Какая связь между твердым раствором и свойствами сплава

Твёрдые растворы — фазы переменного состава, в которых атомы различных элементов расположены в общей кристаллической решётке.

Классификация[править | править код]

Могут быть неупорядоченными (с хаотическим расположением атомов), частично или полностью упорядоченными. Экспериментально упорядоченность определяют, главным образом, рентгеновским структурным анализом.

Способность образовывать твёрдые растворы свойственна всем кристаллическим твёрдым телам. В большинстве случаев она ограничена узкими пределами концентраций, но известны системы с непрерывным рядом твёрдых растворов (например, Cu—Au, Ti—Zr, GaAs—GaP). По существу, все кристаллические вещества, считающиеся чистыми, представляют собой твёрдые растворы с очень малым содержанием примесей.

Различают три вида твёрдых растворов:

• твёрдые растворы замещения;
• твёрдые растворы внедрения;
• твёрдые растворы вычитания.

Согласно полуэмпирическим правилам Юм-Розери[1], непрерывный ряд твёрдых растворов замещения в металлических системах образуются лишь теми элементами, которые, во-первых, имеют близкие по размерам атомные радиусы (отличающиеся не более чем на 15 %) и, во-вторых, находятся не слишком далеко друг от друга в электрохимическом ряду напряжений. При этом элементы должны иметь один и тот же тип кристаллической решётки. В твёрдых растворах на основе полупроводников и диэлектриков, благодаря более «рыхлым» кристаллическим решёткам образование твёрдых растворов замещения возможно и при большем различии атомных радиусов.

Если атомы компонентов существенно различаются по размерам или электронной структуре, возможно внедрение атомов одного элемента в междоузлия решётки, образованной другим элементом. Подобные твёрдые растворы часто образуются при растворении неметаллов (B, H2, O2, N2, C) в металлах[2].

Твёрдые растворы вычитания, возникающие за счёт появления в кристаллической решётке вакантных узлов, образуются при растворении одного из компонентов в химическом соединении и характерны для нестехиометрических соединений.

Природные минералы часто представляют собой твёрдые растворы (смотрите Изоморфизм в кристаллах). Образование твёрдых растворов при легировании элементов и соединений имеет большое значение в производстве сплавов, полупроводников, керамики, ферритов.

Твёрдые растворы — основа всех важнейших конструкционных и нержавеющих сталей, бронз, латуней, алюминиевых и магниевых сплавов высокой прочности. Свойства твёрдых растворов регулируют их составом, термической или термомеханической обработкой. Легированные полупроводники и многие сегнетоэлектрики, являющиеся основой современной твердотельной электроники, также являются твёрдыми растворами.

При распаде твёрдых растворов сплавы приобретают новые свойства. Наиболее ценными качествами обладают сплавы с очень тонкой неоднородностью — так называемые дисперсионно-твердеющие, или стареющие твёрдые растворы. Дисперсионное твердение может наблюдаться и при распаде твёрдых растворов на основе соединений, например, нестехиометрических шпинелей.

Модель регулярного раствора[править | править код]

Для изучения свойств реальных твёрдых растворов может быть использована модель регулярного раствора.
Данная модель является более строгой по сравнению с моделью идеальных растворов.

В основе модели лежат следующие приближения:

1. Квазихимическое приближение. Согласно этому приближению, взаимодействие между атомами не зависит от состава раствора. Это приводит к тому, что длина связей также не зависит от состава. Несложно убедиться, что для такого случая объём смешения равен нулю и энтальпия смешения совпадает с внутренней энергией смешения. При расчете потенциальной части внутренней энергии, как правило, ограничиваются только ближайшими соседями.
2. Распределение атомов считается случайным. Взаимодействие между атомами считается малым и не может повлиять на их распределение. Поэтому конфигурационная энтропия регулярного раствора совпадает с таковой для идеального. Обоснованность этого приближения в реальных растворах увеличивается с ростом температуры.

Рассмотрим образование регулярного раствора на примере смешения двух образцов с атомами типа A и B. Потенциальная энергия образцов:

,

где  — количество связей между атомами и их энергия в образце A.

После смешивания:

Если  — координационное число, то для количеств связей можно записать следующие выражения:

где  — число атомов типа A.

После подстановки получаем для E:

,

где последнее слагаемое описывает изменение энергии при смешении.

Используя тот факт, что атомы в растворе распределены случайно, найдем . Каждый атом B имеет соседей. Среднее количество атомов A вокруг атома B должно быть пропорционально концентрации атомов A в системе.

