Строение сплавов материаловедение кратко

Обновлено: 04.07.2024

ЛЕКЦИЯ № 5. Сплавы

1. Строение металлов

Металлы и их сплавы – основной материал в машиностроении. Они обладают многими ценными свойствами, обусловленными в основном их внутренним строением. Мягкий и пластичный металл или сплав можно сделать твердым, хрупким, и наоборот. Для того чтобы сознательно изменять свойства металлов, необходимо знать основы их кристаллического строения. Как известно, все тела состоят из большого количества атомов, которые удерживаются силами сцепления, совершая колебания большой частоты возле точек равновесия. Поскольку атомы разных металлов различны, каждый металл имеет свои определенные свойства. Эти свойства зависят от расположения атомов между собой, характера их связей, от расстояния между ними. Если изменить расстояние между атомами или порядок их расположения, изменятся и свойства металла. В аморфных телах – смоле, стекле, канифоли и т. п. – атомы расположены беспорядочно. В металлах они находятся в определенном геометрическом порядке, образуя кристаллы, поэтому металлы являются кристаллическими телами. Металлы различаются не только порядком расположения атомов, но и кристаллической решеткой, которая представляет собой воображаемую пространственную сетку, состоящую из элементарных ячеек, в узлах которой находятся атомы.

Различают следующие кристаллические решетки металлов с плотной упаковкой атомов: кубическую объемно—центрированную, кубическую гранецентрированную и гексагональную. В ячейке кубической объемно—центрированной решетки атомы расположены в вершинах и центре куба. Такая ячейка содержит девять атомов (хром, вольфрам, ванадий, молибден, литий, а при определенных температурах – железо и другие металлы).

В ячейке кубической гранецентрированной решетки атомы находятся в вершинах куба и на пересечении диагоналей каждой плоскости. Такая ячейка имеет 14 атомов (свинец, никель, медь, золото, серебро, пластина, железо при определенных температурах и другие металлы).

В ячейке гексагональной кристаллической решетки атомы располагаются в вершинах и в центре шестигранных оснований призмы, а три атома – в средней ее плоскости, при этом такая ячейка содержит 17 атомов (магний, цинк, кадмий, осмий, бериллий и другие металлы).

При определенных условиях некоторые металлы – железо, титан, цирконий, стронций, кобальт, кальций и другие могут перестраиваться из одного вида кристаллической решетки в другой, например из кубической объемно—центрированной – в гранецентрированную и даже гексагональную. Элементарная ячейка отображает только один элемент, или одну ячейку, кристаллической решетки.

Вся кристаллическая решетка в реальном металле состоит из большого числа многократно повторяющихся элементарных ячеек. Большое значение имеет расстояние между атомами ячейки кристаллической решетки или между параллельными атомными плоскостями, образующими элементарную ячейку. Чем больше это расстояние, тем менее прочен металл. Расстояние между ними измеряется в ангстремах – 1 А = = 10 –8 см или в нанометрах – 1 А = 0,1 нм.

Из практики известно, что железо прочнее меди, а медь прочнее алюминия.

2. Кристаллизация и структура металлов и сплавов

Порядок расположения атомов – тип кристаллической решетки – природное свойство металла, форма кристаллов и их размеры зависят от процесса перехода металла из жидкого состояния в твердое. Процесс образования кристаллов при затвердевании металлов называется кристаллизацией. При кристаллизации металлов выделяется тепло, а при переходе металлов из твердого состояния в жидкое происходит поглощение тепла. Наблюдения с помощью измеряющих температуру проборов за процессом понижения температуры

при переходе металла из жидкого состояния в твердое позволили установить определенную закономерность. Сначала температура понижается равномерно. В начальный период образования кристаллов вследствие выделения скрытой теплоты при формировании кристаллической решетки падение температуры прекращается, и она остается неизменной до полного затвердения металла. После того как весь металл затвердеет, температура снова начинает понижаться. Температура, соответствующая горизонтальной площадке, называется критической. Кристаллизация металлов подобна кристаллизации солей, и этот процесс состоит из двух элементарных процессов, протекающих одновременно. Первый заключается в образовании центров кристаллизации, или зародышей кристаллов, второй – в росте кристаллов из этих центров.

Первый этап – появление зародышей кристаллов металла. Второй этап – по мере остывания металла к зародышам присоединяются все новые и новые атомы жидкого металла, которые группируются в определенном порядке один возле другого, образуя элементарные ячейки кристаллической решетки. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не закончится кристаллизация. Причем кристаллы затвердевшего металла имеют неправильную и весьма разнообразную форму, что объясняется условиями кристаллизации.

В процессе кристаллизации увеличивается количество кристаллов – в 1 мм 3 может образоваться свыше 1000 кристаллов. Кристаллы, имеющие неправильную внешнюю форму, называются кристаллитами, или зернами. Чистые металлы относительно редко применяются в машиностроении и других отраслях хозяйственного комплекса. Более широко используются сплавы, состоящие из двух и более элементов (из двух металлов, например меди и цинка, или из металла и неметалла, например железа и углерода). Элементы, входящие в сплав, называются компонентами. В зависимости от расположения атомов в кристаллической решетке различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения. В твердом растворе замещения атомы растворимого компонента замещаются атомами растворителя, а в твердом растворе внедрения атомы растворителя размещаются между атомами растворимого компонента в наиболее слабых местах элементов кристаллической решетки.

Сплавы, представляющие собой твердые растворы, отличаются ценными свойствами. Они тверже и прочнее, чем входящие в него компоненты.

Компоненты некоторых сплавов при кристаллизации могут входить в химическую связь, образуя химическое соединение. Химические соединения обладают очень высокой твердостью и хорошим электросопротивлением.

