Упорядочение в сплавах

Наиболее распространённые методы получения материалов с заданными механическими, электрическими, магнитными и другими свойствами основаны на широком использовании фазовых превращений в сплавах. Особенно ценными физическими свойствами обладают так называемые стареющие сплавы с высокой степенью дисперности фазовых составляющих. В современной технике используются сплавы, находящиеся как в гомогенных, так и в гетерофазных (гетерогенных) состояниях. В первом случае материал представляет собой однофазный твёрдый раствор, физические свойства которого в основном определяются структурой кристаллической решётки. Во втором случае это смесь фаз, отличающихся друг от друга составом и кристаллической структурой.

Неупорядоченные системы можно разбить на три группы:

1)Системы, в которых атомы или ионы вещества не образуют правильной кристаллической решётки; к ним можно отнести жидкости, аморфные и стеклообразные твёрдые тела.

2) Существуют сплавы, у которых атомы или ионы распределены определённым образом по узлам решётки, но в ней имеются дефекты, нарушающие периодичность.

3) Системы типа неупорядоченных сплавов замещения, когда по узлам правильной или почти правильной кристаллической решётки, случайным или почти случайным образом распределены атомы или ионы- компоненты сплава, различающиеся между собой зарядами и величиной электрического потенциала.

Во многих случаях фазовые превращения в твёрдых растворах могут рассматриваться как результат перераспределения атомов по узлам некоторой кристаллической решётки.

Высокотемпературное состояние упорядочивающихся сплавов замещения представляет собой однородный твёрдый раствор, в котором атомы компонентов хаотическим образом распределены по узлам кристаллической решётки. Такое состояние является неупорядоченным. В неупорядоченном состоянии вероятность заполнения любого узла атомом сорта s есть постоянная величина, которая равна атомной доле компонента s. При понижении температуры происходит фазовый переход типа порядок – беспорядок. В результате фазового перехода узлы кристаллической решётки неупорядоченного раствора разбиваются на несколько подрешёток. Возможность разбиения узлов твёрдого раствора на подрешётки связана с тем обстоятельством, что вероятности заполнения узлов различаются для различных подрешёток и равны друг другу для одной и той же подрешётки. В геометрическом отношении каждая подрешётка представляет собой пространственную сетку, основные трансляции которой в целое число раз больше, чем соответствующие трансляции неупорядоченного раствора. При этом все узлы обратной решётки неуаорядоченного кристалла совпадают с частью узлов обратной решётки упорядоченного раствора. Остальные вновь образовавшиеся узлы обратной решётки, расположены внутри элементарной ячейки обратной решётки неупорядоченного раствора. Упорядоченные фазы, возникающие в результате разбиения решётки неупорядоченного сплава на несколько кристаллографически не эквивалентных подрешёток, обычно называют сверхструктурами. Соответствующие им отражения (рефлексы) называются сверхструктурными. Сделанные выводы о рассеянии упорядоченными твёрдыми растворами хорошо иллюстрируются фотографией электронной микродифракции, полученной от ОЦК упорядоченного твёрдого раствора внедрения (см. рис.). Структурные рефлексы образуют ГЦК обратную решётку, отвечающую прямой ОЦК решётке Ta. Более слабые сверхструктурные рефлексы расположены внутри ГЦК элементарной ячейки и делят все векторы обратной решётки на три равные части.

Таким образом, процесс упорядочения заключается в перераспределении атомов компонентов между различными подрешётками. Он всегда сопровождается понижением симметрии пространственной группы кристалла.

Степень упорядочения твёрдого раствора зависит от величины отклонений вероятностей заполнения узлов различных подрешёток , от тех значений, которые они имели бы в неупорядоченном состоянии

,

где s - сорт атома, p – номер подрешётки, – атомная доля компонента s в p -й подрешётке.

Количественно степень упорядочения характеризуют параметрами дальнего порядка. В качестве примера рассмотрим случай упорядочения в гранецентрированной кубической решётке растворе , ведущей к образованию упорядоченной фазы (см. рис. п.2). При упорядочении сплав разбивается на две подрешётки. Первая из них получается трансляцией атома меди , вторая - атома золота . В качестве параметра дальнего порядка удобно выбрать отношение

где .

Величины - это значения и соответственно для сплава стехиометрического состава, находящегося в полностью упорядоченном состоянии. Состав сплава называется стехиометрическим, когда концентрации компонентов сплава совпадают с концентрацией узлов подрешётки, занимаемой этой компонентой. Для фазы , находящейся в полностью упорядоченном состоянии и имеющей стехиометрический состав, . Подстановка этих значений в выражение для дальнего порядка приводит его к виду

.

Многочисленные эксперименты и ряд теоретических сообржений показали, что степень дальнего порядка не полностью определяет характер взаимного расположения атомов разного сорта по узлам кристаллической решётки. Энергия взаимодействия между атомами разного сорта, вообще говоря, различна и поэтому каждый атом стремится окружить себя либо атомами другого сорта, либо одноимёнными атомами.

Явление упорядочения возможно не только в растворах замещения. Оно может происходить и в растворах внедрения, если число позиций внедрения превышает число атомов, которые занимают эти позиции. Между процессами упорядочения в растворах замещения и внедрения не существует принципиального различия. В самом деле, незаполненные позиции внедрения (вакансии атомов внедрения) и сами атомы внедрения формально могут рассматриваться как раствор замещения между вакансиями и атомами внедрения. Что же касается атомов растворителя, то они не принимают участия в упорядочении и образуют неподвижный атомный остов, в поле которого перераспределяются атомы внедрения.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: