محلول های جامد فلزی

محلول‌های جامد فلزی

اگر چه تعداد بسیار کمی از فلزات به صورت خالص یا تقریبا خالص مورد استفاده قرار گیرند، تعداد بسیار کمی از آنها نیز به حالت تقریبا خالص به کار می‌روند، به عنوان مثال، مسی با درجه خلوص بالا (99.9) به دلیل دارا بودن رسانایی الکتریکی خیلی زیاد در ساخت سیمهای الکترونیکی به کار می‌رود. از آلومینیم با درجه خلوص خیلی بالا 99.99% (به نام آلومینیم فوق خالص) نیز در کارهای تزیینی استفاده می‌شود، زیرا می‌توان آن را با یک سطح فلزی خیلی براق پرداختکاری کرد. اما با این وجود، اکثر فلزات مهندسی را با فلزات یا غیرفلزات دیگر مخلوط می‌کنند تا خواص مطلوبی نظیر استحکام بیشتر، مقاومت به خوردگی بالاتر و غیره را در آنها تأمین نمایند.
یک آلیاژ فلزی یا به عبارت ساده تر یک آلیاژ، مخلوطی از دو یا چند فلز، یا یک فلز (یا چند فلز) و یک غیر فلز (یا چند غیر فلز) است. ساختار آلیاژها می‌تواند نسبتا ساده باشد، مثل ساختار برنج فشنگ که اساساً یک آلیاژ دوتایی (با دو فلز) مرکب از ۷۰٪ مس و ۳۰٪ روی است. از طرف دیگر، آلیاژها می‌توانند دارای ساختار فوق العاده پیچیده ای باشند؛ نظیر یک ابر آلیاژ نیکلی مانند اینکونل ۷۱۸ که از آن برای ساخت قطعات موتور جت استفاده می‌شود در ترکیب اسمی خود حدود ۱۰ عنصر دارد.
ساده‌ترین نوع آلیاژ، یک محلول جامد است. محلول جامد فلزی به جامدی گفته میشود که اتم‌ها دو یا چند عنصر موجود در آن، در یک ساختار تک فاز پراکنده شده باشند.

به طور کلی دو نوع محلول جامد فلزی وجود دارد:

• محلول‌های جامد جانشینی
• محلول‌های جامد بین نشینی

محلول‌های جامد جانشینی

محلول‌های جامد جانشینی از محلول جامد فلزی، متشکل از دو عنصر، اتم‌های حل شده می‌توانند در شبکه بلوری حلال، جانشین اتم‌های آن بشوند. شکل 1 صفحه (۱۱۱) را در یک شبکه بلوری FCC نشان می‌دهد که در آن، چند اتم حل شده از یک عنصر، جایگزین اتم‌های حلال عنصر اصلی شده‌اند. در این حالت، ساختمان بلوری عنصر اصلی یا حلال عوض نمی‌شود. لیکن در اثر وجود اتم‌های حل شده، شبکه ممکن است از حالت طبیعی خود خارج شود، مخصوصا اگر اختلاف قطر اتمی قابل ملاحظه ای بین اتم‌های حلال و حل شده وجود داشته باشد.
کسر اتم‌های قابل حل از یک عنصر در عنصر دیگر می‌تواند از یک درصد اتمی معین تا صددرصد تغییر کند.

شرایط زیر جهت حلالیت حالت جامد زیاد یک عنصر در عنصر دیگر مطلوب هستند:

1. اختلاف قطر اتم‌های عناصر نبایستی از حدود ۱۵ درصد تجاوز کند.
2. ساختمان‌های بلوری دو عنصر بایستی یکسان باشند.
3. نبایستی بین دو عنصر اختلاف الکترونگاتیوی زیاد موجود باشد تا از تشکیل ترکیب شیمیایی بین آنها جلوگیری شود.
4. دو عنصر باید دارای ظرفیت اتمی برابر باشند.

شکل 1. محلول جامد جانشینی. دوایر تیره رنگ یک نوع اتم و دوایر با رنگ روشن نوع دیگر اتم را نشان می­دهند. صفحه اتم‌ها یک صفحه (111) در یک شبکه بلوری FCC است.

اگر قطر اتمی دو عنصر تشکیل دهنده محلول جامد متفاوت باشد در این صورت در شبکه بلوری حلال اعوجاج رخ خواهد داد. از آنجایی که هر شبکه اتمی فقط مقدار انقباض یا انبساط محدودی را می‌تواند تحمل کند؛ لذا جهت حفظ ساختمان بلوری محلول جامد، باید اختلاف قطر اتم‌ها در حد محدودی باشد. موقعی که اختلاف قطر اتمی از ۱۵ درصد بیشتر باشد، در این صورت «پارامتر اندازه» در حلالیت جامد خیلی نامساعد خواهد شد.

