Что называется твердым раствором внедрения

21. Твердые растворы замещения и внедрения; промежуточные фазы; сверхструктуры

21. Твердые растворы замещения и внедрения; промежуточные фазы; сверхструктуры

Твердые растворы – это фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других компонентов располагаются в решетке первого компонента, изменяя ее размеры (периоды). Твердый раствор, который состоит из двух компонентов, имеет один тип решетки и представляет одну фазу.

Различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения. При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке.

При кристаллизации чистого металла в системе имеются две фазы: жидкая (расплавленный металл) и твердая (зерна затвердевшего металла). В твердых сплавах фазы – это зерна чистого металла, зерна твердого раствора и зерна химического соединения.

Все металлы в жидком состоянии растворяются один в другом в любых соотношениях. В результате растворения образуется однородный жидкий раствор с равномерным распределением атомов одного металла среди атомов другого металла.

Некоторые металлы, сильно различающиеся размерами атомов, не растворяются в жидком состоянии, а немногие металлы растворяются в жидком состоянии ограниченно.

При образовании сплавов в процессе их затвердевания возможно различное взаимодействие компонентов.

Если в процессе кристаллизации сила взаимодействия между однородными атомами окажется больше силы взаимодействия между разнородными атомами, то после кристаллизации образуется механическая смесь, состоящая из зерен чистых металлов. В этом случае в твердом сплаве будут присутствовать зерна одного чистого металла и рядом с ними зерна другого чистого металла. Такая форма взаимодействия возникает при большом различии в свойствах входящих в сплав металлов.

Другой формой взаимодействия между веществами, входящими в состав сплава, является образование твердых растворов.

Твердыми растворами называют такие твердые фазы, в которых соотношения между компонентами могут изменяться. В твердом растворе так же, как и в чистых металлах, атомы в пространстве расположены закономерно, образуя кристаллическую решетку. Этим они и отличаются от жидких растворов. В твердом растворе одно из входящих в состав сплава веществ сохраняет присущую ему кристаллическую решетку, а второе вещество, утратив свое кристаллическое строение, в виде отдельных атомов распределяется в кристаллической решетке первого. Первое вещество является растворителем, а второе – растворимым. В зависимости от характера21б распределения атомов растворимого элемента различают твердые растворы внедрения, замещения и вычитания. Независимо от типа твердого раствора общим для них является то, что они однофазны и существуют в интервале концентраций. Для твердых растворов характерны металлические связи. В твердых растворах внедрения атомы растворимого элемента распределяются в кристаллической решетке металла-растворителя, занимая места между его атомами.

Ранее было отмечено, что у металлов атомы в кристаллической решетке располагаются близко один к другому и пустоты между ними имеют малые размеры. Разместиться в таких пустотах могут только атомы с очень малыми размерами.

Наименьшие размеры атомов имеют некоторые металлоиды – водород, азот, углерод, бор, которые и образуют с металлами твердые растворы внедрения. Но и у этих элементов размер атомов несколько превышает размер межатомных промежутков в кристаллической решетке металлов, поэтому при образовании твердых растворов внедрения решетка искажается и в ней возникают напряжения. При этом концентрация твердого раствора внедрения не может быть высокой: она редко превышает 1–2%.

В твердых растворах замещения атомы растворимого элемента занимают места атомов основного металла. Посторонние атомы могут замещать атомы растворителя в любых местах, поэтому такие растворы называют неупорядоченными твердыми растворами. Размеры атомов растворимого элемента отличаются от размеров атома растворителя (они больше или меньше), поэтому при образовании твердого раствора замещения кристаллическая решетка металла-растворителя немного искажается, не утрачивая при этом своего основного строения.

Твердые растворы замещения могут быть ограниченными и неограниченными. Одно из условий неограниченной растворимости – размерный фактор: чем больше различие в атомных радиусах, тем меньше растворимость.

С понижением температуры в твердых растворах замещения может произойти процесс перераспределения атомов, а результате которого атомы растворенного элемента займут строго определенные места в решетке растворителя. Такие твердые растворы называют упорядоченными твердыми растворами, а их структуру – сверхструктурой.