3. Диффузионные и бездиффузионные превращения

Под диффузией понимают перемещение атомов в кристаллическом теле на расстояния, превышающие средние межатомные расстояния данного металла. Если перемещения атомов не связаны с изменением концентрации в отдельных объемах, то такой процесс называется самодиффузией. Диффузия, сопровождающаяся изменением концентрации, называется гетеродиффузией. В тех случаях, когда гетеродиффу—зия сопровождается образованием новых фаз, что наиболее часто имеет место при химико—технической обработке, она называется реактивной диффузией.

В основе процесса диффузии лежит атомный механизм, при котором каждый атом совершает более или менее случайные блуждания. Диффузионные превращения в металлах происходят при различных химико—термических обработках – хромировании, цементации, алютировании (алюминирование) и т. д.

Хромирование обеспечивает повышенную жаростойкость стали до 800 °C, высокую коррозионную стойкость в таких средах, как пресная и морская вода, уксусная и фосфорная кислоты, и эрозионную стойкость при низкой и высокой температурах.

Хромирование сталей, содержащих более 0,3–0,4 % углерода, повышает также твердость и износостойкость. При хромировании диффузионный слой состоит из раствора хрома в? – железе, а содержание хрома на поверхности составляет 25–50 %.

При этом процессе в случае применения CrCl ₂ протекает следующая реакция:

4. Классификация сплавов. Железо и его сплавы

Сталь и чугун – основные материалы в машиностроении. Они составляют 95 % всех используемых в технике сплавов.

Сталь – это сплав железа с углеродом и другими элементами, содержащий до 2,14 % углерода. Углерод – важнейшая примесь стали. От его содержания зависят прочность, твердость и пластичность стали. Кроме железа и углерода, в состав стали входят кремний, марганец, сера и фосфор. Эти примеси попадают в сталь в процессе выплавки и являются ее неизбежными спутниками.

Чугун – сплав на железной основе. Отличие чугуна от стали заключается в более высоком содержании в нем углерода – более 2,14 %. Наибольшее распространение получили чугуны, содержащие 3–3,5 % углерода. В состав чугунов входят те же примеси, что и в стали, т. е. кремний, марганец, сера и фосфор. Чугуны, у которых весь углерод находится в химическом соединении с железом, называют белыми (по виду излома), а чугуны, весь углерод которых или большая его часть представляет графит, получили название серых. В белых чугунах всегда имеется еще одна структурная составляющая – ледебурит. Это эвтектика, т. е. равномерная механическая смесь зерен аустенита и цементита, получающаяся в процессе кристаллизации, в ней 4,3 % углерода. Ледебурит образуется при температуре +1147 °C.

Феррит – твердый раствор небольшого количества углерода (до 0,04 %) и других примесей в? – железе. Практически это чистое железо. Цементит – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа.

Перлит имеет две разновидности. Если цементит в нем расположен в виде пластинок, его называют пластинчатым, если же цементит расположен в виде зерен, перлит называют зернистым. Под микроскопом пластинки цементита кажутся блестящими, потому что обладают большой твердостью, хорошо полируются и при травлении кислотами разъедаются меньше, чем пластинки мягкого феррита.

Если железоуглеродистые сплавы нагреть до определенных температур, произойдет аллотропическое превращение ? —железа в ? —железо и образуется структурная составляющая, которая называется аустенитом.

Аустенит представляет собой твердый раствор углерода (до 2,14 %) и других примесей в ? —железе. Способность углерода

При изучении структурных составляющих железоуглеродистых сплавов установлено, что они при комнатной температуре всегда состоят из двух структурных элементов: мягкого пластичного феррита и твердого цементита, упрочняющего сплав.

5. Диаграммы состояния сплавов

Сплавы можно получать при соединении большинства металлов друг с другом, а также с неметаллами. Диаграммы состояния сплавов дают наглядное представление о протекающих в сплавах превращениях в зависимости от их химического состава и температуры.

При построении диаграмм состояния сплавов на оси абсцисс указывают химический состав или концентрацию сплава в процентах. Для этого горизонтальную линию определенной длины делят на сто одинаковых частей и каждое деление принимают за 1 % одного из компонентов сплава.

Рис. 5. Диаграмма состояния сплавов системы свинец—сурьма (Pb—Sb)

Точка А соответствует чистому свинцу, а точка В – чистой сурьме. По оси ординат в определенном масштабе указывают температуру. Для того чтобы построить диаграмму состояния сплавов, сначала строят ряд кривых охлаждения сплавов одних и тех же элементов с различной концентрацией.

На основе этих кривых строят диаграмму. Сплавы, компоненты которых при затвердевании образуют только механические смеси, относятся к первой группе. Диаграмма этих сплавов условно называется диаграммой состояния первого рода. Диаграмма сплавов, образующих при затвердевании только твердые растворы, называется диаграммой состояния второго рода. Наиболее типичными для диаграмм первого рода являются сплавы свинца с сурьмой.

Построение диаграммы (первого рода) состояния сплавов Pb—Sb:

1) кривые охлаждения доэвтектических сплавов;

2) диаграмма состояния сплавов Pb—Sb;

3) кривые охлаждения заэвтектических сплавов. Диаграмма построена для пяти видов сплава свинца с сурьмой:

1) 5 % сурьмы и 95 % свинца;

2) 10 % сурьмы и 90 % свинца;

3) 20 % сурьмы и 80 % свинца;

4) 40 % сурьмы и 60 % свинца;

5) 80 % сурьмы и 20 % свинца.

Все они имеют две критические температуры: верхнюю и нижнюю. Изучение процессов кристаллизации этих сплавов показывает, что верхняя критическая температура соответствует началу, а нижняя – концу затвердевания сплава. Таким образом, процесс кристаллизации сплавов Pb—Sb резко отличается от кристаллизации чистых металлов. Сплавы кристаллизуются в интервале температур, а чистые металлы – при постоянной температуре.

Чистые металлы характеризуются низким пределом прочности, поэтому в машиностроении применяют главным образом их сплавы. Металлическим сплавом называют сложное вещество, полученное сплавлением (или спеканием) нескольких металлов или металлов с неметаллами. При этом улучшаются эксплуатационные и технологические свойства металлического материала.

