HomeСложные металлы › Природа сплавов

Природа сплавов

Природа сплавовСплавы представляют сложные тела, получаемые сочетанием более простых, называемых обычно компонентами. В металлических сплавах компонентами бывают большей частью элементы периодической системы, из которых по крайней мере один является металлом, придающим всему сплаву металлический характер.

 

Как показывает само слово «сплав», он образуется путем расплавления компонентов, т. е. в жидком состоянии. В практике обычно получают сплавы в жидком (расплавленном) состоянии; но это необязательный способ получения сплава, так как сплавы можно получать и без расплавления, например, электролизом, возгонкой (сублимацией), спеканием и т. п. Общим требованием для образования сплавов является наличие диффузии компонентов, т. е. их взаимного растворения.

 

Таким образом, сплавы по своей природе должны представлять прежде всего растворы, почему изучение сплавов и основывается на теории растворов, получившей развитие с конца прошлого века в трудах многих ученых, из которых особенно нужно отметить Менделеева, Коновалова и Курнакова.

 

Что же представляют собою растворы и как они образуются? Растворы могут образоваться во всех агрегатных состояниях — газообразном, жидком и твердом.

Не останавливаясь на газовом растворе (не представляющем в нашем изучении большого интереса), начнем с образования жидкого раствора, который чаще всего получают при изготовлении металлических сплавов.

 

Если расплавить один из компонентов (например, металл А) и к нему добавить другой компонент В (все равно, металл или неметалл и в любом состоянии, но только способный растворяться в А), то частицы — атомы компонента В — будут проникать (внедряться) между частицами А благодаря возникающей упругости растворения, образуя новое, сложного состава, тело, которое и представляет жидкий раствор.

 

Для этого тела характерно прежде всего, что оно однородно, т. е. в нем нельзя выделить механически какие-либо составные части: компоненты А и В в нем связаны не механически, а междуатомно и не имеют каких-нибудь поверхностей раздела. Такие физически однородные тела принята называть фазами.

 

Таким образом, полученный жидкий раствор представляет фазу, или однородное тело, образовавшееся благодаря проникновению» частиц (атомов, ионов) одного из компонентов (растворимого) между частицами другого (растворителя), т. е. путем процесса диффузии,, обусловливающего растворение тел.

 

При растворении непрерывно изменяется состав получающегося тела (раствора), который характеризуется его концентрацией, выражаемой обычно в процентах содержания одного из компонентов (например, А q-g-1.00%).

 

Концентрация раствора может быть самой различной, изменение ее может протекать постепенно, и, следовательно, раствор в отличие от химического соединения не имеет определенного химического состава.

 

Итак, жидкий раствор есть однородное жидкое тело, получаемое путем диффузии и не имеющее определенного химического состава. Твердый раствор по существу не отличается от жидкого: он также представляет однородное тело неопределенного состава, получаемое путем диффузии одного компонента (растворимого) в другой (растворитель).

 

Только здесь имеет место диффузия в твердое-тело, имеющее кристаллическое строение, т. е. пространственную решетку, и частицы растворимого компонента (например, В), проникая в растворитель А, будут располагаться в решетке последнего, а не между беспорядочно расположенными, легкоподвижными частицами аморфной жидкости, как в случае жидкого раствора.

 

Рентгенографическим методом установлены два случая образования твердого раствора:

1) частицы (атомы) растворимого при диффузии проникают внутрь ячеек растворителя, не нарушая их строения, и образуют вид решетки твердого раствора, называемой решеткой внедрения;

2) атомы растворимого как бы выталкивают атомы растворителя с мест, занимаемых ими в основной решетке, и замещают их места. Такую решетку твердого раствора называют решеткой замещения.

 

Возникает вопрос, как может происходить подобное замещение атомов в решетке твердого раствора и куда денется смещенный с своего места атом растворителя?

