Характеристика твердых растворов замещения.

Какую роль играют несовершенства структуры кристаллов. Какую роль играют дислокации в вопросах прочности и пластичности материала.
Встречающиеся в природе кристаллы, как монокристаллы, так и зерна в поликристаллах, никогда не обладают строгой периодичностью в расположении атомов т. е. не являются «идеальными» кристаллами. В действительности «реальные» кристаллы содержат те или иные несовершенства (дефекты) кристаллического строения.
Дефекты в кристаллах принято классифицировать по характеру их измерения в пространстве на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двухмерные), объемные (трехмерные).
Точечными дефектами называются такие нарушения периодичности кристаллической решетки, размеры которых во всех измерениях сопоставимы с размерами атома. К точечным дефектам относят вакансии (узлы в кристаллической решетке, свободные от атомов), межузельные атомы (атомы, находящиеся вне узлов кристаллической решетки), а также примесные атомы, которые могут или замещать атомы основного металла (примеси замещения), или внедряться в наиболее свободные места решетки (поры или междоузлия) аналогично межузельным атомам (примеси, внедрения)
Линейные дефекты в кристаллах характеризуются тем, что их поперечные размеры не превышают нескольких межатомных расстояний, а длина может достигать размера кристалла. К линейным дефектам относятся дислокации — линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение атомных плоскостей кристалла. Различают краевую и винтовую дислокации. Краевая дислокация представляет собой границу неполной атомной плоскости (экстраплоскости). Винтовую дислокацию можно определить как сдвиг одной части кристалла относительно другой.
В кристаллах встречаются и так называемые смешанные дислокации. Дислокации не могут обрываться внутри кристалла — они должны быть либо замкнутыми, либо выходить на поверхность кристалла. Плотность дислокации, т. е. число линий дислокации, пересекающих внутри металла площадку в 1 см2, составляет 103—104 в наиболее совершенных монокристаллах до 1012 в сильно деформированных металлах Дислокации создают в кристалле вокруг себя поля упругих напряжений, убывающих обратно пропорционально расстоянию от них. Наличие упругих напряжений вокруг дислокации приводит к их взаимодействию, которое зависит от типа дислокации и их векторов Бюргерса. Под действием внешних напряжений дислокации двигаются (скользят), что определяет дислокационный механизм пластической деформации. Перемещение дислокации в плоскости скольжения сопровождается разрывом и образованием вновь межатомных связей только у линии дислокации, поэтому пластическая деформация может протекать при малых внешних напряжениях, гораздо меньших тех, которые необходимы для пластической деформации идеального кристалла путем разрыва всех межатомных связей в плоскости скольжения. Обычно дислокации возникают при образовании кристалла из расgлава. Основным механизмом размножения дислокации при пластической деформации являются так называемые источники Франка-Рида. Это отрезки дислокации, закрепленные на концах, которые под действием напряжений могут прогибатся ,испуская при этом дислокации,и вновь востанавливатся.
Обычно упрочненное состояние достигается при взаимодействии дислокации друг с другом, с атомами примесей и частицами другой фазы. Дислокации влияют не только на прочностные и пластические свойства металлов, но также и на их физические свойства (увеличивают электросопротивление, скорость диффузии и т.д.).
Процесс сдвига в кристалле будет происходить тем легче, чем больше дислокации будет в металле. В металле, в котором нет дислокации, сдвиг возможен только за счет одновременного смещения всей части кристалла. В случае, если под действием напряжений дислокации не зарождаются, то прочность бездислокационного металла должна быть равна теоретической.
Существует и другой способ упрочнения металлов. Оказывается, что реальная прочность металлов падает с увеличением числа дислокации только вначале. Достигнув минимального значения при некоторой плотности дислокации, реальная прочность вновь начинает возрастать. Повышение реальной прочности с возрастанием плотности дислокации объясняется тем, что при этом возникают не только параллельные друг другу дислокации, но и дислокации в разных плоскостях и направлениях. Такие дислокации будут мешать друг другу перемещаться, и реальная
прочность металла повысится.
Давно известны способы упрочнения, ведущие к увеличению полезной плотности дислокации; это — механический наклеп, измельчение зерна и блоков мозаики, термическая обработка и т. д. Кроме того, известные методы легирования (т. е. внедрение в решетку чужеродных атомов), создающие всякого рода несовершенства и искажения, кристаллической решетки, также являются методами создания - препятствий для свободного перемещения дислокации (блокирования дислокаций).Сюда же относятся способы образования структур с так называемыми упрочняющими фазами, вызывающими дисперсионное твердение и др. Однако при всех этих способах упрочнения прочность не достигает теоретического значения. Следовательно, в той или иной степени наличие дислокации в реальном металлическом кристалле | является причиной более низкой его прочности по сравнению с теоретической, и одновременно придающей способность пластически деформироваться. Можно ли в связи с этим рассматривать способность металла к пластическому деформированию как его недостаток?
Опыт показывает, что способность реального металла пластически деформироваться является его важнейшим и полезнейшим свойством. Это свойство используют при различных технологических процессах — при протяжке проволоки, операциях гибки, высадки, вытяжки, штамповки и т. д. Большое значение оно имеет и для обеспечения конструктивной прочности или надежности металлических конструкций, деталей машин и других изделий из металла. Опыт показывает. что если металл находится в хрупком состоянии, т. е. если его способность к пластическому деформированию низка, то он в изделиях склонен к внезапным так называемым хрупким разрушениям, которые часто происходят даже при пониженных нагрузках на изделие.