Компонентами называют вещества, образующие систему. Чистый металл представляет собой однокомпонентную систему, сплав двух металлов — двухкомпонентную систему и т.д. Фазой называют однородную часть системы, имеющую одинаковый состав, одно и то же агрегатное состояние и отделенную от остальных частей системы поверхность раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяются скачкообразно. Совокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (давлении, температуре), называют системой.

Сплав называют однородным (гомогенным), если его структура однофазна, и разнородным (гетерогенным), если его структура состоит из нескольких фаз.

Под структурой сплава понимают видимое в микроскоп взаимное расположение фаз, их форму и размеры. Твердые растворы образуются в результате перехода в твердое состояние однородных жидких растворов. Твердые растворы бывают следующих типов: твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения. Независимо от типа твердые растворы однофазны.

Химические соединения образуются при сплавлении различных металлов или металла с неметаллом. Химическое соединение — однородное кристаллическое тело, имеющее кристаллическую решетку с упорядоченным расположением атомов, которая отлична от решеток элементов, образующих это соединение.

Механическая смесь двух компонентов А и В образуется тогда, когда при кристаллизации компоненты сплава неспособны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. Рентгенограмма сплава отчетливо показывает наличие двух решеток компонентов А и В.

Температуры, при которых изменяется строение металлов и сплавов, называют критическими точками. При плавлении и затвердевании чистые металлы имеют одну критическую точку, а сплавы — две. В интервале между этими двумя точками в сплавах существуют две фазы — жидкий сплав и кристаллы.

2. Диаграмма состояний для случая неограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии

Температура плавления меди 1083°С, никеля — 1445°С. Чистые металлы имеют одну критическую точку — температуру затвердевания (кристаллизации), а сплавы — две, т.е. сплавы, в отличие от чистых металлов, кристаллизуются в интервале температур. Например, кристаллизация сплава начинается при температуре t1, при этой температуре из жидкого сплава начинают выпадать первые кристаллы твердого раствора, а заканчивается кристаллизация при температуре t3. При этой температуре затвердевает последняя капля жидкого сплава. Разная температура конца кристаллизации сплавов свидетельствует о том, что состав твердой фазы непрерывно изменяется.

Верхняя линия на диаграмме обозначает начало затвердевания при охлаждении или конец расплавления при нагреве, нижняя — соответственно конец затвердевания или начало плавления. Эта диаграмма состояния сплава меди и никеля имеет три области. Область существования жидкого расплава

3. Диаграмма состояний сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов

Диаграммы состояния — показатели фазового состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Диаграммы состояния строят для условий равновесия, т.е. такого состояния сплава, которое достигается при очень малых скоростях охлаждения или длительном нагреве. Диаграммы состояния сплавов в равновесном состоянии являются теоретическими диаграммами, так как истинное равновесие в практических условиях достигается редко.

Область существования жидкого расплава ограничена сверху ломаной линией, соединяющей точки плавления висмута и кадмия через точку Е. В точке Е сплав (40% висмута и 60% кадмия) имеет одинаковые температуры ликвидуса и солидуса. Все остальные сплавы системы затвердевают и плавятся в пределах температурного интервала, который снизу ограничен горизонтальной линией солидуса. Сплав в точке Е имеет очень мелкие кристаллы висмута и кадмия, находящиеся в определенном взаимном расположении. Этот сплав называется эвтектикой, что в переводе с греческого означает легко плавящийся. Эвтектика — это механическая смесь двух (или более) видов кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкого сплава. Твердые сплавы, лежащие левее эвтектической точки Е, и сплавы, содержащие до 40% висмута, называют доэвтектическими, а лежащие правее точки Е и содержащие более 40% висмута — заэвтектическими. Доэвтектические сплавы состоят из смеси кристаллов висмута и эвтектики (кристаллы висмута + кристаллы кадмия), а заэвтектические — из смеси кристаллов кадмия с эвтектикой.

По этому типу диаграммы состояния кристаллизуются также сплавы систем Zn—Sn, Pb—Ag, Ni—Cr, Cr—Mn, Cu—Bi, Al—Si.

4. Диаграмма состояния сплавов для случая ограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии

Эта диаграмма состояний содержит три фазы — жидкий раствор, твердый раствор компонента В в компоненте А () и твердый раствор компонента А в компоненте В (α). Линия диаграммы KCD — линия ликвидуса, линия KECFD — линия солидуса (рис. 5). Кристаллы α выделяются из жидкого сплава (ж. с.) по линии ликвидуса КС, а кристаллы β — по линии CD. Затвердевание сплавов происходит по линии солидуса КЕ с образованием кристаллов α и по линии DF — с образованием кристаллов β. Одновременная кристаллизация α- и β-фаз с образованием механической смеси кристаллов этих фаз происходит на линии солидуса ECF.

Сплав состава точки С после затвердевания называется эвтектическим, поскольку он состоит только из одной эвтектики α + β. Составы сплавов, лежащих левее эвтектической точки С на линии ЕС после затвердевания, называются доэвтектическими сплавами и имеют структуру α + эвтектика (α + β). Составы сплавов, лежащих правее точки С на линии CF после затвердевания, называются заэвтектическими сплавами и имеют структуру β + эвтектика (α + β).

Предельная растворимость компонента В в А характеризуется точкой Е, а А в В — точкой F. При кристаллизации сплавов, состав которых находится левее точки S (или правее точки М), при любой температуре в твердом состоянии все количество компонента В (или А) находится в твердом растворе, и структура таких сплавов состоит из зерен α (или β).

В сплавах, состав которых находится между точками S и Е′, образовавшихся при затвердевании, кристаллы α при понижении температуры ниже линии ES пересыщены компонентом В, и поэтому из них происходит выделение избыточных кристаллов. Это кристаллы β концентрации точки М, называемые вторичными (β_II). Такие сплавы после полного охлаждения имеют структуру, состоящую из кристаллов α состава точки S и кристаллов β_II, т.е. α + β_II.

