Образование твердых растворов

Образованию твердых растворов способствуют следующие факторы:

1. Небольшая разница в величине атомных диаметров, например, по исследованиям И. И. Корнилова, в сплавах железа неограниченная растворимость наблюдается лишь в тех случаях, когда различие в атомных размерах не превышает 8%; разница в атомных диаметрах в 8—15% ведет к ограниченной растворимости, а разница более 15% практически устраняет возможность образования твердых растворов замещения. Очевидно, что разница в 15% и более настолько повышает энергию системы, что энергетически более выгодным оказывается образование простой механической смеси металлов или их химического соединения.

2. Подобие типа кристаллических решеток, — полная взаимная растворимость может иметь место лишь при одинаковых типах кристаллических решеток обоих металлов, например медь и никель, имеющие кубическую гранецентрированную решетку, неограниченно взаимно растворяются в твердом состоянии. Однако это наблюдается не всегда, например взаимная растворимость меди и железа очень ограничена, несмотря на подобие их решеток.

3. Близость температур плавления: чем меньше разность в температурах плавления, тем больше растворимость.

4. Электронная концентрация, т. е. количество свободных электронов в решетке твердого раствора не должно увеличиваться выше допустимого.

При образовании твердых растворов происходит деформация решетки металла-растворителя — энергетическая и объемная. Энергетическая деформация решетки вызывается растворением элементов, обладающих большим количеством валентных электронов, чем растворитель, приобрести который не многим дешевле, чем приобрести редукторы Ц2У по ценам производителя. Это объясняется увеличением количества свободных электронов в решетке или, как говорят, увеличением электронной концентрации. Всякая решетка обладает критической электронной концентрацией, т. е. она может существовать только при добавлении определенного максимального количества свободных электронов, приходящихся на атом; например, для куба с центрированными гранями эта концентрация составляет 1,360.


Объемная деформация решетки происходит при растворении элементов, у которых диаметры атомов отличаются по размерам от диаметров атомов растворителей, что приводит к изменению параметра кристаллической решетки, который или увеличивается, или уменьшается в зависимости от размеров атомного диаметра растворенного элемента.

б) Твердые растворы внедрения. Твердые растворы внедрения, у которых атомы растворимого элемента распределяются в промежутках между атомами, находящимися в узлах решетки растворителя, наблюдаются при растворении неметаллов с малыми атомными диаметрами, например углерода, бора, азота, водорода в железе. В твердом растворе углерода в железе атомы углерода с малым атомным диаметром помещаются в октаэдрических порах решетки железа, преимущественно в деформированных участках решетки вблизи дислокаций. Образование твердого раствора внедрения, как правило, сопровождается увеличением параметра кристаллической решетки растворителя.



в) Твердые растворы вычитания. В твердых растворах вычитания наблюдается уменьшенное число атомов растворителя и появление свободных узлов в его решетке. Твердые растворы вычитания возможны лишь на основе химических соединений, например у карбидов ванадия, титана, циркония и ниобия. При растворении атомов ванадия, титана, циркония, ниобия в их карбидах в решетках последних появляются свободные узлы, которые ранее занимались атомами углерода.

г) Свойства твердых растворов. Твердые растворы металлов обладают металлическим типом связи.