§ 240. Дальний и ближний порядок расположения атомов в сплавах

При совместной кристаллизации двух или более веществ они могут в некоторых случаях образовать общую кристаллическую решетку. Произойдет или нет образование такого смешанного кристалла — это зависит от соотношения энергии взаимодействия

однородных и разнородных частиц. Если однородные частицы притягиваются сильнее, чем разнородные, то смешанный кристалл не образуется.

Примером смешанных кристаллов являются металлические сплавы — вещества, имеющие широкое распространение в различных отраслях промышленности. Структура сплавов поможет отчетливо представить понятия дальнего и ближнего порядка.

Рис. 276.

В простейшем случае двухатомных сплавов мы можем столкнуться с вполне упорядоченными структурами, в которых можно выделить определенную ячейку и описать вещество как кристалл соединения, имеющего определенную формулу Однако такое положение дел не всегда имеет место, и в ряде случаев атомы А беспорядочно замещают атомы В в их решетке или беспорядочно внедряются (если они малы) между атомами В.

Мы остановимся лишь на примере сплава замещения железо — кобальт (рис. 276). Этот сплав имеет простую структуру объемно-центрированной решетки. Каждый атом — все равно, железа или кобальта, — имеет восемь ближайших соседей. В отношении взаимного расположения центров атомов кристалл сплава всегда вполне упорядочен — центры атомов образуют при всех условиях одну и ту же объемноцентрированную решетку. Иначе обстоит дело в отношении распределения атомов железа и кобальта по местам. Условно можно разбить узлы решетки кристалла на вершины и центры кубов. При полном порядке все вершины заняты, скажем, атомами железа, а все центры — атомами кобальта (рис. 276, а). Идеальный дальний порядок такого кристалла может постепенно портиться, если начнут появляться атомы, сидящие в «чужих местах». Однако до тех пор, пока число атомов, находящихся в «своих» местах, отлично от числа атомов, находящихся в «чужих» местах (рис. 276, б), мы имеем право говорить о наличии в кристалле хотя и «испорченного», частичного, но все же дальнего порядка. Дальний порядок исчезает тогда, когда стирается различие между «чужими» и «своими» местами: половина атомов находится в своих, а половина — в чужих местах (рис. 276, в).

Важным обстоятельством является то, что при нагревании кристалла, построенного вполне упорядоченным образом, порядок постепенно нарушается, т. е. процент атомов, сидящих в «чужих» местах, растет. Существует температура, выше которой дальний порядок, даже «испорченный», т. е. частичный, существовать не может. Эта температура называется лямбда-точкой (название греческой буквы X). Для сплава железо — кобальт -точка находится при Переход от порядка к беспорядку означает, что тепловое движение взяло верх над «стремлением» атомов располагаться с сохранением дальнего порядка.

Имеется много общего между процессом стирания различий между «чужими» и «своими» местами и процессом плавления. Оба эти процесса заключаются в исчезновении дальнего порядка. Однако при плавлении исчезает дальний порядок в расположении центров атомов, а при переходе через -точку — лишь порядок в расположении атомов различных элементов.

Основной же особенностью строения сплавов типа железо — кобальт является возможность существования частичного дальнего порядка. Такой частичный дальний порядок может существовать только в отношении распределения атомов железа или кобальта, но не в отношении расположения центров атомов.

Так же как и в случае плавления, уничтожение дальнего порядка не означает исчезновения порядка вообще — ближний порядок остается.

Ближний порядок в отношении распределения атомов у кристаллов железо — кобальт заключается в «стремлении» атомов кобальта окружить себя атомами железа (и наоборот). Если взять любой атом и перечислить его восемь ближайших соседей, то окажется, что число атомов другого элемента не будет равно половине общего числа, т. е. четырем. В зависимости от совершенства ближнего порядка атом железа может быть в среднем окружен пятью, шестью или семью атомами кобальта.

Исследования сплава меди с золотом показали, что ближний порядок в нем весьма совершенный и сказывается не только на числе ближайших соседей, но и на числе ближайших к ближайшим и т. д. Если провести ряд сфер около любого атома золота, то окажется, что в первой сфере будут находиться практически лишь одни атомы меди, во второй — лишь одни атомы золота. Далее совершенство ближнего порядка начнет постепенно нарушаться, но будет чувствоваться предпочтение к атомам определенного элемента даже на десятой сфере!

Очень тонкими исследованиями, производимыми при помощи рентгеновских лучей, удалось показать, как происходит «рождение» дальнего порядка в кристаллах сплавов. Опыты на сплавах кобальт — платина показали, что области дальнего порядка растут в беспорядочном кристалле, как зародыши кристалла растут в жидкости. Эти зародышевые области располагаются вполне определенным образом по отношению к осям кристалла.