Твердые растворы – это фазы, в которых один из компонентов (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (растворяемых) компонентов располагаются в его решетке, искажая ее.
На протяжении всей истории металлургической промышленности изучение твердых растворов было одним из ключевых аспектов понимания и улучшения свойств металлических сплавов. Твердые растворы являются основой для создания разнообразных материалов, начиная от бронз, латуней, нержавеющих и конструкционных сталей, до высокопрочных сплавов, в том числе магниевых и алюминиевых. Эти материалы играют ключевую роль в создании прочных и легких конструкций, находя применение в различных областях, включая авиацию и автомобилестроение.
Свойства твердых растворов активно регулируются их составом и технологией производства, особенно процессами термической или термомеханической обработки. Это позволяет инженерам и металлургам создавать материалы с определенными механическими и химическими свойствами.
При переходе из одного твердого раствора в другой стали и сплавы могут приобретать новые, порой уникальные, свойства. Например, как это происходит при закалке сталей. В начале процесса нагрева материала кристаллическая решётка расширяется, и атомы сплавных элементов растворяются в основной металлической матрице, образуя твердый раствор. При охлаждении стали происходит сжатие кристаллической решётки. В результате образуется мартенсит, который имеет другую кристаллическую структуру по сравнению с исходным аустенитом. Это изменение кристаллической решётки материала влияет на его механические свойства, в частности, увеличивает твёрдость и прочность.
Дисперсионное твердение (старение) также сопровождается изменениями в кристаллическом строении материала: происходит распад пересыщенного твердого раствора и выделение новых фаз, которые упрочняют материал. Этот процесс характерен, например, для сплавов алюминия.
В материалах выделяют три основных типа твердых растворов: замещения, внедрения и вычитания. Эти разновидности обладают определенными особенностями кристаллической структуры, которая и определяет свойства материала.
Твердые растворы замещения образуются путем замещения части атомов растворителя в его кристаллической решетке атомами растворенного компонента. Как правило, это неупорядоченное размещение, т.к. атомы растворенного элемента не занимают специальных мест в кристаллической решетке, а только замещают в случайных узлах атомы растворителя.
Может быть и наоборот, когда атомы элементов растворителя и растворенного вещества располагаются в разных кристаллографических плоскостях. Такие твердые растворы называют упорядоченными, они характеризуются более высокой твердостью и хрупкостью.
Возможность упорядочения кристаллической решетки твердых растворов была выявлена Николаем Семеновичем Курнаковым в 1914 году. Российский химик обнаружил явление упорядочения при изучении электросопротивления сплавов меди и золота. Рентгеновский анализ подтвердил, что изменение свойств материала связано с перераспределением атомов внутри кристаллической решетки. При определенных условиях атомы растворенного элемента могут переходить от хаотического распределения к упорядоченному. В промышленности регулирование процессов упорядочения твердых растворов играет ключевую роль при производстве прецизионных сплавов на основе железа и кобальта.
Твердые растворы внедрения возникают, когда атомы растворенного компонента встраиваются в пустоты кристаллической решетки.
Твердые растворы вычитания формируются за счет появления вакантных узлов в кристаллической решетке при растворении одного из компонентов химического соединения.
Исследование твердых растворов и способов воздействия на их структуру имеет фундаментальное значение для современной металлургии. Эти знания позволяют создавать материалы с определенными физическими, механическими и химическими характеристиками, которые будут максимально соответствовать требованиям современных технологий и инновационных решений.
