Твердые растворы

1.

Твердые растворы
Комогорцев С.В.

2.

Твердые растворы
Твердые растворы - фазы переменного
состава, в которых атомы различных
элементов расположены в общей
кристаллической решетке.

3.

Твердые растворы
Раствор замещения
латунь
Раствор внедрения
сталь

4.

Условия растворимости
Правила для твёрдых растворов замещения
Hume-Rothery rules
1. Растворимость возможна, если кристаллические решётки
растворённого элемента и растворителя одинаковы.
AxB1-x
A-
B-

5.

Условия растворимости
Правила для твёрдых растворов замещения
Hume-Rothery rules
1. Растворимость возможна, если кристаллические решётки
растворённого элемента и растворителя одинаковы.
AxB1-x
AB-
X=0
X=1
X=0.5
X=0.8
X=0.2

6.

Условия растворимости
Правила для твёрдых растворов замещения
Hume-Rothery rules
2. Образование твёрдого раствора возможно, если атомные
радиусы растворённого элемента ( rsolute) и растворителя
(rsolvent) отличаются не более, чем на 15 %:
AB-
AxB1-x

7.

2. Образование твёрдого раствора возможно, если атомные
радиусы растворённого элемента ( rsolute) и растворителя
(rsolvent) отличаются не более, чем на 15 %:

8.

Условия растворимости
Правила для твёрдых растворов замещения
Hume-Rothery rules
3. Максимальная растворимость достигается, если
растворяемый элемент и растворитель имеют одинаковую
валентность, причем металлы с меньшей валентностью
стремятся раствориться в металлах с большей валентностью.
4. Растворённый элемент и растворитель должны иметь
близкую электроотрицательность (различие не должно
превышать 0.2-0.4), в противном случае рассматриваемые
элементы вместо твёрдых растворов склонны к образованию
интерметаллических соединений.

9.

Электроотрицательность
J1A и εA — соответственно энергия ионизации атома и его сродство к электрону

10.

Условия растворимости
Правила для твёрдых растворов внедрения
Hume-Rothery rules
1. Атом растворённого элемента должен иметь атомный
радиус меньший, чем размер пустот (пор) в кристаллической
решётке растворителя, но быть больше размера самой
маленькой из возможных пор — тетраэдрической поры, т.е.
должно выполняться правило Хэгга:
2. Растворённый элемент и растворитель должны иметь
близкую электроотрицательность.

11.

Окто- и тетрапоры в ГЦК решетке
Для размещения в окто- и тетрапорах атом должен быть значительно меньше
атомов составляющих решетку.
Например, для растворения в порах железа подходят атомы C, N, H

12.

Окто- и тетрапоры в ОЦК решетке

13.

Окто- и тетрапоры в ГПУ решетке

14.

Растворы замещения.
Статистическая термодинамика.
A
B

15.

Механическая смесь
Твердый раствор

16.

Растворы замещения.
Статистическая термодинамика.
A
Свободная энергия системы
Внутренняя энергия
Энтропия смешения
B

17.

Растворы замещения.
Статистическая термодинамика.
A
B
Внутренняя энергия

18.

Растворы замещения.
Статистическая термодинамика.
Внутренняя энергия
A
B

19.

Растворы замещения.
Статистическая термодинамика.
A
B
Энтропия смешения (конфигурационная энтропия)

20.

Растворы замещения.
Статистическая термодинамика.
A
B
Энтропия смешения (конфигурационная энтропия)
SSсмсмеш
еш
lim
lim
cc
01
cc

21.

Зависимость свободной энергии
неупорядоченного твердого раствора от
состава

22.

Зависимость свободной энергии
неупорядоченного твердого раствора от
состава

23.

Зависимость свободной энергии
неупорядоченного твердого раствора от
состава

24.

Твердый
Двухфазная
раствор
состава
система
твердых
от 0 до
с1
растворов
состава с1 и с2
с1
с2

25.

Уравнение предела растворимости в
бинарном твердом растворе

26.

Гомогенный твердый раствор
Фазовая смесь
Tmax
A
2k

27.

Данные Финка и Фреча по растворимости различных металлов в
алюминии (Зинер)

28.

Фазовое расслоение.
Спинодальный распад

29.

Фазовое расслоение.
Спинодальный распад

30.

Дюралюминий
Al 96, Cu 4 (wt%)
Обнаруженное германским
инженером-металлургом
Альфредом Вильмом (Alfred
Wilm), старение
алюминиевых сплавов
позволило повысить
прочность дюралюминия до
350—370 МПа по сравнению
с 70-80 МПа у чистого
алюминия.

31.

AxB1-x
A-
B-
параметр решетки
Случайный твердый раствор.
Правило Вегарда.
aA
aВ
0
состав (х )
1

32.

AxB1-x
A-
B-
сопротивление
Случайный твердый раствор.
Электрическое сопротивление.
A
В
0
состав (х )
1

33.

Случайный твердый раствор.
Упрочнение.
Деформации и напряжения в решетке, создаваемые
примесями замещения и внедрения, создают энергетические
барьеры и т.о. препятствуют движению дислокаций.

34.

35.

Случайный твердый раствор.
Упрочнение.
Деформации и
напряжения в решетке,
создаваемые
примесями замещения
и внедрения, создают
энергетические
барьеры и т.о.
препятствуют
движению дислокаций.

36.

Упорядоченные твердые растворы

37.

E TS
2VAB VAA VBB
2VAB VAA VBB
2VAB VAA VBB
Упорядоченный
Неупорядоченный
Двухфазная смесь
твердый раствор
твердый раствор

38.

39.

Упорядоченные твердые растворы
золото-медь

40.

Упорядоченные твердые растворы
золото-медь

41.

42.

Сверхструктурные рефлексы на
дифрактограммах упорядоченных твердых
растворов

43.

Параметр порядка для твердых растворов
Параметр дальнего порядка
PA - cA
h=
1 - cA
cA
PA
- атомная доля компонента А
- доля мест в подрешетке
«правильно»занятых атомами А

44.

Свободная энергия для твердых растворов
как функция параметра порядка
Горский- Брэгг- Вильямс

45.

Род фазового перехода
Переход 2-го рода
Переход 1-го рода
Температура Курнакова

46.

Благодарю за внимание!