Сплавы металлов

Примеры твердых растворов

Медная бронза (медь и олово) – типичный пример твердого раствора. При смешении меди и олова в определенных пропорциях образуется однородное взаиморастворимое соединение. При этом общая кристаллическая решетка соединения содержит как катионы меди, так и катионы олова.

Стронций-титанат (стронций и титан) – пример соединения, где присутствует растворитель и растворяемое вещество. Другими словами, титан в данном случае является растворенным в основной решетке стронция. Этот твердый раствор использовался в качестве частиц в диэлектриках в конденсаторах.

Алюминиевый сплав (алюминий, магний и медь) – пример твердого раствора с несколькими компонентами. Алюминий является основным компонентом, а магний и медь присутствуют в меньших количествах. Чем больше магния и меди содержится в сплаве, тем меньше жесткость этого сплава, но тем больше его текучесть.

• Сплавы на основе никеля – еще один пример твердых растворов с несколькими компонентами. Сплавы могут содержать кроме никеля, такие элементы как железо, медь, марганец и другие. Эти сплавы отличаются высокой прочностью и коррозионной стойкостью, поэтому они широко используются в различных отраслях промышленности.
• Сплавы на основе алюминия – еще один пример твердых растворов с несколькими компонентами. Эти сплавы могут содержать такие элементы как медь, магний, кремний и др. Их свойства зависят от содержания каждого компонента и могут использоваться в авиационной, электронной и других отраслях промышленности.

Образование непрерывных рядов твердых растворов в солевых системах

Образованию непрерывных рядов твердых растворов в тройных и более компонентных системах (замещения) без экстремумов в ликвидусе двойных систем из металлов, оксидов, солей посвящено значительное число работ. Твердые растворы это твердотельные двухили многокомпонентные однородные системы переменного состава (например типа А xB1-x), в которых атомы или ионы компонентов, смешиваясь в различных соотношениях (0< x <1), образуют общую кристаллическую решётку, характерную для одного из компонентов. Системы, в состав которых входят изоструктурные компоненты, как правило, образуют из-за неограниченной растворимости в твердом состоянии непрерывный ряд твердых растворов. Величина x в этом случае не лимитирована. Область существования ограниченных (граничных) твердых растворов (растворимость ограничена) на фазовой диаграмме имеет пределы по концентрации, зависящие от температуры. В работе приводится теоретический анализ условий образования непрерывных рядов твердых растворов в n-компонентн…

Разновидности твердого раствора

Кристаллические растворы – образуются из кристаллических соединений, которые имеют сходную структуру. Они могут быть образованы одним типом ионов, например, металическими растворами, в которых металлы сходятся в кристаллическую решетку. Кристаллические растворы также могут образовываться из солей схожей структуры, таких как фториды, хлориды и бромиды.

Аморфные растворы – образуются из некристаллических соединений и имеют неопределенную структуру. Эти растворы не имеют регулярной решетки и их молекулы расположены хаотически, поэтому их свойства могут существенно отличаться от кристаллических растворов. Примерами аморфных растворов являются стекла, полимеры и металлы высокой аморфности.

Ионные растворы – образуются из солей, когда их молекулы разделяются на положительные и отрицательные ионы. Ионы растворяются в жидкости и перемещаются свободно, создавая электрическое поле. Примерами ионных растворов являются электролиты, которые являются кондукторами электрического тока.

Металлические растворы – образуются из сплавов металлов и имеют отличные от кристаллических ионных растворов свойства. Они обладают свойствами металлов, такими как тугоплавкость, деформируемость и электропроводность. Металлические растворы широко используются в металлургической промышленности, в производстве сплавов и других металлических изделий.

Термодинамика бинарных растворов эвтектического типа с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

На основании обобщенной решеточной модели рассмотрена термодинамика бинарных систем эвтектического типа с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Получены уравнения моновариантных двухфазных и нонвариантного трехфазного равновесий, найдены концентрационные зависимости кривых ликвидуса, солидуса и сольвуса для рассматриваемого типа диаграмм состояния. В рамках предложенной модели теоретически рассчитаны диаграммы состояния бинарных растворов Ag-Cu, Al-Ge, Bi-Cd, Cd-Zn и проведено сопоставление полученных фазовых диаграмм с экспериментальными данными.

Применение твердых растворов в промышленности

Твердые растворы широко используются в промышленности благодаря своим уникальным свойствам. Они могут повышать твердость и прочность материалов, что придает им дополнительную стойкость к растяжению и истиранию.

Один из видов твердых растворов — металлические сплавы, применяются в промышленности для производства электроники, автомобильных деталей, летательных аппаратов, кораблей и многое другое. Металлические сплавы имеют различные свойства, такие как температурная устойчивость, коррозионная стойкость и др. Эти свойства могут быть изменены за счет изменения соотношения металлических компонентов в сплаве.

Твердые растворы также используются в производстве покрытий для поверхностей. Один из примеров — хромовое покрытие на металлических поверхностях. Хромовое покрытие предоставляет металлической поверхности блестящую поверхность и гладкое зеркальное отражение.

Твердые растворы также используются в создании стекол различных свойств. Например, добавление известкового кварца в стекло делает его прочным и прозрачным, а добавление оксида свинца помогает создать стекло с высокой показательной преломления и блеском.

Твердые растворы играют важную роль в промышленности, обеспечивая множество уникальных свойств и применений в различных отраслях.

