Твердые растворы.

Такие растворы являются кристаллическими фазами переменного состава. Атомы растворенного элемента В размещаются в кристаллической решетке растворителя — элемента А, либо замещая атомы в узлах решетки, либо внедряясь в междоузлия - поры. В первом случае кристаллы называют твердыми растворами замещения, во втором твердыми растворами внедрения (рис. 1.15). Количество замещенных атомов, так же как и количество внедренных, может изменяться в широких пределах, что и приводит к переменной растворимости твердых растворов. Растворимость может быть неограниченной для твердых растворов замещения и ограниченной для тех и других.

Рис. 1.15. Атомно-кристаллическая структура твердого раствора (схема): а — твердый раствор замещения; б — твердый раствор внедрения

Твердые растворы обозначаются буквами греческого алфавита: и т. д. или А(В), где А растворитель, В-растворенный элемент.

Твердые растворы замещения. Замещение атомов растворителя А атомами растворенного элемента В возможно, если атомные радиусы отличаются не более, чем на 15%. Это условие называют - размера фактор. В твердых растворах атомы растворенного вещества, как правило, распределяются в решетке растворителя статистически. Вокруг атома растворенного вещества возникают местные искажения пространственной решетки. Эти искажения приводят к изменению свойств и к изменению среднего периода решетки. Растворение элементов с меньшим атомным радиусом, чем атомный радиус растворителя, вызывает уменьшение среднего периода решетки, а с большим радиусом увеличение.

Образование твердых растворов всегда сопровождается увеличением электрического сопротивления и уменьшением температурного коэффициента электрического сопротивления; твердые растворы обычно менее пластичны 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 состояний, 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 меди с золотом, меди с никелем, германия с кремнием. В полиморфных металлах встречается неограниченная растворимость в пределах одной модификации пространственной решетки. Например, дает неограниченный ряд твердых растворов с хромом (ОЦК решетка), неограниченный ряд твердых растворов с никелем (ГЦК решетка).

Многие твердые растворы замещения при относительно невысоких температурах способны находиться в упорядоченном состоянии, т. е. вместо статистического распределения разносортных атомов в узлах пространственной решетки атомы одного и другого металла размещаются в совершенно определенном порядке. Такие твердые растворы называют упорядоченными; используется также термин «сверхструктура».

Переход из неупорядоченного в упорядоченное состояние происходит при определенной температуре или в определенном интервале температур. Температура, при которой твердый раствор полностью разупорядочивается, называется точкой Курнакова и обозначается 0К. Упорядочение происходит обычно только при медленном охлаждении твердого раствора из температурной области выше 0К.

Упорядоченные твердые растворы встречаются в системах с значительной или неограниченной растворимостью в твердом состоянии; при этом полная упорядоченность возникает при концентрациях твердого раствора, соответствующих простым атомным соотношениям компонентов типа или Частичная упорядоченность наблюдается при составах, близких к указанным. Расположение атомов в упорядоченных твердых растворах двух сплавов меди с золотом, составов, соответствующих концентрациям показано на рис. 1.16.

Возникновение и исчезновение порядка в расположении атомов твердых растворов сопровождается изменением свойств.

При упорядочении возрастают электропроводность, температурный коэффициент электрического сопротивления, твердость и прочность; снижается пластичность сплава. У ферромагнитных сплавов изменяются магнитные свойства: например, у пермаллоев (магнитные сплавы железа с никелем) при упорядочении в несколько раз снижается магнитная проницаемость.

Рис. 1.16. Кристаллическая решетка сплавов меди с золотом: а — неупорядоченный твердый раствор; б — упорядоченный твердый раствор (сплав состава ); в — упорядоченный твердый раствор (сплав состава )

Некоторые сплавы в неупорядоченном состоянии парамагнитны, а после упорядочения становятся ферромагнитными, например, сплавы Гейслера

Твердые растворы внедрения. Такие твердые растворы возникают при сплавлении переходных металлов с неметаллами, имеющими малый атомный радиус - Н, N, С, В.

Основным условием, определяющим возможность растворения путем внедрения, является размерный фактор. Размер межузельного атома должен быть равным или несколько больше размера поры.

Твердые растворы внедрения всегда имеют ограниченную растворимость и встречаются преимущественно тогда, когда растворитель имеет ГПУ или ГЦК решетки, в которых имеются поры с радиусом 0,41 Я, где радиус атома растворителя. В ОЦК решетке растворимость путем внедрения мала, так как размер пор не превосходит

Примером твердых растворов внедрения, имеющих промышленное значение, являются твердые растворы углерода в с ГЦК решеткой растворяет до 2,14% (по массе) углерода; с ОЦК решеткой почти не растворяет углерод, максимальная растворимость составляет около 0,02% (по массе).

Искажения решетки, которые появляются при образовании твердых растворов внедрения, превышают те, которые возникают при образовании твердых растворов замещения, в связи с чем более резко изменяются и свойства. По мере увеличения концентрации растворенного элемента в твердом растворе заметно возрастают электрическое сопротивление, коэрцитивная сила, твердость и прочность, но заметно 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 хорошей технологической пластичностью: хорошо деформируются в горячем состоянии, а многие и в холодном состоянии.

Твердые растворы составляют основу большинства промышленных конструкционных сплавов и сплавов специального назначения.