Виды твердых растворов. Твердый раствор внедрения. Твердый раствор замещения.

По степеням растворимости компонентов различают твердые растворы:

При неограниченной растворимости компонентов кристаллическая решетка компонента растворителя по мере увеличения концентрации растворенного компонента плавно переходит в кристаллическую решетку растворенного компонента.

Теория сплавов. Основы теории сплавов.
Механическая смесь. Твердый раствор. Химические соединения.

Для образования растворов с неограниченной растворимостью необходимы:

  1. изоморфность (однотипность) кристаллических решеток компонентов;
  2. близость атомных радиусов компонентов, которые не должны отличаться более чем на 8…13 %;
  3. близость физико-химических свойств подобных по строение валентных оболочек атомов.

При ограниченной растворимости компонентов возможна концентрация растворенного вещества до определенного предела. При дальнейшем увеличении концентрации однородный твердый раствор распадается с образованием двухфазной смеси.

По характеру распределения атомов растворенного вещества в кристаллической решетке растворителя различают твердые растворы:

  • замещения;
  • внедрения;
  • вычитания.

В растворах замещения в кристаллической решетке растворителя часть его атомов замещена атомами растворенного элемента (рисунок, позиция а). Замещение осуществляется в случайных местах, поэтому такие растворы называют неупорядоченными твердыми растворами.

Кристаллическая решетка твердых растворов

а — замещения; б — внедрения

При образовании растворов замещения периоды решетки изменяются в зависимости от разности атомных диаметров растворенного элемента и растворителя. Если атом растворенного элемента больше атома растворителя, то элементарные ячейки увеличиваются, если меньше – сокращаются. В первом приближении это изменение пропорционально концентрации растворенного компонента. Изменение параметров решетки при образовании твердых растворов – важный момент, определяющий изменение свойств. Уменьшение параметра ведет к большему упрочнению, чем его увеличение.

Диаграмма железо-углерод. Диаграмма состояния железо-углерод. Диаграмма железо-цементит. Диаграмма состояния железо-цементит.

Твердые растворы внедрения образуются внедрением атомов растворенного компонента в поры кристаллической решетки растворителя (рисунок, позиция б). Образование таких растворов, возможно, если атомы растворенного элемента имеют малые размеры. Такими являются элементы, находящиеся в начале периодической системы Менделеева, углерод, водород, азот, бор. Размеры атомов превышают размеры межатомных промежутков в кристаллической решетке металла, это вызывает искажение решетки и в ней возникают напряжения. Концентрация таких растворов не превышает 2-2.5%

Твердые растворы вычитания или растворы с дефектной решеткой. Образуются на базе химических соединений, при этом возможна не только замена одних атомов в узлах кристаллической решетки другими, но и образование пустых, не занятых атомами, узлов в решетке.

Дефекты кристаллического строения. Точечные дефекты.
Дефекты кристаллического строения. Линейные дефекты. Теория дислокаций. Плотность дислокаций.

К химическому соединению добавляют, один из входящих в формулу элементов, его атомы занимают нормальное положение в решетке соединения, а места атомов другого элемента остаются, незанятыми.