Твердые растворы

В жизни слово «раствор» применяют к жидкостям. Однако существуют и твердые смеси, атомы или молекулы которых однородно перемешаны. Но как получить твердые растворы? При помощи пестика и ступки их не получишь. Поэтому смешивающиеся вещества надо сначала сделать жидкими, т. е. расплавить, потом смешать жидкости и дать смеси затвердеть. Можно поступить и иначе — растворить два вещества, которые мы хотим смешать, в какой-либо жидкости, а затем уже выпарить растворитель. Такими способами могут получиться твердые растворы. Могут получиться, но обычно не получаются. Твердые растворы — это редкость. Если в соленую воду бросить кусок сахара, он превосходно растворится. Выпарим воду; на дне чашки обнаружатся мельчайшие кристаллики соли и сахара. Соль с сахаром не дают твердых растворов.

Можно расплавить в одном тигле кадмий с висмутом. После охлаждения мы увидим в микроскоп смесь кристалликов кадмия и висмута. Висмут и кадмий тоже не образуют твердых растворов.

Необходимым, хотя и не достаточным, условием возникновения твердых растворов является близость молекул или атомов смешивающихся веществ по форме и размерам. В этом случае при замерзании смеси образуется один сорт кристалликов. Узлы решетки каждого кристалла обычно беспорядочно заселены атомами (молекулами) разных сортов.

Сплавы металлов, имеющие большое техническое значение, зачастую представляют собой твердые растворы. Растворением небольшого количества примеси можно резко изменить свойства металла. Яркой иллюстрацией этого является получение одного из наиболее распространенных в технике материалов — стали, представляющей собой твердый раствор малых количеств углерода — порядка 0,5 весового процента (один атом углерода на 40 атомов железа) — в железе, причем атомы углерода беспорядочно внедрены между атомами железа.

В железе растворяется лишь небольшое число атомов углерода. Однако некоторые твердые растворы образуются при смешении веществ в любых пропорциях. Примером может служить сплав золото — медь. Кристаллы золота и меди имеют решетку одинакового типа — кубическую гранецентрированную. Такую же решетку имеет сплав меди с золотом. Представление о структуре сплава со все увеличивающейся долей меди мы получим, если будем мысленно удалять из решетки атомы золота и заменять их атомами меди. При этом замена происходит беспорядочно, атомы меди распределяются в общем как попало по узлам решетки. Сплавы меди с золотом можно назвать растворами замещения, а сталь является раствором иного типа — раствором внедрения.

В подавляющем же большинстве случаев твердых растворов не возникает, и, как говорилось выше, после застывания мы можем увидеть в микроскоп, что вещество состоит из смеси мелких кристалликов обоих веществ.

Твёрдые растворы

При охлаждении жидких растворов из них могут кристаллизоваться твёрдые растворы. Их природа различна и зависит от компонентов, составляющих твёрдый раствор. Образующиеся твёрдые растворы состоят из кристаллов, в узлах кристаллических решёток которых расположены ионы, атомы, молекулы веществ, из которых состоит твёрдый раствор.

Если размеры и форма кристаллических решёток составляющих компонентов близки, то эти такие компоненты могут растворяться друг в друге в неограниченных количествах и образовывать твёрдые растворы.

Виды твёрдых растворов

С помощью Рентгенографического исследования обнаружили, что твёрдые растворы делятся на 2 вида:

Твёрдый раствор внедренияТвёрдый раствор замещения

— твёрдые растворы замещения

— твёрдые растворы внедрения

В твёрдых растворах замещения ионы или атомы одного вещества замещают ионы или атомы в кристаллической решётке другого вещества без существенного изменения формы кристалла. существуют так называемые изоморфные твёрдые растворы замещения, то есть состоящие из простых веществ, сходных по параметрам кристаллической решётки и имеющую неограниченную растворимость друг в друге.

Твёрдые растворы внедрения — образуются, когда атомы или ионы одного вещества внедряются (или располагаются между) атомами или ионами другого вещества.

Свойства твёрдых растворов

Свойства твёрдых растворов существенно отличаются от свойств составляющих компонентов. Твёрдые растворы являются технически более ценными, чем чистые компоненты. Они обладают большей твёрдостью, меньшей электрической проводимостью, чем сами металлы — компоненты их составляющие.

В твёрдых растворах различают растворитель и растворённое вещество: растворителем считается вещество, которое сохраняет свою кристаллическую решётку, причём этого вещества (растворителя) должно быть не менее определённого значения.

Сплавы металлов

Сплавы металлов. Сплавы золота, серебра и меди

При сплавлении чистых металлов изменяется их строение: узлы кристаллической решётки либо сближаются, либо раздвигаются. При этом появляются дополнительные напряжения, которые создают дополнительные силы между атомами в металле. Именно поэтому сплавы металлов значительно прочнее и твёрже чистых металлов. У сплавов бывают такие магнитные и механические свойства, каких не было у чистых металлов. Например, самые лучшие постоянные магниты делают из сплавов магния, никеля и кобальта, из алюминия, никеля и кобальта или сплава кобальта с редкоземельным металлом самарием (Sm).

Чугун — это сплав чистого железа с углеродом, в котором углерода от 2,14% до 4 %. Чугун твёрже железа, но более хрупкий, имеет отличные литейные свойства (намного лучше, чем чистое железо).

Сталь — это тоже сплав железа с углеродом, но углерода здесь до 2,14%. Из стали (считается чистое железо) изготавливают трубы, боты, гвозди, скрепки, инструмент. Имеется большое количество разновидностей сталей, у которых в состав кроме углерода входят другие чистые металлы (легирующие элементы), придающие им различные прочностные свойства.

К самым распространённым цветным сплавам относятся:

—бронза — сплав на основе меди с добавкой до 20% олова;

—латунь — медный сплав, содержащий от 10 до 50% цинка;

—мельхиор — сплав 80% меди и 20% никеля;

—дюралюминий — сплав на основе алюминия с добавкой 2% магния, 2-5 % меди, 1% марганца и никеля.