Твёрдые растворы

Твёрдые растворы, твёрдые фазы переменного состава, в которых атомы раз личных элементов смешаны в известных пределах или неограниченно в общей кристаллической решётке. Растворимость в твёрдом состоянии свойственна всем кристаллическим твёрдым телам. Б большинстве случаев эта растворимость ограничена узкими пределами, но известны системы с непрерывным рядом твёрдых растворов (например, Cu — Au, Ti — Zr, Ge — Si, GaAs — GaP). По существу все кристаллические вещества, известные как «чистые» или «особо чистые», являются твёрдые растворы с очень малым содержанием примесей, поскольку абсолютная чистота практически недостижима. В природе широко распространены твёрдые растворы минералов (см. Изоморфизм). Наличие широкой области твёрдых растворов на основе соединений или главным образом металлов имеет громадное значение в технике, так как образующиеся при этом сплавы отличаются более высокими механическими, физическими и др. свойствами, чем исходные компоненты. При распаде твёрдых растворов сплавы приобретают новые, часто особые свойства (см. Термическая обработка, Закалка, Отпуск).

  Примесные атомы или атомы легирующих элементов могут образовывать с матрицей основного кристалла либо твёрдые растворы замещения, либо твёрдые растворы внедрения; это зависит в основном от двух факторов: размерного и электрохимического. Известны два полуэмпирических правила Юм-Розери, согласно которым твёрдые растворы замещения образуются лишь теми атомами, которые, во-первых, имеют близкие по размерам радиусы (отличающиеся не более чем на 15%, а в случае твёрдых растворов 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. Образование подобных твёрдых растворов типично для растворения в металлах таких неметаллов, как бор, кислород, азот и углерод (см., например, Аустенит, Мартенсит). Твёрдые растворы как замещения, так и внедрения могут быть либо неупорядоченными — со статистическим распределением атомов в решётке, либо частично или полностью упорядоченными — с определённым расположением атомов разного сорта относительно друг друга. Полностью упорядоченные твёрдые растворы принято называть сверхструктурными. В некоторых случаях в твёрдых растворах атомы одного сорта могут стремиться к объединению, образуя скопления, которые, в свою очередь, могут определённым образом ориентироваться или упорядоченно распределяться. Экспериментальные данные об упорядочении твёрдых растворов получают в основном при изучении диффузного рассеяния рентгеновских лучей (см. Рентгеновский структурный анализ). Твёрдые растворы, находящиеся в термодинамическом равновесии, в макроскопическом масштабе можно считать истинно гомогенными; однако при этом они не обязательно гомогенны при рассмотрении в атомном масштабе. Наряду с двумя основными типами твёрдых растворов — замещения и внедрения —  может быть выделен и третий тип — твёрдые растворы вычитания, образованные вакантными узлами кристаллической решётки (см. Вакансия и Дефекты в кристаллах). Существуют и неметаллические системы, которые относят к твёрдым растворам, обладающие весьма ценными свойствами и широко используемые в современной технике, например полупроводники и ферриты.

 

  Лит. см. при ст. Сплавы.

  Г. В. Инденбаум.


ПраймКемикалсГрупп