Температуру перехода неупорядоченного состояния в упорядоченное называют точкой Курнакова. Упорядоченные твердые растворы характеризуются большей твердостью, меньшей пластичностью и электросопротивлением. Их можно рассматривать как промежуточные фазы между твердыми растворами и химическими соединениями.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Читайте также

Операторы рождения нового и исчезновения старого Качества. Фазы

Операторы рождения нового и исчезновения старого Качества. Фазы В одном из сюжетов телепередачи «Мнения знатоков» (Вассерман, Латыпов, 2012, С. 238–242) рассказывалось о том, как Антони ван Левенгук в 1673 году открыл одноклеточные микроорганизмы. Случилось это благодаря тому

Твердые, как алмазы

Твердые, как алмазы Очень высокая прочность и большая твердость материала достигается в искусственных композициях, которые еще в большей степени повторяют структуру булата. Принцип их создания давно известен. Подобно тому как в природном бамбуке мягкая целлюлозная

ЛЕКЦИЯ № 10. Твердые и сверхтвердые сплавы

ЛЕКЦИЯ № 10. Твердые и сверхтвердые сплавы 1. Твердые сплавы и режущая керамика Твердые сплавы и режущую керамику получают с помощью методов порошковой металлургии. Порошковая металлургия – область техники, охватывающая совокупность методов изготовления

1. Твердые сплавы и режущая керамика

1. Твердые сплавы и режущая керамика Твердые сплавы и режущую керамику получают с помощью методов порошковой металлургии. Порошковая металлургия – область техники, охватывающая совокупность методов изготовления металлических порошков из металлоподобных соединений,

3. Строительные растворы

3. Строительные растворы При строительстве зданий и сооружений с применением кирпича, стеновых блоков и панелей используются различные строительные растворы. Когда выполняют кирпичную кладку, монтаж стеновых блоков и панелей, применяют цементные растворы, которые

7.2. Внедрение информации модификацией фазы аудиосигнала

7.2. Внедрение информации модификацией фазы аудиосигнала Метод, предлагающий использовать слабую чувствительность системы слуха человека к незначительным изменениям фазы сигнала, был предложен В. Бендером, Н. Моримото и др.Внедрение информации модификацией фазы

8.1. Краткое описание стандарта MPEG и возможности внедрения данных

8.1. Краткое описание стандарта MPEG и возможности внедрения данных Основная идея сжатия по MPEG состоит в том, что из всего потока данных полностью передаются только некоторые кадры, для остальных же передается их отличие от других кадров.Поток видеоданных в MPEG имеет

5.6.3.3 Промежуточные проверки

5.6.3.3 Промежуточные проверки Проверки, необходимые для поддержки доверия к статусу калибровки эталонов сравнения, первичных, переводных или рабочих эталонов и эталонных материалов, должны проводиться в соответствии с определенными процедурами и

Фазы газораспределения

Фазы газораспределения Открывая или закрывая клапаны с некоторым опережением или запаздыванием относительно мертвых точек, можно достичь максимальной мощности двигателя, а также обеспечить хорошее наполнение цилиндров свежей горючей смесью. Моменты открытия и

1.6.5. Промежуточные звенья

1.6.5. Промежуточные звенья Промежуточные звенья предназначены для увеличения и регулирования длины подвески, перехода от одного вида соединения к другому, изменения расположения оси шарнирности соединения арматуры, рассчитанной на разные нагрузки.Промежуточные звенья

Источник

Твердый раствор внедрения

Смотреть что такое «Твердый раствор внедрения» в других словарях:

РАСТВОР ТВЕРДЫЙ ВНЕДРЕНИЯ — син. термина раствор твердый интерстициальный. Геологический словарь: в 2 х томах. М.: Недра. Под редакцией К. Н. Паффенгольца и др.. 1978 … Геологическая энциклопедия

РАСТВОР ТВЕРДЫЙ ИНТЕРСТИЦИАЛЬНЫЙ — к лы нестехиометрического состава, образующиеся в результате вхождения дополнительных атомов в вакантные места структуры. Син.: раствор твердый внедрения. Геологический словарь: в 2 х томах. М.: Недра. Под редакцией К. Н. Паффенгольца и др.. 1978 … Геологическая энциклопедия

