом получится твердый раствор, в котором марганец растворяется путем замещения, а углерод — путем внедрения.
В заключение следует подчеркнуть, что твердые растворы — это кристаллы, наиболее близкие по свойствам к растворителю, так как сохраняют его кристаллическую решетку и тип связи. В частности, твердые растворы на основе металлов отличаются высокой технологической пластичностью: хорошо деформируются в горячем, а многие и в холодном состоянии.
Твердые растворы составляют основу большинства промышленных конструкционных сплавов и сплавов специального назначения.