Смесей, твердых растворов и химических соединений

Чистые металлы находят довольно ограниченное применение. Их используют главным образом в электрорадиотехнике (проводниковые, электровакуумные и другие материалы). Основными конструкционными материалами являются металлические сплавы.

Сплав – это вещество, полученное сплавлением двух или более элементов (компонентов). Сплав, приготовленный преимущественно из металлов, называют металлическим. Металлические сплавы можно получать также методами порошковой металлургии, диффузией и другими способами.

Наибольшее применение сплавов в технике объясняется тем, что они обладают более ценными, чем чистые металлы, комплексами механических, физических и технологических свойств. Почти все металлы в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях. В результате растворения образуется однородный жидкий раствор с равномерным распределением одного металла (А) в другом (В).

При образовании сплавов в процессе их затвердевания возможно различное взаимодействие металлов. Если в процессе кристаллизации сила взаимодействия между однородными ядрами окажется больше таковой для неоднородных частиц, то после затвердевания жидких растворов образуется механическая смесь (рис. 1.17). В этом случае в твердом сплаве будут присутствовать зерна двух чистых металлов, отчетливо выявляемых на микроструктуре. Такой тип взаимодействия возникает при большом различии свойств входящих в сплав компонентов (металлов и неметаллов).

Второй вид взаимодействия компонентов в сплавах приводит к формированию твердых растворов (рис. 1.18). В них так же, как и в чистых металлах, ионы в пространстве расположены закономерно, образуя кристаллическую решетку. Здесь один из входящих в состав сплава компонентов сохраняет свою первоначальную решетку, а у второго элемента происходит ее нарушение, и его ядра распределяются в решетке первого. Поэтому данные компоненты сплава называются соответственно растворителем и растворенным веществом.

A B	А(В)
Рис. 1.17 - Микроструктура механической смеси	Рис. 1.18 - Микроструктура твердого раствора

В зависимости от характера распределения остовов растворимого элемента в сплаве различают твердые растворы замещения, внедрения и вычитания (рис. 1.19). В твердых растворах замещения катионы растворимого элемента занимают места таковых основного металла (рис. 1.19, а). Посторонние атомы могут вытеснять частицы растворителя в любых местах, поэтому такие растворы называют неупорядоченными твердыми.

Рис. 1.19 - Схема твердых растворов: а – замещения, б – внедрения.

Размеры ядерных остовов растворимого элемента всегда отличаются от габаритов частиц растворителя, 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 расстояниях между ионами элементов, тем меньше их растворимость. Неограниченная растворимость компонентов присуща системам, в которых ионные радиусы элементов отличаются не более чем на 8 – 15 %. Кроме того, они должны быть изоморфными (иметь близкие по типу и по параметрам кристаллические решетки).

В твердых растворах внедрения частицы растворимого элемента распределяются в кристаллической решетке металла-растворителя, занимая места между его ядрами (рис. 1.19, б). У металла структурные единицы его кристаллической решетки располагаются близко друг к другу и пустоты между ними достаточно малы. Разместиться в таких каналах могут только вещества с минимальными межъядерными расстояниями. Наименьшие размеры катионов имеют некоторые неметаллы: а именно, водород, азот, углерод и бор, которые и образуют с металлами твердые растворы внедрения. Но и у них межатомные расстояния несколько превышают радиусы в кристаллической решетке металлов, поэтому при формировании твердых растворов внедрения решетка также нарушается и в ней возникают напряжения. При этом концентрация таких растворов не может быть высокой: она редко превышает 1 – 2 % (рис. 1.20).

Рис. 1.20 - Искажения кристаллической решетки при образовании твердого раствора замещения (В) и внедрения (С) – а, б, в, г, - предпочтительные расположения растворенных катионов вблизи ядра дислокации

Независимо от типа твердого раствора общим для них является то, что они однофазны и существуют в определенном интервале концентраций. Для данных твердых растворов характерен металлический тип связи.

Твердые растворы вычитания (их иногда называют растворами с дефектной решеткой) образуются на основе некоторых химических соединений, когда к нему добавляется один из входящих в его состав компонентов (растворимый). Его атомы занимают нормальные положения в решетке соединения, а места, где должны были бы располагаться частицы второго составляющего, оказываются незаполненными пустотами. Такие растворы формируются, например, при сплавлении карбида титана TiC c Ti, при окислении железа, когда кислород растворяется в оксиде железа(II) – FeO.

Третьей формой взаимодействия между составляющими в сплавах является образование химических соединений. Они имеют ряд особенностей: соотношение чисел ядер элементов в них строго определенное и соответствует стехиометрическому составу, описывающему формулой А_nB_m; они обладают кристаллической решеткой с упорядоченным расположением в ней ядерных остовов компонентов; свойства их заметно отличаются от таковых исходных элементов; они имеют постоянную температуру плавления.