Железоуглеродистые сплавы — сплавы железа с углеродом на основе железа. Варьируя состав и структуру, получают Ж. с. с разнообразными свойствами, что делает их универсальными материалами. Различают чистые Ж. с. (со следами примесей), получаемые в небольших… … Большая советская энциклопедия

Аустенит — Фазы железоуглеродистых сплавов Феррит (твердый раствор внедрения C в α … Википедия

Цементит — Фазы железоуглеродистых сплавов Феррит (твердый раствор внедрения C в α железе с объемно центрированной кубической решеткой) Аустенит (твердый раствор внедрения C в γ железе с гранецентрированной кубической решеткой) Цементит (карбид железа; Fe3C … Википедия

Карбид железа — Цементит Фазы железоуглеродистых сплавов Феррит (твердый раствор внедрения C в α железе с объемно центрированной кубической решеткой) Аустенит (твердый раствор внедрения C в γ железе с гранецентрированной кубической решеткой) Цементит (карбид… … Википедия

Нержавеющая сталь — Фазы железоуглеродистых сплавов Феррит (твердый раствор внедрения C в α железе с объемно центрированной кубической решеткой) Аустенит (твердый раствор внедрения C в γ железе с гранецентрированной кубической решеткой) Цементит (карбид железа; Fe3C … Википедия

Нержавейка — Нержавеющая сталь Фазы железоуглеродистых сплавов Феррит (твердый раствор внедрения C в α железе с объемно центрированной кубической решеткой) Аустенит (твердый раствор внедрения C в γ железе с гранецентрированной кубической решеткой) Цементит… … Википедия

Феррит (фаза) — У этого термина существуют и другие значения, см. Феррит. Феррит (фаза) Фазы железоуглеродистых сплавов Феррит (твердый раствор внедрения C в α железе с объемно центрированной кубической решеткой) Аустенит (твердый раствор внедрения C в γ железе… … Википедия

Ферит (в железе) — Феррит (фаза) Фазы железоуглеродистых сплавов Феррит (твердый раствор внедрения C в α железе с объемно центрированной кубической решеткой) Аустенит (твердый раствор внедрения C в γ железе с гранецентрированной кубической решеткой) Цементит… … Википедия

Источник

Различные типы твердых растворов

При охлаждении и кристаллизации образуются твердые растворы и промежуточные фазы.

Твердый раствор — это такая фаза, в которой атомы одного компонента размещаются в кристаллической решетке другого компонента. Твердый раствор сохраняет кристаллическую решетку основного компонента (или растворителя). В зависимости от того, в каких местах кристаллической решетки находятся атомы растворенного компонента, различают твердые растворы замещения и внедрения. На рис. 2.10. показаны различные типы твердых растворов.

Твердые растворы замещения образуются только металлами. Различают твердые растворы с неограниченной (или полной) и ограниченной растворимостью. Для полной растворимости двух или более элементов необходимо, чтобы они имели одинаковый тип кристаллической решетки, то есть были изоморфными, атомные размеры компонентов не должны отличаться более, чем на 15 %, а для железа, например, — 8 %. Растворимость зависит от валентности компонентов. Элементы с высокой валентностью лучше растворяются в элементах с низкой валентностью. Если для элементарной ячейки количество валентных электронов на один атом (или электронная концентрация) достигает критического значения, то наступает предельная растворимость компонентов: для ГЦК решетки критическая электронная концентрация равна 1,36, а О ЦК решетки — 1,48.

В связи с большим количеством ограничений для полной растворимости компонентов чаще встречаются твердые растворы замещения с ограниченной растворимостью. Твердые растворы замещения, также, как любые фазы переменного состава, обозначаются греческими буквами: ос, р, у, 6 и т. д.

Упорядоченные твердые растворы, для которых расположение атомов растворенного элемента в кристаллической решетке основного элемента имеет определенную закономерность, иногда обозначают химической формулой, например, Cu3Au или CuAu. Перестройка структуры твердого раствора при переходе от одного упорядоченного состояния в другое влияет на физические и механические свойства сплавов. При этом структурных изменений под микроскопом чаще всего не наблюдается. Упорядоченность может быть уменьшена или полностью устранена при пластической деформации.