اصولا می‌توان از روی اختلاف شعاع اتمی، پیش بینی هایی انجام داد. در سیستم نمونه Cu-Si، اختلاف در ساختمان‌های بلوری حائز اهمیت است. در تمام این سیستمها اختلاف الکترونگاتیوی خیلی کمی وجود دارد. به استثنای Al و Si، بقیه عناصر ظرفیت‌های یکسانی دارند. در تجزیه و تحلیل نهایی، داده های تجربی بایستی مورد مرجعیت قرار گیرند.

اگر اتم‌های حل شده و حلال دارای ساختمان بلوری یکسانی باشند، در این صورت حلالیت جامد خیلی بیشتر خواهد بود. اگر قرار باشد که دو عنصر در تمامی نسبت‌ها حلالیت کامل نشان بدهند، در این صورت ساختمان بلوری هر دو عنصر الزاما باید یکسان باشد. اختلاف در الکترونگاتیوی عناصر متشکله محلول‌های جامد نیز نمی‌تواند زیاد باشد، زیرا در این صورت عنصر با الکتروپوزتیوی بالا الکترون از دست می‌دهد و عنصر با الکترونگاتیوی بالا الکترون می‌گیرد و در نتیجه یک ماده مرکب تشکیل می‌شود. موقعی که دو عنصر، دارای ظرفیت یکسان باشند، حلالیت در حالت جامد مساعد خواهد بود. اگر بین اتم‌ها، کمبود الکترون وجود داشته باشد در آن صورت پیوند میان آنها سست می‌گردد و این امر باعث ایجاد شرایط نامناسب در حلالیت جامد می‌شود.

محلول‌های جامد بین نشینی یا درون حفرهای

در محلول‌های جامد بین نشینی از محلول جامد فلزی یا درون حفره‌ای، اتم‌های حل شده در فضاهای میان اتم‌های حلال یا اتم‌های اصلی جای می‌گیرند. به این فضاها، حفره گفته می‌شود. محلول‌های جامد بین نشین وقتی می‌توانند تشکیل شوند که یکی از اتم‌ها خیلی بزرگتر از دیگری باشد؛ به عنوان مثال از اتم‌هایی که می‌توانند به خاطر کوچکی اندازه خود، محلول‌های جامد درون حفره‌ای تشکیل بدهند، می‌توان به هیدروژن، کربن، نیتروژن و اکسیژن اشاره کرد.

یک مثال مهم از یک محلول جامد بین نشین، محلولی است که از انحلال کربن در آهن FCC/γ به وجود می‌آید و بین دماهای 912 تا 1394 درجه سانتی گراد پایدار است. شعاع اتمی آهن γ برابر 0.129 (nm) و شعاع اتمی کربن برابر برابر 0.075 (nm) است، بدین ترتیب اختلاف شعاع اتمی کربن و آهن ۴۲ درصد است. اما علی رغم این اختلاف، در دمای 1148 درجه سانتی گراد حداکثر 2.08 درصد کربن می‌تواند به صورت درون حفره ای در آهن حل شود. شکل 2 این موضوع را به طور شماتیکی با نمایش تغییر شکل در اتم‌های شبکه آهن γ در اطراف اتم‌های کربن نشان می‌دهد. شعاع بزرگترین حفره بین اتمی در آهن FCC/γ برابر 0.053 (nm) است. از آنجایی که شعاع اتمی اتم کربن برابر 0.075 (nm) است، بنابراین جای تعجب ندارد که حداکثر حلالیت جامد کربن در آهن γ فقط 2.08 درصد باشد. شعاع بزرگترین حفره در آهن  FCC/α برابر 0.036 (nm) است و به همین خاطر، درست در زیر دمای 723 درجه سانتی گراد فقط 0.025 درصد کربن می‌تواند به صورت درون حفره‌ای در آن حل شود.

شکل 2. نمایش شماتیک یک محلول جامد بین نشینی یا درون حفره­ای کربن در آهن  (FCC)، در دمای درست بالای  است که صفحه (100) را نشان می­دهد. به تغییرشکل اتم‌های آهن (به شعاع ) در اطراف اتم‌های کربن (به شعاع ) دقت کنید. اتم‌های کربن در جاهای خالی به شعاع  قرار گرفته­اند.

مثال:

در شبکه آهن  (FCC) شعاع بزرگترین حفره بین اتمی را محاسبه کنید. شعاع اتمی آهن در شبکه FCC برابر 0.129 نانومتر است و بزرگترین حفره­های بین اتمی در موقعیت­های از نوع (0، 0، 1/2)، (0، 1/2، 0) و (1/2، 0،0) تشکیل می‌شوند.

حل:

شکل 3. صفحه (100) شبکه FCC شامل یک اتم بین نشین در مختصات موقعیت (0، 1/2، 0).