Твердые растворы внедрения образуют элементы внедрения с малыми атомными размерами. Значения атомных радиусов гх элементов внедрения приведены ниже:
Элемент внедрения……….. В С N О H
Гх, нм…………………… 0,091 0,077 0,071 0,063 0,046
Твердые растворы внедрения являются частным случаем фаз внедрения (к последним также относятся карбиды, нитриды, бориды, оксиды, гидриды и другие химические соединения переходных металлов с элементами внедрения). Твердые растворы внедрения всегда ограничены, а растворимость в них зависит от кристаллической структуры металла-растворителя и размеров атома элемента внедрения. Ограниченность твердых растворов внедрения определяется тем, что они сохраняют решетку металла-растворителя, а атомы внедрения в них занимают лишь вакантные междоузлия — октаэдрические и тетраэдрические поры в решетке металла-растворителя. Часть пор всегда не заполнена. Размеры этих пор для о. ц. к., г. ц. к. и г. п. у. решеток представлены ниже, а на рис. 14 приведена схема расположения пор в а – и у-железе:
О. ц. К. Г. ц. к. Г. п. у.
Октаэдрические
Поры……………………. 0,154^е 0,4\гМе 0,412гМе
Тетраэдрические
Поры……………………. 0,291л^ 0,22гМе 0,222гш
Примечание, г радиус атомов в узлах решетки металла – растворителя.
Наиболее благоприятными позициями расположения атомов внедрения в твердом растворе будут октаэдрические поры в ос-железе и окта – и тетраэдрические поры в ¦у-железе. Междоузлие обязательно должно быть меньше, чем размер атома внедрения, так как в противном случае прочной связи между атомами металла-растворителя и атомами внедрения не будет. Однако размер поры не должен быть и слишком малым, так как внедрение атома вызовет ослабление связей между атомами решетки растворителя, и структура такого твердого раствора будет неустойчивой. Какая из пор является наиболее благоприятной для размещения в ней атома внедрения, будет определяться не только ее размерами, но и количеством соседних атомов,
Рис. 14. Положение октаэдрнческнх (б, г) н тет – раэдрическнх пор в г. ц. к. (а, б) н о. ц.. к. (в, г) решетках
Претерпевших деформацию при образовании твердого раствора внедрения. Так, в а-железе растворение углерода и азота происходит в октаэдрических порах, меньших по размеру, чем тетраэдрические, так как в первом случае смещаются два атома вдоль ребра куба в направлении с малой плотностью упаковки, а во втором —четыре атома в направлении плотной упаковки. Таким образом, энергия деформации о. ц. к. решетки от внедрения атомов углерода или азота в окта-пору будет меньше, чем при внедрении их в тетра-пору.
Растворимость атомов внедрения увеличивается с уменьшением размера атомов, т. е. возрастает в ряду В — С — N — О — Н. Из перечисленных атомов внедрения наибольшее значение при рассмотрении легированных сталей имеют углерод и азот. Данные по их растворимости в а-железе приведены на рис. 15. Как видно, азот, имеющий меньший атомный радиус (0,071 нм), чем углерод (0,077 нм), растворяется в а-железе в значительно большем количестве. В «у-железе максимальная растворимость азота также больше, чем углерода (2,8 и 2,0%, соответственно). Значительно большая растворимость углерода и азота в у-железе по сравнению с а-железом связана с тем, что в г. ц. к решетке размер пор больше, а их число меньше, чем в о. ц. к.-решетке, т. е. для а-железа характерна большая
T.’C
100 BPO 500 UOO 300 200 100
К. /л
OtOWU \ ^llej orn /
/
/
/ /
/ *
/ 2,б-10~*°/М 1/1 < ‘
Рыхлость упаковки. Необходи-
723’С н