В сплавах состава линии ЕС, имеющих после затвердевания структуру α + эвтектика (α + β), из кристаллов α выделяются кристаллы β, и после полного охлаждения структура будет α + эвтектика (α + β) + β_II.

5. Диаграмма состояния сплавов, образующих химические соединения

Сплавы, представляющие собой химическое соединение компонентов А и В, имеют сложную диаграмму состояния. Химическое соединение обозначают АmВn, т.е. в соединении на m атомов компонента А приходится n атомов компонента В. Химические соединения представляют собой сложное соединение с одной точкой плавления, в отличие от сплавов, у которых таких точек две.

В данной системе различают три фазы:

жидкий раствор;
твердый раствор компонента В в компоненте А (фаза α) (рис. 6);
твердый раствор компонента А в компоненте В (фаза β).

Эта диаграмма как бы составлена из диаграмм для двух систем:

компонент А — химическое соединение АmВn;
компонент В — химическое соединение АmВn.

В сплавах левее точки С компонента А больше, чем входит

в химическое соединение АmВn. В этих сплавах левее точки промежуточного состояния образуется эвтектика α + АmВn. В сплавах правее точки С компонента В больше, чем может

входить в химическое соединение АmВn. В этих сплавах образуется эвтектика АmВn+ β.

Между составом и структурой сплава, определяемой типом, диаграммой состояния и свойствами сплава, существует определенная зависимость (правило Н.С. Курнакова). В механических смесях свойства (твердость Н, электропроводность Е, вязкость, хрупкость и др.) изменяются линейно. В твердых растворах свойства изменяются по криволинейной зависимости. В химических соединениях свойства выражаются ломаными линиями.

При концентрации, соответствующей химическому соединению, отмечается характерный перелом на кривой свойств, так как химические соединения обладают индивидуальными свойствами, отличающимися от свойств компонентов. По диаграммам можно определять и технологические свойства сплавов, что облегчает выбор материала для изготовления изделий.

6. Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

Основными компонентами, от которых зависят структура и свойства железоуглеродистых сплавов, являются железо и углерод. Чистое железо — металл серебристо-белого цвета; температура плавления 1539°С. Железо имеет две полиморфные модификации: α и γ. Модификация α существует при температурах ниже 91°С и выше 1392°С; γ-железо — при температуре 911…1392°С. В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие структурные составляющие:

Помимо перечисленных структурных составляющих, в железоуглеродистых сплавах могут быть нежелательные неметаллические включения: окислы, нитриды, сульфиды, фосфиды — соединения с кислородом, азотом, серой и фосфором.

Диаграмма (рис. 7) показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67%). Сплавы с содержанием углерода 2,14% называют сталью, а от 2,14 до 6,67% — чугуном.

Первичная кристаллизация, т.е. затвердевание жидкого сплава, начинается при температурах, соответствующих линии ликвидуса. Точка А на этой диаграмме соответствует температуре плавления 1539°С (затвердевания) железа, точка D — температура плавления (затвердения) ~ 1600°С цементита.

Линия солидуса AEСF соответствует температурам конца затвердевания. При температурах, соответствующих линии АС, из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а линии CD — цементит, называемый первичным цементитом.

В точке С при 1147°С и содержании углерода 4,3% из жидкого сплава одновременно кристаллизуются аустенит (А) и цементит (Ц) (первичный), образуя эвтектику — ледебурит (Л).

При температурах, соответствующих линии солидуса АЕ, сплавы с содержанием углерода до 2,14% окончательно затвердевают с образованием аустенита. На линии солидуса ECF сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,67% окончательно затвердевают с образованием эвтектики (ледебурита) и структур, образовавшихся ранее из жидкого сплава, а именно: в интервале 2,14…4,3%, С — аустенита, а в интервале 4,3…6,67% С — цементита первичного.

В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода до 2,14% (т.е. в сталях) образуется однофазная структура — аустенит. В сплавах с содержанием углерода более 2,14% (т.е. в чугунах) при первичной кристаллизации образуется эвтектика ледебурита.

Вторичная кристаллизация (превращение в твердом состоянии) происходит при температурах, соответствующих линиям GSE, PSK и GPQ. Превращения в твердом состоянии происходят вследствие перехода железа из одной аллотропической модификации в другую ( в ) и в связи с изменением растворимости углерода в аустените и феррите. С понижением температуры растворимость уменьшается. Избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита. В области диаграммы AGSE находится аустенит.

Процесс кристаллизации графита в сплавах железа с углеродом называют графитизацией. Она может происходить и в твердом состоянии, поскольку цементит при высоких температурах неустойчив. В этом случае графитизация происходит в несколько накладывающихся стадий:

распад цементита и растворение атомов углерода в аустените;
образование центров графитизации в аустените;
диффузия атомов углерода в аустените к центрам графитизации;
рост выделений графита.

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Лекция №2. Теория сплавов

Рассмотрим ряд основополагающих определений и понятий.

Сплав – вещество, полученное сплавлением двух и более элементов (компонентов). Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называются металлическим сплавом.

По количеству компонентов сплавы соответственно называются двойными, тройными и многокомпонентными.

Структурные составляющие – обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями.

Система – совокупность тел (твердых, жидких) в определенном объеме при определенных внешних условиях, взятых для исследования.

Компонент – простейшая часть (вещество) из образующих систему. В металлических сплавах компонентами являются элементы (металлы и неметаллы) и химические соединения (не диссоциирующие при нагревании)

Фаза – однородная часть системы, имеющая физическую границу раздела (поверхность), при переходе через которую химические состав или структура изменяются скачком.

2.1. Строение сплавов

Чистые металлы находят довольно ограниченное применение. Основными конструкционными материалами являются металлические сплавы. В основном сплавы получают путём кристаллизации жидкого расплава нескольких металлов, но могут быть и другие пути – спеканием, диффузией, осаждением и другие.

Почти все металлы в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях и образуют однородный жидкий раствор с равномерным распределением атомов одного металла среди атомов другого металла.

При образовании сплавов в процессе их затвердевания возможно различное взаимодействие компонентов. По характеру взаимодействия компонентов все сплавы подразделяются на три основных типа: механические смеси, твердые растворы и химические соединения.

Механическая смесь двух компонентов образуется, если они не способны к взаимодействию или взаимному растворению.

Каждый компонент при этом кристаллизуется в свою кристаллическую решетку. Структура механических смесей неоднородная, состоящая из отдельных зерен компонента А и компонента В. Свойства механических смесей зависят от количественного соотношения компонентов.

Если механическая смесь образуется при первичной кристаллизации, она называется эвтектической, если в результате вторичной – эвтектоидной.

Твердые растворы образуются, когда один компонент растворяется в другом. Тогда в твердом состоянии атомы одного компонента входят в кристаллическую решетку другого. Если атомы кристаллической решетки одного компонента А частичного замещаются атомами другого В, образуются твердые растворы замещения, рис. 2.1а. Твердые растворы замещения образуются элементами, атомные радиусы которых отличаются не более чем на 8 – 15%, но и в этом случае кристаллическая решетка растворителя искажается, не утрачивая своего строения.

Если атомы растворимого компонента В внедряются в пустоты решетки растворителя А, то образуются твердые растворы внедрения (рис. 2.1б). Следовательно, атомы растворимого элемента должны быть соизмеримы с пустотами кристаллической решетки растворителя. Концентрация твердых растворов внедрения не может быть высокой – не более 1…2%.

Рис. 2.1. Схемы твердых растворов замещения (а) внедрения (б)

Твердый раствор имеет однородную структуру и одну кристаллическую решетку. Обозначают твердые растворы буквами греческого алфавита α, β, γ, δ и т.д.

Химическое соединение образуется, если компоненты сплава А и В вступают в химическое взаимодействие. Химическое соединение имеет свою кристаллическую решетку, которая отличается от кристаллических решеток компонентов. При этом сохраняется кратное соотношение компонентов, что позволяет выразить состав химического соединения формулой А _n В _m .

Свойства химического соединения резко отличаются от свойств образующих его компонентов при этом они, как правило, обладают большой твердостью и хрупкостью (карбиды, нитриды и др.). Химическое соединение имеет однородную структуру, состоящую из одинаковых по составу и свойствам зерен, и может играть роль компонента в сплавах.

2.2. Диаграммы состояния двойных сплавов

Диаграмма состояния – графическое изображение состояния сплава изучаемой системы в зависимости от концентрации в нем компонентов и температуры. Диаграмма состояния показывает равновесные, устойчивые состояния сплава, т.е. такие, которые при данных условиях обладают минимальной свободной энергией.

Построение диаграмм состояния осуществляют различными экспериментальными методами. Наиболее часто используется метод термического анализа. Он заключается в том, что составляют несколько сплавов с различной концентрацией компонентов, расплавляют их и медленно охлаждают, фиксируя время охлаждения и температуру.

По полученным данным строят серию кривых охлаждения в координатах: время (τ, сек) – температура (t,°С), на которых наблюдают точки перегибов и температурные остановки – критические точки фазовых переходов (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Кривая охлаждения сплава

В отличие от чистых металлов сплавы кристаллизуются не при постоянной температуре, а в интервале температур, поэтому на кривых охлаждения сплавов есть две критические точки. В верхней критической точке, называемой точкой ликвидус (t _л ), начинается кристаллизация. В нижней критической точке - солидус (t _с ) кристаллизация завершается.

Диаграмму строят в координатах температура – концентрация. Линии диаграммы разграничивают области одинаковых фазовых состояний. Для построения диаграммы состояния используют большое количество кривых охлаждения для сплавов различных концентраций. При построении диаграммы критические точки переносятся с кривых охлаждения на диаграмму (оси температура – концентрация) и соединяются линией. В получившихся на диаграмме областях записывают фазы или структурные составляющие. Линия начала кристаллизации сплавов на диаграмме называется линией ликвидус , а линия окончания кристаллизации – солидус .

Вид диаграммы зависит от того, как взаимодействуют между собой компоненты.

Диаграмма состояния сплавов,

образующих механические смеси чистых компонентов (1 тип)

Рассмотрим кривые охлаждения нескольких сплавов системы А – В, имеющих различный состав (рис. 2.3). Кристаллизация чистого компонента А (100%) начинается в т.1 и заканчивается в т.1*, протекая при постоянной температуре. Выше этой температуры компонент А находится в жидком состоянии, ниже – в твердом. Аналогично происходит кристаллизация чистого компонента В.

Кривая охлаждения сплава (60% А + 40%В) аналогична кривым охлаждения чистых компонентов. На ней имеется также только одна температурная остановка 2-2*, т.е. кристаллизация происходит при постоянной температуре. Особенность кристаллизации этого сплава заключается в том, что происходит одновременная кристаллизация обоих компонентов – появляются и растут кристаллы, образуя мелкокристаллическую механическую смесь обоих компонентов (А+В).

Механическая смесь двух или более разнородных кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкости, называется эвтектикой (от эвтэо (греч.) – легкоплавкий). Сплав, отвечающий составу эвтектики, называют эвтектическим сплавом . Он имеет постоянную и минимальную температуру плавления (кристаллизации) для сплавов данной системы и постоянный химический состав.