Твердые растворы внедрения чаще всего образуются металлами переходных групп и неметаллами с малым атомным радиусом (г

Источник

Твердые растворы внедрения

Твердые раст­воры внедрения образуются только в тех условиях, когда диаметр атома растворенного элемента невелик.

Твердые растворы этого типа получаются лишь при раство­рении в металле (например, в железе, молибдене, хроме и т. д.) углерода (атомный радиус 0,077 нм), азота (0,071 нм), водорода (0,046 нм), т. е. элементов с малым атомным радиусом. Твердые растворы внедрения могут быть только ограниченной концентра­ции, поскольку число пор в решетке ограничено, а атомы основ­ного компонента сохраняются в узлах решетки. Роль этого вида твердого раствора значительна в сталях и чугунах.

Твердые растворы, устойчивые при сравнительно низких температурах, получили название упорядоченных твердых раст­воров, или сверхструктур.

Полностью упорядоченные растворы образуются, когда отно­шение компонентов в сплаве равно целому числу: 1:1, 1:2, 1 : 3 и т. д. В этом случае сплава с упорядоченной структурой можно приписать формулу химического соединения, например, CuAu или Cu₈Au.

Упорядоченные твердые растворы можно рассматривать как промежуточные фазы между твердыми растворами и химическими соединениями. Правильное расположение атомов обоих компо­нентов в решетке и резкое изменение свойств характерно для химических соединений. Однако в упорядоченных твердых раст­ворах в отличие от химического соединения сохраняется решетка растворителя, и при нагреве до определенной температуры (точки Курнакова) степень упорядочения постепенно уменьшается, а выше этой температуры твердый раствор становится неупорядоченным.

Образование упорядоченных твердых растворов сопровож­дается изменением физических (магнитные свойства, электросо­противление и др.) и механических свойств. Прочность обычно возрастает, а пластичность ухудшается.

ХИМИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Химические соединения и родственные им по природе фазы в металлических сплавах многообразны. Характерные особен­ности химических соединений, образованных по закону нормаль­ной валентности, приведены ниже.

Кристаллическая решетка отличается от решеток компо­нентов, образующих соединение.

В соединении всегда сохраняется простое кратное соотношение компонентов. Это позволяет выразить их состав простой
формулой AnBm, где А и В — соответствующие элементы; n и
m — простые числа.

Свойства соединения резко отличаются от свойств образующих его компонентов.

Температура плавления (диссоциации) постоянная.

Образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.

В отличие от твердых растворов химические соединения обычно образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток.

В качестве примера типичных химических соединений с нор­мальной валентностью можно указать на соединения магния с элементами IV—VI групп периодической системы. Соединения одних металлов с другими носят общее название интерметаллидов, или интерметаллических соединений.

Соединения металла с неметаллом (нитриды, карбиды, гид­риды и т. д.), которые могут обладать металлической связью, нередко также называют металлическими соединениями.

Большое число химических соединений, образующихся в ме­таллических сплавах, отличается по некоторым особенностям от типичных химических соединений, так как не подчиняется зако­нам валентности и не имеет постоянного состава.

Ниже будут рассмотрены наиболее важные химические соеди­нения, образующиеся в сплавах.

Фазы внедрения.

Переходные металлы (Fe, Mn, Cr, Mo и др.) образуют с углеродом, азотом, бором и водородом, т. е. с элемен­тами, имеющими малый атомный радиус, соединения: карбиды, нитриды, бориды и гидриды. Они имеют общность строения и свойств и часто называются фазами внедрения.

Фазы внедрения имеют формулу М₄Х (Fe₄N, Mn₄N и др.), (WC, VC, TiC, NbC, TiN, VN и др.).

Кристаллическая структура фаз внедрения определяется соот­ношением атомных радиусов неметалла (Rx) и металла (Rм). Если rx/rm

Рассмотренные выше твердые растворы внедрения образуются при значительно меньшей концентрации второго компонента (С, N, Н) и имеют решетку металла растворителя, тогда как фазы внедрения получают кристаллическую решетку, отличную от решетки металла.

Источник

Твердые растворы

Твердыми растворами называют однородные кристаллические фазы перемен­ного состава.

