تقوية المحلول الصلب

في علم المعادن ، يُعدّ تقوية المحلول الصلب نوعًا من أنواع السبائك التي تُستخدم لتحسين قوة المعدن النقي . ^{[ 1 ]} وتعتمد هذه التقنية على إضافة ذرات عنصر واحد (عنصر السبيكة) إلى الشبكة البلورية لعنصر آخر (المعدن الأساسي)، مُشكّلةً محلولًا صلبًا . يُصعّب عدم التجانس الموضعي في الشبكة البلورية الناتج عن عنصر السبيكة عملية التشوه اللدن، وذلك بإعاقة حركة الانخلاعات عبر حقول الإجهاد . في المقابل، يُمكن أن تُؤدي إضافة كميات من عنصر السبيكة تتجاوز حد الذوبان إلى تكوين طور ثانٍ ، مما يُؤدي إلى التقوية عبر آليات أخرى (مثل ترسيب المركبات بين الفلزية ).

اعتمادًا على حجم عنصر السبيكة، يمكن أن يتشكل محلول صلب استبدالي أو محلول صلب بيني. ^{[ 2 ]} في كلتا الحالتين، تُصوَّر الذرات على أنها كرات صلبة حيث يبقى التركيب البلوري العام دون تغيير جوهري. يُلخَّص الأساس المنطقي لهندسة البلورة في التنبؤ بذوبانية الذرات في قواعد هيوم-روثري وقواعد باولينغ .

يحدث تقوية المحلول الصلب الاستبدالي عندما تكون ذرة المذاب كبيرة بما يكفي لتحل محل ذرات المذيب في مواقعها الشبكية. بعض عناصر السبائك لا تذوب إلا بكميات ضئيلة، بينما تشكل بعض أزواج المذيب والمذاب محلولًا عبر كامل نطاق التركيبات الثنائية. عمومًا، تُلاحظ قابلية ذوبان أعلى عندما تكون ذرات المذيب والمذاب متقاربة في الحجم الذري (15% وفقًا لقواعد هيوم-روثري ) وتتخذ نفس البنية البلورية في حالتها النقية. من أمثلة الأنظمة الثنائية القابلة للامتزاج التام: نظاما النحاس-نيكل والفضة-ذهب المكعبان ذو المراكز الوجهية (FCC)، ونظام الموليبدينوم-التنغستن المكعب ذو المراكز الجسمية (BCC).

تتشكل المحاليل الصلبة البينية عندما تكون ذرة المذاب صغيرة بما يكفي (نصف قطرها يصل إلى 57% من نصف قطر ذرات المذيب) ^{[ 2 ]} لتستقر في المواقع البينية بين ذرات المذيب. تتكدس الذرات في هذه المواقع، مما يؤدي إلى انضغاط روابط ذرات المذيب وتشوهها (يمكن تفسير ذلك بقواعد باولينغ ). تشمل العناصر الشائعة الاستخدام لتكوين المحاليل الصلبة البينية الهيدروجين، والليثيوم، والصوديوم، والنيتروجين، والكربون، والأكسجين. يُعد الكربون الموجود في الحديد (الصلب) مثالًا على المحاليل الصلبة البينية.

تعتمد قوة المادة على مدى سهولة انتشار الانخلاعات في شبكتها البلورية. تُولّد هذه الانخلاعات مجالات إجهاد داخل المادة، وذلك تبعًا لطبيعتها. عند إضافة ذرات مذابة، تتشكل مجالات إجهاد محلية تتفاعل مع مجالات إجهاد الانخلاعات، مما يعيق حركتها ويؤدي إلى زيادة في إجهاد الخضوع للمادة، وبالتالي زيادة في قوتها. هذه الزيادة هي نتيجة لكل من تشوه الشبكة وتأثير معامل المرونة .