Тогда имеем:

Количество связей A-B:

,

где .

Наконец, имеем выражение для потенциальной энергии смешения регулярного раствора:

Примечания[править | править код]

См. также[править | править код]

• Изоморфизм в кристаллах
• Металловедение

Литература[править | править код]

• Инденбаум Г. В. Химический Энциклопедический Словарь. Гл. ред. И. Л. Кнунянц. — Москва: Советская энциклопедия, 1983. — 792 с.
• Хачатурян А. Г. Теория фазовых превращений и структура твёрдых растворов. — Москва: Металлургия, 1974.
• В. Юм-Розери. Введение в физическое металловедение. — Пер. с англ. В. М. Глазова и С. Н. Горина. — Москва: Металлургия, 1965. — 203 с.
• Дж. Д. Фаст. Взаимодействие металлов с газами. — Пер. с англ. Л. П. Емельяненко и А. И. Рогова под ред. Л. А. Шварцмана. — Москва: Металлургия, 1975. — 350 с.

Сплавы металлов

Сплавы металлов. Сплавы золота, серебра и меди

При сплавлении чистых металлов изменяется их строение: узлы кристаллической решётки либо сближаются, либо раздвигаются. При этом появляются дополнительные напряжения, которые создают дополнительные силы между атомами в металле. Именно поэтому сплавы металлов значительно прочнее и твёрже чистых металлов. У сплавов бывают такие магнитные и механические свойства, каких не было у чистых металлов. Например, самые лучшие постоянные магниты делают из сплавов магния, никеля и кобальта, из алюминия, никеля и кобальта или сплава кобальта с редкоземельным металлом самарием (Sm).

Чугун — это сплав чистого железа с углеродом, в котором углерода от 2,14% до 4 %. Чугун твёрже железа, но более хрупкий, имеет отличные литейные свойства (намного лучше, чем чистое железо).

Сталь — это тоже сплав железа с углеродом, но углерода здесь до 2,14%. Из стали (считается чистое железо) изготавливают трубы, боты, гвозди, скрепки, инструмент. Имеется большое количество разновидностей сталей, у которых в состав кроме углерода входят другие чистые металлы (легирующие элементы), придающие им различные прочностные свойства.

К самым распространённым цветным сплавам относятся:

—бронза — сплав на основе меди с добавкой до 20% олова;

—латунь — медный сплав, содержащий от 10 до 50% цинка;

—мельхиор — сплав 80% меди и 20% никеля;

—дюралюминий — сплав на основе алюминия с добавкой 2% магния, 2-5 % меди, 1% марганца и никеля.

Твёрдые растворы

При охлаждении жидких растворов из них могут кристаллизоваться твёрдые растворы. Их природа различна и зависит от компонентов, составляющих твёрдый раствор. Образующиеся твёрдые растворы состоят из кристаллов, в узлах кристаллических решёток которых расположены ионы, атомы, молекулы веществ, из которых состоит твёрдый раствор.

Если размеры и форма кристаллических решёток составляющих компонентов близки, то эти такие компоненты могут растворяться друг в друге в неограниченных количествах и образовывать твёрдые растворы.

Виды твёрдых растворов

С помощью Рентгенографического исследования обнаружили, что твёрдые растворы делятся на 2 вида:

Твёрдый раствор внедренияТвёрдый раствор замещения

— твёрдые растворы замещения

— твёрдые растворы внедрения

В твёрдых растворах замещения ионы или атомы одного вещества замещают ионы или атомы в кристаллической решётке другого вещества без существенного изменения формы кристалла. существуют так называемые изоморфные твёрдые растворы замещения, то есть состоящие из простых веществ, сходных по параметрам кристаллической решётки и имеющую неограниченную растворимость друг в друге.

Твёрдые растворы внедрения — образуются, когда атомы или ионы одного вещества внедряются (или располагаются между) атомами или ионами другого вещества.

Свойства твёрдых растворов

Свойства твёрдых растворов существенно отличаются от свойств составляющих компонентов. Твёрдые растворы являются технически более ценными, чем чистые компоненты. Они обладают большей твёрдостью, меньшей электрической проводимостью, чем сами металлы — компоненты их составляющие.

В твёрдых растворах различают растворитель и растворённое вещество: растворителем считается вещество, которое сохраняет свою кристаллическую решётку, причём этого вещества (растворителя) должно быть не менее определённого значения.