Рис. 10. Типы твердых растворов: а — замещения; б — внедрения; в — вычитания

Твердые растворы не являются каким-то исключительным явле­нием. Наоборот, это весьма характерное состояние реальных ве­ществ, поскольку не существует веществ абсолютно нерастворимых друг в друге в твердом состоянии. Точно так же практически не су­ществует соединений с координационными решетками, состав ко­торых всегда точно соответствовал бы стехиометрическому составу.

Твердые растворы замещения. Если атомы или ионы одного ве­щества, внедряясь в решетку другого вещества, замещают его соб­ственные атомы или ионы в узлах решетки, возникают твердые рас­творы замещения.

Твердыми растворами замещения называются такие растворы, которые об­разуются в результате статистического замещения атомов или ионов в структуре какого-либо кристаллического вещества (растворители или матрицы) атомами или ионами другого (растворенного) вещества, занимающими в результате этого регулярные узлы кристаллической решетки.

Твердые растворы замещения (рис. 10, а)часто называют так­же смешанными кристаллами и изоморфными смесями, а процесс образования твердых растворов замещения называют изоморфным замещением.

При образовании твердых растворов замещения в принципе за­мещать друг друга могут как катионы, так и анионы.

Некоторые вещества могут образовывать твердые растворы весьма легко, например при их совместной кристаллизации из рас­творов. Однако чаще всего, например в силикатных системах, для образования твердых растворов требуется значительная энергия активации, поэтому их возникновение связано с различными терми­ческими процессами (нагреванием до высокой температуры, плав­лением с последующей кристаллизацией, гидротермальными про­цессами).

Способность атомов или ионов входить в структуру другого ве­щества определяется, с одной стороны, индивидуальными свойст­вами атомов или ионов (размер, заряд, электронное строение) и, с другой стороны, особенностями кристаллической структуры ве­ществ, образующих твердые растворы.

Твердые растворы внедрения.Атомы или ионы одного вещества могут не замещать атомы или ионы другого, а располагаться в про­межутках между ними (рис. 10, б). В этом случае возникают твер­дые растворы внедрения.

Следует отметить, что твердые растворы внедрения в отличие от твердых растворов замещения могут быть только ограниченны­ми, поскольку обычно при определенной концентрации растворя­ющегося компонента напряжения в решетке за счет внедряющихся атомов становятся столь значительными, что существование устой­чивого твердого раствора мало вероятно.

Дефекты нестехиометрии.В настоящее время установлено, что практически все химические соединения в твердом состоянии с ко­ординационными (атомными, ионными или металлическими) ре­шетками имеют переменный состав, т. е. обнаруживают в той или иной степени отклонения от стехиометрического состава, выража­емого формулой этого соединения. Область составов, лежащих внутри граничных значений нарушения стехиометрического соста­ва, называется областью гомогенности или областью нестехиометрии. Постоянный и неизменный химический со­став, соответствующий стехиометрической формуле, могут иметь только соединения с молекулярными решетками.

Отклонения от стехиометрии являются следствием дефектов ре­шетки (дефектов нестехиометрии), которые могут проявляться в виде избытка (по сравнению со стехиометрическим) катионов вследствие анионных вакансий (КС1, ТhO₂, СеO₂, РbО, ТiO и т. д.) или в результате присутствия катионов в междоузлиях решетки (ZnО, СdO и т. д.), избытка анионов из-за наличия в решетке катионных вакансий (FеО, NiO, FеS, ТiO и т. д.) или присутствия анионов в междоузлиях (UO₂ и т. д.). Возможны и комбинации указанных видов дефектов в одном и том же соединении.

Поскольку нестехиометрические соединения в пределах обла­сти гомогенности представляют собой одну фазу переменного со­става, их можно квалифицировать как твердые растворы. Если на­рушения стехиометрии вызваны наличием в решетке катионных или анионных вакансий, т. е. при недостатке атомов в соответствующей катионной или анионной подрешетке, то такие твердые растворы иногда называют твердыми растворами вычитания (рис. 10, е), если же эти нарушения вызваны избытком катионов или анионов в междоузлиях, то такие твердые растворы можно рассматривать как твердые растворы внедрения собственных ка­тионов или анионов данного соединения в его кристаллическую решетку.

Источник