عندما تختلف ذرات المذاب والمذيب في الحجم، تتولد حقول إجهاد محلية قادرة على جذب أو صد الانخلاعات المجاورة لها. يُعرف هذا بتأثير الحجم. من خلال تخفيف إجهاد الشد أو الضغط في الشبكة البلورية، يُمكن أن يُؤدي عدم تطابق حجم المذاب إلى وضع الانخلاع في حالة طاقة أقل. في المحاليل الصلبة الاستبدالية، تكون حقول الإجهاد هذه متناظرة كرويًا، أي أنها لا تحتوي على مُركبة إجهاد قص . وبالتالي، لا تتفاعل ذرات المذاب الاستبدالية مع حقول إجهاد القص المميزة للانخلاعات اللولبية. في المقابل، في المحاليل الصلبة البينية، تُسبب ذرات المذاب تشوهًا رباعيًا، مُولدةً حقل قص يُمكنه التفاعل مع الانخلاعات الحافية واللولبية والمختلطة. يعتمد انجذاب أو صد الانخلاع لذرة المذاب على ما إذا كانت الذرة تقع فوق أو تحت مستوى الانزلاق. على سبيل المثال، لنفترض انخلاعًا حافيًا يُصادف ذرة مذاب أصغر حجمًا فوق مستوى انزلاقه. في هذه الحالة، تكون طاقة التفاعل سالبة، مما يؤدي إلى انجذاب الخلع نحو المذاب. ويعود ذلك إلى انخفاض طاقة الخلع بفعل الحجم المضغوط الموجود فوق مركز الخلع. لو كانت ذرة المذاب أسفل مستوى الانزلاق، لكانت ذرة المذاب ستتنافر مع الخلع. مع ذلك، فإن طاقة التفاعل الكلية بين خلع حافّي وذرة مذاب أصغر تكون سالبة لأن الخلع يقضي وقتًا أطول في المواقع ذات طاقة التجاذب. وينطبق هذا أيضًا على ذرة المذاب الأكبر حجمًا من ذرة المذيب. وبالتالي، فإن طاقة التفاعل التي يحددها تأثير الحجم تكون سالبة عمومًا. ^{[ 3 ]}

يمكن لمعامل المرونة لذرة المذاب أن يحدد مدى التقوية. ففي حالة المذاب "اللين" ذي معامل المرونة الأقل من معامل مرونة المذيب، تكون طاقة التفاعل الناتجة عن عدم تطابق معامل المرونة ( U _modulus ) سالبة، مما يعزز طاقة التفاعل الحجمي ( U _size ). في المقابل، يكون معامل المرونة (U _modulus) موجبًا في حالة المذاب "الصلب"، مما ينتج عنه طاقة تفاعل كلية أقل من تلك الخاصة بالذرة اللينة. على الرغم من أن قوة التفاعل سالبة (جاذبة) في كلتا الحالتين عندما يقترب الانخلاع من المذاب، فإن القوة القصوى ( F _max ) اللازمة لفصل الانخلاع عن أدنى حالة طاقة (أي ذرة المذاب) تكون أكبر في حالة المذاب اللين مقارنةً بالمذاب الصلب. ونتيجةً لذلك، يُقوّي المذاب اللين البلورة أكثر من المذاب الصلب نظرًا للتقوية التآزرية الناتجة عن الجمع بين تأثيرات الحجم ومعامل المرونة. ^{[ 3 ]}

تُهيمن تأثيرات التفاعل المرن (أي تأثيرات الحجم ومعامل المرونة) على تقوية المحاليل الصلبة في معظم المواد البلورية. مع ذلك، قد تلعب تأثيرات أخرى، بما في ذلك تأثيرات الشحنة وعيوب التراص، دورًا أيضًا. بالنسبة للمواد الصلبة الأيونية حيث يُحدد التفاعل الكهروستاتيكي قوة الرابطة، يكون تأثير الشحنة مهمًا أيضًا. على سبيل المثال، قد تُؤدي إضافة أيون ثنائي التكافؤ إلى مادة أحادية التكافؤ إلى تقوية التفاعل الكهروستاتيكي بين المذاب وذرات المصفوفة المشحونة التي تُشكل الانخلاع. مع ذلك، تكون هذه التقوية أقل من تأثيرات التقوية المرنة. بالنسبة للمواد التي تحتوي على كثافة أعلى من عيوب التراص ، قد تتفاعل ذرات المذاب مع عيوب التراص إما تجاذبيًا أو تنافريًا. يُؤدي هذا إلى خفض طاقة عيوب التراص، مما يُؤدي إلى تنافر الانخلاعات الجزئية ، وبالتالي يجعل المادة أقوى. ^{[ 3 ]}