Для объяснения этого нужно представить строение реально существующего твердого тела в свете современной физики. Тот вид, кристаллической решетки, который нами выше рассматривался , где атомы располагались во всех узлах равномерно и правильно, считается идеальным видом решетки, не существующим в действительности.

 

На самом деле в твердых телах кристаллическая решетка всегда заключает ряд дефектов, нарушающих правильность ее строения. Такими дефектами являются прежде всего вакантные узлы («вакансии») и дислоцированные атомы. Под первыми понимают свободное место в узле, не занятое атомом. Наряду с этим в решетке могут встретиться и атомы, расположенные не в узлах, а между ними (в «междоузлиях»): это и будут дислоцированные атомы.

 

Схематически наличие таких дислоцированных атомов и вакансий. Хотя таких дефектных мест относительно немного в решетке и последняя в большей своей массе сохраняет правильное строение, тем не менее присутствие указанных дефектов свидетельствует о том, что в решетке могут происходить смещения атомов в вакантные места или междоузлия, причем положение этих дефектных мест также непрерывно изменяется.

 

Таким образом, в решетке, тепловое движение атомов заключается не только в их колебательном движении, но и в поступательном перемещении, то восстанавливая нормальное строение решетки, то нарушая его, образуя дефектные места.

 

Такое поступательное движение одних и тех же атомов в решетке простого тела носит название самодиффузии. Обнаружить ее в чистом металле затруднительно ввиду тождественности перемещающихся атомов. Но когда в решетке появляются инородные атомы, получается явление диффузии, которое легко обнаруживается химическим анализом, показывающим, какое количество вещества растворимого проникло в массу растворителя.

 

Присутствие указанных дефектов в решетке, объясняющих процессы самодиффузии и диффузии, дает объяснение и процессу образования решетки замещения в твердых растворах.

 

С присутствием дефектов в кристаллической решетке можно связать еще один (третий) вид решетки твердого раствора, которую называют решеткой вычитания; в ней наблюдается определенное число незанятых (вакантных) узлов, почему ей и дано ее название. Однако такая решетка в металле встречается редко и присуща только сплавам, представляющим химические соединения.

 

Итак, при образовании сплавов могут получаться растворы, которые в твердом состоянии имеют кристаллическую решетку внедрения или замещения. Кроме раствора, при получении сплавов, как частный случай, могут образоваться химические соединения. Как известно, химические соединения характеризуются постоянным и определенным составом, позволяющим выразить их соответствующей формулой, которую в общем случае можно представить в виде АтВп, где А и В — соответствующие элементы (компоненты), образующие сплав, а т и п — простые целые числа.

 

В жидком состоянии, если соединение прочное (не разлагающееся), сплав должен состоять из молекул соответствующего соединения. В твердом же сплаве будет кристаллическая решетка, которая может быть иногда составлена такими же молекулами.

 

Чаще же решетка твердого химического соединения бывает образована атомами, как в твердом растворе, но в отличие от последнего атомы компонентов располагаются в ней в совершенно определенных узлах и, следовательно, в определенном количественном соотношении соответственно формуле (АтВп).

 

На фиг. 40 показана ячейка подобной решетки химического соединения, где атомы одного компонента (например, А — белые кружки) занимают места только по углам ячейки в количестве восьми, а другого (В — черные кружки) — только в центре граней в количестве шести.

 

Формула, отвечающая этому соединению, будет, однако, не Л8В6, а АВ3, так как, учитывая не одну ячейку, а всю решетку, содержащую много ячеек, можно легко видеть, что угловые атомы будут относиться к восьми прилегающим ячейкам и, следовательно, на одну ячейку придется лишь по одному атому Л, в центре граней атомы принадлежат лишь к двум смежным ячейкам, т. е. из шести атомов на одну ячейку приходится всего лишь три атома В.

 

Решетка химического соединения с определенным расположением атомов компонентов носит название упорядоченной решетки, в отличие от неупорядоченной, с произвольным взаимным расположением атомов, свойственной твердым растворам. Упорядоченное расположение атомов решетки химического соединения называется сверх структурой.
Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.