Рис. 2.3. Диаграмма состояния сплавов, образующих механические смеси

чистых компонентов, состав сплавов: 1 – 100%А, 2 – 80%А+20%В,

3 – 60%А+40%В, 4 – 20%А+80%В, 5 – 100%В

Кристаллизация сплава (80%А + 20%В) происходит иначе. На кривой имеются две кристаллические точки: точка перегиба 1 и температурная остановка 2-2*. Выше т.1 сплав находится в жидком состоянии, в т.1 появляются первые зародыши кристаллов компонента А – начало кристаллизации. Выделение и рост зерен А продолжается до т.2. При этой температуре жидкий сплав, вследствие удаления из расплава компонента А в виде твердых кристаллов, приобретет эвтектический состав (60%А + 40%В) и при постоянной температуре, равной эвтектической, произойдет одновременная кристаллизация обоих компонентов (А+В), т.е. произойдет эвтектическое превращение .

Сказанное в равной степени относится и к сплаву (20%А + 80%В), отличие состоит лишь в том, что на участке 1–2 происходит образование и рост зерен компонента В. Для этих сплавов характерной особенностью является то, что кристаллизация на участке 1–2 происходит в интервале температур.

Полученные критические точки перенесем на диаграмму, где координатами будут концентрация и температура. Если затем соединить линией все точки начала кристаллизации (линия АСВ) и точки окончания кристаллизации линия (ДСF), то получим диаграмму состояния системы А – В . Линия АСВ – геометрическое место точек ликвидус, называется линией ликвидус . Линия ДСF – линией солидус . Выше линии ликвидус находится жидкость (расплав), ниже линии солидус – сплавы находятся в твердом состоянии. Сплав, отвечающий составу эвтектики (точка С), как уже указывалось, называется эвтектическим . Сплавы, находящиеся левее точки С, называют доэвтектическими . Их структура – избыточные кристаллы А и эвтектика (А+В). Сплавы, расположенные правее точки С, – заэвтектические , их структура кристаллы – В и эвтектика (А+В). Из этого следует что А, В и эвтектика (А+В) являются структурными составляющими сплавов .

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью

компонентов в твердом состоянии (2 тип)

Для таких сплавов возможно образование двух фаз: жидкого сплава Ж и твердого раствора α. На диаграмме две линии, верхняя – ликвидус и нижняя – солидус (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью

в твердом состоянии (3 тип)

В таких сплавах могут существовать три фазы: жидкий раствор (Ж), твердый раствор компонента В в компоненте А – (α) и твердый раствор компонента А в компоненте В – (β). Эта диаграмма содержит в себе элементы двух предыдущих (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью

компонентов в твердом состоянии

Линия АСВ – линия ликвидус, линия АЕСFВ – линия солидус. Линия ЕСF – линия эвтектики. Таким образом, здесь также образуется эвтектика, доэвтектические и заэвтектические сплавы. Линия РЕ – линия ограниченной растворимости компонента В в компоненте А, по этой линии происходит выделение вторичных кристаллов β _II (вследствие уменьшения растворимости компонента В в компоненте А с понижением температуры). Процесс выделения вторичных кристаллов называется вторичной кристаллизацией.

Диаграмма состояния сплавов, образующих устойчивые химические соединения (4 тип)

Рис. 2.6. Диаграмма 4 типа

Такая диаграмма характеризуется наличием вертикальной линии, соответствующей соотношению компонентов в химическом соединении А _n В _m (рис. 2.6). Эта линия делит диаграмму на две части, которые можно рассматривать как самостоятельные диаграммы сплавов, образуемых устойчивым химическим соединением и одним из компонентов. На рисунке представлена диаграмма для случая, когда каждый из компонентов образует с химическим соединением механическую смесь.

2.3. Пластическая деформация, наклеп и рекристаллизация

Пластическая деформация – это необратимая деформация, т.е. ее влияние на форму, структуру и свойства тела сохраняются после снятия нагрузки. При пластической деформации зерна деформируются, вытягиваются в направлении деформации, образуется волокнистая структура, увеличивается число дислокаций. При этом прочность и твердость металла повышается, а пластичность и вязкость снижаются. Явление упрочнения металла при пластической деформации называется наклепом , или нагартовкой .

Волокнистое строение и наклеп можно устранить при нагреве металла. Частичное снятие наклепа происходит уже при небольшом нагреве. Снимается искажение кристаллической решетки. Этот процесс называется возвратом (рис. 2.7). Но волокнистая структура при этом сохраняется.

При нагреве до более высоких температур в металле происходит образование новых равноосных зерен. Такой процесс называют рекристаллизацией. Наклеп при этом снимается полностью. Различают рекристаллизацию первичную и собирательную.

Рекристаллизация первичная (участок 1–2 на рис. 2.7) заключается в образовании зародышей и росте новых равновесных зерен с неискаженной кристаллической решеткой.

Собирательная рекристаллизация – вторая стадия процесса, заключающаяся в росте образовавшихся новых зерен. Рост зерен обусловлен стремлением системы к более равновесному состоянию за счет уменьшения внутренней поверхности зерен. Особенность собирательной рекристаллизации – вторичная рекристаллизация – рост отдельных зерен за счет других. Основными факторами, определяющими величину зерен, являются температура, продолжительность выдержки при нагреве и степень деформации.

Рис. 2.7. Схема изменения структуры и свойств наклепанного металла

при возврате (отдыхе) и рекристаллизации

Температура, при которой идет процесс рекристаллизации, называется температурой рекристаллизации . Абсолютная температура рекристаллизации

где а – коэффициент, зависящий от структуры и состава металла. Для особо чистых металлов а = 0,2, для металлов технической чистоты а = 0,3 – 0,4, для сплавов а = 0,5 – 0,6.

На практике наклеп устраняют рекристаллизационным отжигом.

Если деформирование происходит при температуре выше температуры рекристаллизации, то наклепа не происходит. Такая деформация называется горячей. Деформация, которая происходит при температуре ниже температуры рекристаллизации, называется холодной.

При повышении температуры или охлаждении железа полиморфные переходы происходят в последовательности:

Температуры фазовых переходов определяются методом термического анализа. В расплав вводят термопару и регистрируют изменение температуры при охлаждении или нагревании в системе координат температура - время. Фазовые переходы отражаются на кривых охлаждения (или нагревания) временным замедлением скорости изменения температуры - температурными остановками (рис. 13.1). Рисунок свидетельствует о четырех фазовых переходах при нагревании и охлаждении железа, то есть о полиморфизме железа.