تُعدّ عملية الكربنة السطحية، أو التصليد السطحي ، مثالاً على تقوية المحلول الصلب، حيث تزداد كثافة ذرات الكربون المذابة بالقرب من سطح الفولاذ، مما ينتج عنه تدرج في تركيز ذرات الكربون في جميع أنحاء المادة. وهذا يُحسّن الخواص الميكانيكية لسطح الفولاذ دون الحاجة إلى استخدام مادة أغلى ثمناً للمكوّن. ^{[ 4 ]}

يؤدي تقوية المحلول الصلب إلى زيادة مقاومة الخضوع للمادة عن طريق زيادة إجهاد القص.${\displaystyle \tau }$، لتحريك الانخلاعات: ^{[ 1 ] [ 2 ]}

${\displaystyle \Delta \tau =Gb\epsilon ^{\tfrac {3}{2}}{\sqrt {c}}}$

حيث c هو تركيز ذرات المذاب، وG هو معامل القص ، و b هو مقدار متجه برجر ، و${\displaystyle \epsilon }$يمثل هذا الإجهاد الشبكي الناتج عن المذاب. ويتكون من حدين، أحدهما يصف تشوه الشبكة والآخر يصف التغير في معامل المرونة المحلي.

${\displaystyle \epsilon =|\epsilon _{G}-\beta \epsilon _{a}|}$ هنا،${\displaystyle \epsilon _{G}}$المصطلح الذي يصف تغير معامل المرونة المحلي،${\displaystyle \beta }$ثابت يعتمد على ذرات المذاب و${\displaystyle \epsilon _{a}}$هو مصطلح تشوه الشبكة.

يمكن وصف مصطلح تشوه الشبكة على النحو التالي:

${\displaystyle \epsilon _{a}={\dfrac {\Delta a}{a\Delta c}}}$، حيث a هو معامل الشبكة للمادة.

وفي الوقت نفسه، يتم التعبير عن تغير معامل المرونة المحلي في الصيغة التالية:

${\displaystyle \epsilon _{G}={\dfrac {\Delta G}{G\Delta c}}}$، حيث G هو معامل القص لمادة المذاب.

لتحقيق تقوية ملحوظة للمادة عبر تقوية المحلول، ينبغي إضافة عناصر ذات معامل قص أعلى، مما يزيد من معامل القص الموضعي في المادة. إضافةً إلى ذلك، ينبغي إضافة عناصر ذات ثوابت شبكية مختلفة. فكلما زاد الفرق في معامل الشبكة، زادت مجالات الإجهاد الموضعية الناتجة عن إضافة العناصر. وتؤدي إضافة عناصر ذات معامل قص أعلى أو ذات ثوابت شبكية مختلفة جدًا إلى زيادة الصلابة وظهور مجالات إجهاد موضعية على التوالي. وفي كلتا الحالتين، يُعاق انتشار الانخلاعات في هذه المواقع، مما يعيق اللدونة ويزيد من مقاومة الخضوع بما يتناسب مع تركيز العنصر المذاب.

يعتمد تقوية المحلول الصلب على:

• تركيز ذرات المذاب
• معامل القص لذرات المذاب
• حجم ذرات المذاب
• تكافؤ ذرات المذاب (للمواد الأيونية)

بالنسبة للعديد من السبائك الشائعة، يمكن إيجاد قيم تجريبية تقريبية للزيادة في التقوية المقدمة على شكل: ^{[ 2 ]}

${\displaystyle \Delta \sigma _{s}=k_{s}{\sqrt {c}}}$

أين${\displaystyle k_{s}}$معامل تقوية المحلول الصلب و${\displaystyle c}$هو تركيز المذاب في الكسور الذرية.

مع ذلك، لا ينبغي إضافة كمية كبيرة من المذاب تؤدي إلى ترسيب طور جديد. يحدث هذا عندما يصل تركيز المذاب إلى نقطة حرجة معينة موضحة في مخطط أطوار النظام الثنائي . وبالتالي، يحدد هذا التركيز الحرج مقدار تقوية المحلول الصلب التي يمكن تحقيقها باستخدام مادة معينة.

• قوة المواد
• آليات تقوية المواد

• تقوية الحديد والصلب