Характеристика твердых растворов замещения.
В жидком состоянии большинство металлических сплавов, применяемых в технике, представляет собой однородные жидкости, т. е. жидкие растворы. При переходе в твердое состояние во многих таких сплавах однородность сохраняется, следовательно, сохраняется и растворимость. Твердая фаза, образующаяся в результате кристаллизации такого сплава, называется твердым раствором.
Химический или спектральный анализ показывает в твердых растворах наличие двух элементов или более, тогда как по данным металлографического анализа такой сплав, как и чистый металл, имеет однородные зерна (рис. 3).
Рентгеновский анализ обнаруживает в твердом растворе, как и у чистого металла, только один тип решетки.
Следовательно, в отличие от механической смеси твердый раствор является однофазным, состоит из одного вида кристаллов, имеет одну кристаллическую решетку; в отличие от химического соединения твердый раствор существует не при определенном соотношении компонентов, а в интервале концентраций.
Строение твердых растворов на основе одного из компонентов сплава таково, что в решетку основного металла-растворителя входят атомы растворенного вещества. Здесь возможны два принципиально различных случая: 1. твердые растворы замещения 2. Твердые растворы внедрения мы рассмотрим 1-вый.
Твердые растворы замещения: Металл А имеет, например, решетку, изображенную на рис. 4, а. Растворение компонента В в металле А происходит путем частичного замещения атомов А атомами В в решетке основного металла (рис. 4, б).

а — чистый металл; б — твердый раствор замещения;
При образовании растворов внедрения и замещения атомы растворенного компонента распределяются в решетке растворителя беспорядочно.
При образовании твердого раствора сохраняется решетка одного из элементов и этот элемент называется растворителем. Атомы растворенного вещества искажают и изменяют средние размеры элементарной ячейки растворителя.
При образовании твердых растворов замещения периоды решетки изменяются в зависимости от разности атомных диаметров растворенного элемента и растворителя. Если атом растворенного элемента больше атома растворителя, то элементарная ячейка, решетки увеличивается, если меньше, то сокращается. В первом приближении это изменение пропорционально концентрации растворенного компонента, выраженной в атомных процентах; однако отклонения от линейной зависимости бывают иногда довольно значительными.
Изменение параметров решетки при образовании твердых растворов — весьма важный момент, определяющий изменение свойств. В общем независимо от вида металла относительное упрочнение при образовании твердого раствора пропорционально относительному изменению параметров решетки, причем уменьшение параметров решетки ведет к большему упрочнению, чем её расширение.
Твердые растворы замещения могут быть ограниченные и неограниченные. При неограниченной растворимости любое количество атомов А может быть заменено атомами В. Следовательно, если увеличивается концентрация атомов В, то все больше и больше атомов В будет находиться в узлах решетки вместо атомов А до тех пор, пока все атомы А не будут заменены атомами В и, таким образом, как бы плавно совершится переход от металла Л к металлу В (рис. 5). Это. конечно, возможно при условии, если оба металла имеют одинаковую кристаллическую структуру, т. е. оба компонента являются изоморфными.
Следовательно, первым условием образования неорганического ряда твердых растворов является наличие у обоих компонентов одинаковых кристаллических решеток, т. е. условие изоморфности компонентов.


Рис. 5. Кристаллические решетки твердых растворов аамещения при неограниченной растворимости компонентов
Если у двух металлов с одинаковыми кристаллическими решетками сильно различаются атомные радиусы, то образование твердых растворов между этими металлами сильно искажает кристаллическую решетку, что приводит к накоплению в решетке упругой энергии когда это искажение достигает определенной величины, кристаллическая решетка становится неустойчивой и наступает предел растворимости.,
Итак, вторым условием образования неограниченных твердых растворов является достаточно малое различие атомных размеров компонентов.
Наконец, замечено, что неограниченная растворимость наблюдается преимущественно у элементов, близко расположенных друг от друга в периодической таблице Д. И. Менделеева, т. е. близких друг к другу по строению валентной оболочки атомов, по физической природе.
Если кристаллические решетки и неодинаковы, но близки, похожи, например гранецентрированные кубические и тетрагональные, то возможен плавный переход от одной решетки к другой с образованием и в этом случае неограниченного твердого раствора.
Если сплавляемые металлы принадлежат к далеко расположенным друг от друга группам Периодической системы и поэтому имеют различную физическую природу, то они часто бывают склонны к образованию химических соединений, а не твердых растворов.
Если два металла не отвечают перечисленным выше условиям, то они могут ограниченно растворяться друг в друге. Замечено, что растворимость тем меньше, чем больше различие в размерах атомов и в свойствах, компонентов, образующих раствор. Ограниченная растворимость в большинстве случаев уменьшается с понижением температуры.

Powered by Drupal - Design by artinet