Реальные кристаллические структуры отличаются от идеальных тем, что содержат различные дефекты: точечные (вакансии), одномерные (дислокации), двумерные (поверхностные), дефекты зерен, поверхность раздела фаз.
Металлы и сплавы, которые применяют в технике, являются телами поликристаллическими, то есть состоящими из большого количества монокристаллов. Свойства металлов зависят не только от физических свойств их атомов, но и от микро- и макроструктуры, поэтому механические свойства металлов могут существенно отличаться от свойств отдельных кристаллов этого металла. Изменение и разнообразие свойств металлов и сплавов, применяемых в технике, достигается путем варьирования фазового состава, морфологии отдельных зерен, расположения зерен, строения межфазовых границ.
Как было отмечено, сплавы состоят из нескольких металлов (компонентов сплава). При переходе сплава из жидкого в твердое состояние возможно образование твердых растворов, химических соединений и механических смесей компонентов, содержащихся в расплаве.
Твердые растворы
Твердыми растворами называют сплавы, в которых атомы различных металлов распределены в определенных пределах или неограниченно в общей кристаллической структуре. Растворимость в твердом состоянии характерна для всех кристаллических веществ.
Примесные атомы, или атомы легирующего элемента, могут образовывать с матрицей основного кристалла твердые растворы замещения или твердые растворы внедрения. Твердые растворы замещения образуются теми атомами, которые имеют близкие по размерам радиусы (различие не превышает 15 %). Электрохимические твердые растворы внедрения образуются, когда размеры атомов компонентов существенно различаются и возможно внедрение атомов одного компонента в пустоты между атомами другого компонента. Например, углерод образует с железом твердые растворы внедрения, в которых атомы С, имеющие радиус 0,77 А, размещены между атомами Fe (между узлами кристаллической структуры), атомный радиус которого составляет 1,26 А.
Химические соединения
Образуются путем химического взаимодействия компонентов с появлением нового химического соединения (вещества). Соединение образует новую кристаллическую структуру, отличную от структур исходных металлов, и обладает индивидуальными физическими свойствами.
Механические смеси
Образуются при одновременной кристаллизации из расплава нескольких компонентов (механическая смесь или эвтектика). Эвтектики могут состоять из чистых компонентов, твердых растворов, химических соединений.
Кристаллизация сплавов, имеющих сложное строение, может идти одновременно по трем названным выше вариантам.
Поведение сплавов при нагревании и охлаждении удобно изучать по диаграммам состояния, которые отражают в обобщенном виде результаты исследования процессов кристаллизации и структурно-фазовых превращений в системе. Диаграммы содержат данные о температурах начала и конца кристаллизации расплава, фазовых превращениях при нагревании и охлаждении и др. Построение диаграмм состояния производится на основании результатов исследований сплавов методами химического, термического, микроскопического и других анализов.
В зависимости от характера протекающих физико-химических процессов различают четыре типа диаграмм состояния двухкомпонентных (бинарных) систем.

Методику построения удобно рассматривать на диаграмме состояния 1-го типа (рис.13.3), когда компоненты бинарной системы неограниченно растворяются в жидком состоянии, не растворяются в твёрдом и образуют механическую смесь кристаллов (эвтектику). Система исследуется методом термического анализа. На графиках, отражающих характер изменения температуры при нагревании и охлаждении бинарной системы, имеются две температурных остановки (рис. 13.2). Первая температурная остановка на графике называется температурой начала кристаллизации (а), вторая - температурой конца кристаллизации (b). Если приготовить смеси с различным содержанием компонентов и выполнить термический анализ, то можно увидеть, что температура начала кристаллизации является величиной переменной, она зависит от концентрации компонентов. Температура конца кристаллизации от состава смеси не зависит. Далее полученные температурные остановки (критические точки) следует перенести на диаграмму состояния бинарной системы 1-го типа. Диаграмма строится в системе координат температура - концентрация компонентов. На диаграмме линии (t1 E) и (Е t2) соответствуют температурам начала кристаллизации сплава (линия ликвидуса), а линия (t3 E) - температуре конца кристаллизации (линия солидуса). Сплав, который кристаллизуется при температуре конца кристаллизации называется эвтектическим сплавом, или эвтектикой, и соответствует точке E на диаграмме.
Выше линии ликвидуса (t1 E t2) сплав находится в жидком состоянии, ниже линии солидуса (t3 E t3) - кристаллический сплав. Слева от точки E кристаллизация начинается с выделения из расплава кристаллов компонента А. В интервале температур сплав состоит из кристаллов компонента А и жидкой фазы. При понижении температуры содержание компонента А в жидкой фазе понижается по кривой (t1 E). Если перенести точку, соответствующую заданной температуре, на линию ликвидуса и далее на ось концентраций, можно определить состав жидкой фазы. Кристаллизация расплава заканчивается в точке E образованием механической смеси (эвтектики), состоящей из кристаллов компонентов А и В. В твердом состоянии сплав имеет неравномерно-зернистую кристаллическую структуру, содержит сравнительно крупные кристаллы компонента А и мелкокристаллическую эвтектику.
Кристаллизация сплава, состав которого находится справа от точки Е, начинается с выделения кристаллов компонента В и заканчивается образованием эвтектики.
Кристаллизация эвтектического сплава, соответствующего точке Е, происходит при минимальной для данной системы температуре.
На диаграмме (рис. 13.3) t1 и t2 - температуры кристаллизации чистых компонентов А и В.
Диаграмма состояния позволяет определить фазовый состав и структуру сплава при заданной температуре.
Если компоненты бинарной системы образуют химическое соединение, устойчивое в рассматриваемом интервале температур, то диаграмму можно считать составленной из двух диаграмм 1-го типа, так как химическое соединение можно рассматривать как независимый компонент (рис. 13.4).

