Строение реальных кристаллов. Строение сплавов

В настоящее время установлено, что реальные кристаллы металлов, в отличие от идеальных, обладают рядом структурных несовершенств или дефектов, т. е. отклонений от правильного геометрического строения. Оказалось, что многие очень важные механические и физические свойства и процессы, происходящие в структуре металлов, тесно связаны с несовершенствами (дефектами) строения их кристаллов, которые обычно разделяют на три группы — точечные, линейные и поверхностные. Точечные дефекты, или несовершенства, размер которых мал во всех трех измерениях. К ним относятся вакансии — свободные узлы в атомно-кристаллической решетке — и промежуточные атомы, смещенные в межузлия, или смещения, а также атомы примесей, которые могут или замещать атомы металла в решетке, или быть внедренными в ее межузлия. Вакансии, промежуточные атомы и атомы примесей искажают атомно-кристаллическую решетку основного металла.

При повышении температуры и увеличении амплитуды колебаний атомов в кристаллической решетке имеется вероятность выхода некоторых атомов из узлов решетки с образованием вакансии или образования промежуточных атомов. При этом возможны следующие случаи: атом из узла перемещается в дислокацию или из нее, или, что бывает реже, вышедший из узла атом помещается, как это может быть у щелочных металлов, в межузлия решетки. В атомно-кристаллической решетке реальных кристаллов наблюдается очень небольшое количество вакансий: подавляющее большинство атомов в узлах решетки расположено в правильной последовательности и только в некоторых, очень немногих, узлах решетки они отсутствуют.

Что касается примесей, то самое незначительное их количество, даже тысячные доли процента, вносит большое количество посторонних атомов на 1 мм3 решетки кристалла и образует в ней массу очагов искажений и неоднородностей. Вследствие случайности теплового движения атомов в решетке кристалла в отдельных участках наблюдаются скопления вакансий, промежуточных атомов и атомов примесей, вызывающие местные отклонения энергии тепловых колебаний и плотности упаковки атомов от их среднестатистического значения. Эти отклонения называются флуктуациями. Благодаря тепловому движению атомов вакансии, смещения и примеси могут изменять свое положение, т. е. перемещаться в решетке.

Под сплавом подразумевается вещество, полученное сплавлением двух или более элементов.

Возможны и другие способы приготовления сплавов — спекание, электролиз, возгонка (в этом случае вещества иногда называют псевдосплавами), но наиболее распространенным является производство сплавов путем сплавления разных веществ. Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами: называется металлическим сплавом.

Естественно, что строение металлического сплава более сложное, чем чистого металла, и зависит главным образом от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, составляющие сплав. При затвердевании сплавов образуются: Механическая смесь, твердый раствор и химическое соединение.

Механическая смесь

Механическая смесь двух компонентов образуется, тогда когда кристаллы одного компонента расположены между кристаллами другого. Они не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.

При этих условиях сплав будет состоять из кристаллов А и В отчетливо выявляемых на микроструктуре (если они достаточно крупного размера). Рентгенограмма сплава покажет наличие двух решеток компонентов если бы исследовать в таком сплаве отдельно свойства кристаллов А и кристаллов В, то они были бы тождественны свойствам чистых металлов А и В. Механические свойства зависят от количественного соотношения компонентов, а также от размера и формы зерен, значения их — промежуточные между характеристиками свойств чистых компонентов.

Твердый раствор

Если при переходе сплава из жидкого состояния в твердое атомы одного компонента располагаются в кристаллической решетке другого, т.е. при кристаллизации образуют общую кристаллическую решетку, то образуется структура, называемая твердым раствором.

При образовании твердого раствора один компонент называется растворителем, а другой – растворимым. Растворителем становиться компонент, кристаллическая решетка которого сохраняется, а растворимым, соответственно, тот, атомы которого располагаются в кристаллической решетке растворителя.

В зависимости от расположения атомов в кристаллической решетке различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения.

Твёрдые растворы замещения образуются лишь теми атомами, которые, во-первых, имеют близкие по размерам радиусы (отличающиеся не более чем на 15%, а в случае Твёрдые растворы на основе Fe - не более чем на 8%) и, во-вторых, электрохимически подобны (находятся не слишком далеко друг от друга в ряду напряжении). Твёрдые растворы внедрения образуются в тех случаях, когда размеры атомов компонентов существенно отличаются друг от друга и возможно внедрение атомов одного сорта в пустоты (междоузлия) кристаллической решётки, образованной атомами другого сорта.

Химическое соединение.

У некоторых сплавов компоненты при кристаллизации образуют химические соединения. Они, как и твердые растворы, обладают однородной структурой. Кристаллическая решетка его включает атомы обоих компонентов.

Соотношение чисел атомов компонентов при этом, соответствует стехиометрической пропорции, что может быть выражено простой химической формулой. Т.е. в кристаллической решетке химического соединения атомы каждого компонента находятся в строго определенном количестве и расположены всегда одинаково. Образуется специфическая (отличная от компонентов, составляющих химическое соединение) кристаллическая решетка с упорядоченным расположением в ней атомов компонентов.