Диаграмма состояния 2-го типа - компоненты обладают полной растворимостью в жидком и твёрдом состоянии (рис. 13.5). На дианрамме t1 и t2 - температуры плавления чистых компонентов A и В. Выше линии ликвидуса (t1 С t2) сплав находится в жидком состоянии, ниже солидуса (t1 D t2) - в твердом. При охлаждении расплава, соответствующего точке К до температуры t3, начинается выделение кристаллов твердого раствора. Состав кристаллов можно определить, если провести линию параллельную оси абсцисс до линии солидуса, состав кристаллов соответствует точке t4. Следовательно, выделяющиеся кристаллы будут содержать повышенное количество компонента с более высокой температурой плавления. При дальнейшем понижении температуры состав жидкой фазы будет изменяться по кривой (t3 С t1), а состав выделяющихся кристаллов по кривой (t4 D t1), то есть из расплава выделяются кристаллы твердого раствора компонента В в компоненте А переменного состава.
Диаграмма состояния 3-го типа - компоненты неограниченно растворяются в жидком состоянии и ограниченно - в твердом (рис. 13.6). Выше линии ликвидуса (t1 E t2) - компоненты находятся в жидком состоянии, ниже линии солидуса (t1 C E D t2) - в твердом. В области II существуют кристаллы твердого раствора компонента В в компоненте А и жидкий сплав; в области III - кристаллы твердого раствора компонента А в компоненте В и жидкий сплав; в области IV - твердые ненасыщенные растворы компонента В в компоненте А и; в области V - твердые ненасыщенные растворы компонента А в компоненте В; в области VI - совместное существование кристаллов твердого насыщенного раствора В в А и эвтектики, смеси кристаллов твердых растворов В в А и А в В; в области VII - совместное существование твердого насыщенного раствора А в В и эвтектики.

Максимальная растворимость компонента В в компоненте А в твердом состоянии соответствует точке С, а компонента А в компоненте В - точке D. С понижением температуры растворимость компонента В в компоненте А понижается по линии (С F), поэтому из твердого раствора выделяется компонент В в виде вторичного твердого раствора компонента В в компоненте А. По линии (D К) выпадает вторичный твердый раствор компонента А в компоненте В. В точке E образуется эвтектика - смесь кристаллов твердых растворов В в А и А в В.
В системе железо — углерод образуется химическое соединение - Fe3C, карбид железа (цементит). Диаграмма состояния железо - цементит широко используется в практике. По диаграмме можно судить о структуре медленно охлажденных сплавов, а также об изменении структуры в зависимости от температуры и содержания углерода в сплаве (рис. 13.7).

Основными структурами и структурными составляющими сплавов в системе Fe - Fe3C являются:
Феррит - твердый раствор углерода в aFe, максимальное содержание углерода при 727 °C - 0,02 %, существует при температуре ниже 911 °C.
Аустенит - твердый раствор углерода в γFe, существует при температуре выше 727 °C; ниже этой температуры распадается на феррит и цементит. Углерод образует твердый раствор внедрения. Максимальная растворимость углерода в γFe - 2,14 % (точка С на диаграмме).
Цементит - карбид железа Fe3C, содержит 6,67 % углерода, обладает высокой твердостью и хрупкостью. При медленном охлаждении сплава распадается с образованием феррита и графита.
Перлит - эвтектоидная смесь феррита и цементита, образуется при распаде аустенита при температуре 723 °C и содержании углерода - 0,83 %.
Ледебурит - эвтектическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при 1130 °C и содержании углерода 4,3 % (точка Е). Ледебурит твёрд, хрупок, при охлаждении аустенит, входящий в состав ледебурита, распадается на вторичный цементит и перлит.
Графит - образуется при распаде цементита на феррит и графит. Встречается в серых и ковких чугунах.
Диаграмма состояния Fe — Fe3C (рис. 13.7) более всего похожа на диаграмму 3-го типа (рис. 13.6) для компонентов, обладающих ограниченной растворимостью в твердом состоянии.
На диаграмме состояния Fe — Fe3C точка А соответствует температуре плавления железа и точка В - температуре плавления цементита. (AEB) -линия ликвидуса, в области I - жидкий сплав. (ACED) - линия солидуса. В области III существуют кристаллы первичного цементита и жидкий сплав, в области II - кристаллы аустенита переменного состава и жидкий сплав. По линии (С E D) кристаллизуется эвтектический сплав состава, соответствующего точке E; ледебурит состоит из кристаллов аустенита (твердого раствора углерода в γFe) и кристаллов первичного цемента, содержание углерода - 4,3 %.
При температуре, соответствующей линии солидуса, сплавы можно разделить на три группы:
1. 0-2,0 % С - аустенит, область IV на диаграмме (рис. 13.7).
2. 2,0-4,3 % С - аустенит + ледебурит (эвтектика), область IX.
3. 4,3-6,67 % С - первичный цементит + ледебурит, область X.
Превращения в системе Fe — Fe3C, протекающие при дальнейшем понижении температуры (ниже линии солидуса), обусловлены понижением растворимости углерода в γFe и превращением γFe → aFe.
По линии (G S) из аустенита выделяется aFe (феррит). Феррит выделяется, когда содержание углерода в сплаве не превышает 0,9 %. При более высоком содержании углерода выделяется цементит по линии (S С) (вторичный цементит). В точке S аустенит распадается на смесь мелких кристаллов феррита (αFe) и цементита, которая называется эвтектоидной смесью (эвтектоидом). Структура, соответствующая эвтектоидной смеси, называется перлитом, содержание углерода - 0,83 %.
Сплавы, содержащие до 2 % углерода, называют сталью, сплавы, содержащие от 2 до 6,67 % С, - чугуном. Чугуны и стали обладают различающимися физическими свойствами и областью применения в строительстве.

Читайте также: