Связь между структурой и свойствами металлов и сплавов кратко

Обновлено: 07.07.2024

Металлы — кристаллические вещества, характеризующиеся высокими электро- и теплопроводностью, ковкостью, способностью хорошо отражать электромагнитные волны и другими специфическими свойствами. Свойства металлов обусловлены их строением: в их кристаллической решетке есть не связанные с атомами электроны, которые могут свободно перемещаться.

В технике обычно применяют не чистые металлы, а сплавы, что связано с трудностью получения чистых веществ, а также с необходимостью придания металлам требуемых свойств.

Применяемые в строительстве металлы делят на две группы: черные и цветные.

К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе (чугун и сталь).

Сталь — сплав железа с углеродом (до 2,14%) и другими элементами. По химическому составу различают стали углеродистые и легированные, а по назначению — конструкционные, инструментальные и специальные.

Чугун — сплав железа с углеродом (более 2,14%), некоторым количеством марганца (до 2%), кремния (до 5%), а иногда и других элементов. В зависимости от строения и состава чугун бывает белый, серый и ковкий.

К цветным металлам относятся все металлы и сплавы на основе алюминия, меди, цинка, титана и др.

Широкое использование металлов в строительстве и других отраслях экономики объясняется сочетанием у них высоких физико-механических свойств с технологичностью.

Металлы обладают высокой прочностью, причем прочность на изгиб и растяжение у них практически такая же, как и на сжатие (у каменных материалов прочность на изгиб и растяжение в 10… 15 раз ниже прочности на сжатие). Так, прочность стали более чем в 10 раз превышает прочность бетона на сжатие и в 100…200 раз прочность на изгиб и растяжение; поэтому, несмотря на то что плотность стали (7850 кг/м ) в 3 раза выше плотности конструкционного бетона (2400 + 50 кг/м ), металлические конструкции при той же несущей способности значительно легче и компактнее бетонных. Этому способствует также высокий модуль упругости стали (в 10 раз выше, чем у бетона и других каменных материалов). Еще более эффективны конструкции из легких сплавов.

Металлы очень технологичны: во-первых, изделия из них можно получать различными индустриальными методами (прокатом, волочением, штамповкой и т. п.), во-вторых, металлические изделия и конструкции легко соединяются друг с другом с помощью болтов, заклепок и сварки.

Однако с точки зрения строителя металлы имеют и недостатки. Высокая теплопроводность металлов требует устройства тепловой изоляции металлоконструкций зданий. Хотя металлы негорючи, но металлические конструкции зданий необходимо специально защищать от действия огня. Это объясняется тем, что при нагревании прочность металлов резко снижается и металлоконструкции теряют устойчивость и деформируются. Большой ущерб экономике наносит коррозия металлов. Металлы широко применяют в других отраслях промышленности, поэтому их использование в строительстве должно быть обосновано экономически.

Наука, изучающая состав, строение и свойства металлов и сплавов, а также зависимость между внутренним строением (структурой) и свойствами металлических сплавов называется металловедением.

Отличительными особенностями металлов являются: блеск, ковкость, непрозрачность, теплопроводность и электропроводность.

Указанные свойства сплавов имеют большое практическое значение, так как позволяют получать всевозможные металлоконструкции с показателями, отвечающими требуемым эксплуатационным условиям.

Применяемые в строительстве сплавы делят на две группы:
I группа — сплавы на основе железа (сталь, чугун);
II группа—сплавы на основе металлов (сплавы на медной, алюминиевой, магниевой и другой основе — бронза, латунь, силумины и др.).

К физическим свойствам металлов относятся: удельный вес, теплопроводность, электропроводность и температура плавления.

Удельный вес — это вес 1 см3 металла, сплава или любого другого вещества, выраженный в граммах. Например, удельный вес железа равен 7,88 г/см3. Удельные веса наиболее распространенных металлов приведены в табл. 1.

Теплопроводность — способность металлов и сплавов проводить тепло. Теплопроводность измеряется количеством тепла, которое проходит по металлическому стержню сечением 1 см2 за 1 мин.

Электропроводность — способность металлов и, сплавов проводить электричество. Это свойство наиболее характерно для чистых металлов. Для сплавов более характерным является свойство, обратное электропроводности — электросопротивление.

Удельным электрическим сопротивлением называется сопротивление проводника сечением 1 мм2 и длиной 1 м, выраженное в омах.

Температура плавления — степень нагрева, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое (табл. 1).

К механическим свойствам металлов и сплавов относят: твердость, прочность, упругость, пластичность.

Эти свойства обычно являются решающими показателями, определяющими способность металлов сопротивляться прилагаемым к детали, узлам и металлоконструкциям внешним нагрузкам, характеризующим пригодность сплава” или изделия к различным условиям эксплуатации.

Твердость — способность металла сопротивляться внедрению в его поверхность другого, более твердого тела. ,

Прочность — способность металла сопротивляться разрушению при действии на него нагрузки.

Упругость—способность металла принимать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки.

Пластичность (вязкость) — способность металла изменять первоначальные формы и размеры под действием нагрузки и сохранять приданные формы и размеры после прекращения ее действия.

К технологическим свойствам относят обрабатываемость резанием, ковкость, жидкотекучесть, усадку, свариваемость и другие свойства, определяющие пригодность материала к обработке тем или иным способом.

Обрабатываемость резанием — способность металла более или менее легко обрабатываться острым режущим инструментом.

Ковкость — способность металла поддаваться обработке давлением, принимать новую форму и размеры под влиянием прилагаемой нагрузки без нарушения целостности.

Жидкотекучесть — способность расплавленного металла или сплава заполнять литейную форму.

Усадка—уменьшение объема отливки при охлаждении сплава.

Свариваемость — способность металлов образовывать прочные соединения отдельных металлических заготовок путем их местного нагрева до расплавленного или пластического состояния.

Химические свойства металлов — это способность металлов вступать в соединения с различными веществами, и в первую очередь с кислородом. Чем легче металл вступает в соединение с другими элементами, тем легче он разрушается. Разрушение металлов и сплавов под действием окружающей среды называется коррозией.

Применяемые в строительстве металлы делят на две группы: черные и цветные.

К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе (чугун и сталь).

К цветным металлам относятся все металлы и сплавы на основе алюминия, меди, цинка, титана и др.

К механическим свойствам металлов и сплавов относят: твердость, прочность, упругость, пластичность.

Твердость — способность металла сопротивляться внедрению в его поверхность другого, более твердого тела. ,

Прочность — способность металла сопротивляться разрушению при действии на него нагрузки.

Жидкотекучесть — способность расплавленного металла или сплава заполнять литейную форму.

Усадка—уменьшение объема отливки при охлаждении сплава.

При образовании твердого раствора важен предел прочности

Существует четкая взаимосвязь между составом и структурой сплава, которая определяется типом диаграммы состояния и характеристиками сплава.

При образовании твердого раствора прочность на растяжение, предел текучести и твердость увеличиваются, сохраняя при этом достаточно высокую ductility. In при образовании твердого раствора входного типа прочность во много раз больше, чем при образовании замещенного твердого раствора той же концентрации.

Сочетание повышенной прочности и отличной пластичности позволяет использовать твердые растворы в качестве основы для конструкционных сплавов.

Благодаря своей высокой пластичности сплав-твердый раствор легко деформируется, но обработка резанием оказывается недостаточной. Такие сплавы обладают низкой Литейной способностью.

За счет образования твердого раствора электрическое сопротивление значительно возрастает. Поэтому сплав-твердый раствор широко используется в производстве проволочных нагревательных элементов и реостатов.

Получения высоких литейных свойств

Для получения высоких литейных свойств концентрация компонентов в сплаве превышает конечную растворимость в твердом состоянии и должна приближаться к эвтектическому составу. Эвтектический сплав обладает хорошей текучестью.

Однако, когда эвтектика появляется в структуре сплава, его пластичность значительно снижается. Поэтому в кованых сплавах содержание компонентов не превышает значения предельной растворимости при эвтектической температуре.

Соединения, образующиеся в сплаве, имеют значительно отличающиеся свойства от свойств исходного компонента. У них очень высокая твердость, но они рассыпчатые. Соединение очень важно как твердый структурный компонент сплава.

В состав сплава входят металлы (железо, медь, алюминий, никель и др.) и неметаллические элементы (углерод).Соединения, находящиеся в рассматриваемом интервале температур, если они не диссоциируют на составные части, могут быть компонентом. Количество компонентов, составляющих систему (сплав), может быть различным.

Чистые металлы-это однокомпонентные системы.

Техническая ценность материала зависит от структуры и выражается в его свойствах, например, сплав 2 металлов-2 компонента.

Структура материала характеризуется его структурой. Структура-это набор стабильных связующих элементов materials. It обеспечивает его целостность и сохранение основных характеристик, наряду с внешними и внутренними модификациями. Структура материала определяется многими факторами: строением атомов, ионов, молекул, распределением электронов в нем, типами связей между частицами. В зависимости от назначения изделия, металлы и сплавы нуждаются в определенных свойствах.

Сплавы, допускающие горячую и холодную обработку

Эти свойства подразделяются на 4 группы: физические, химические, механические и технические. Чистый металл после кристаллизации всегда состоит из одного и того же типа мелких кристаллов. Из злаков того же химического состава. Ряд частиц (кристаллитов) одного и того же химического состава называется фазой. Все чистые металлы однофазны. В отличие от чистых металлов, процесс формирования сплава значительно сложнее. Результаты кристаллизации редко становятся ясными.

Это обусловлено взаимной растворимостью компонентов, условиями охлаждения и последующей термообработкой. Если сплав состоит из частиц одинакового химического состава, то он однофазный (однородный).

Если образуются кристаллы различного химического состава, то сплав считается многофазным(гетерогенным) и его фазовый состав определяется типом образующихся кристаллов.

Зерно в разных фазах может сосуществовать по-разному. Структура частиц невидима невооруженным глазом, но она доступна только для микроскопического исследования тонких, полированных и вытравленных деталей.

Схема микроструктур сплавов

Существует четкая взаимосвязь между фазовым составом и свойствами сплава. Однофазные сплавы на основе ненасыщенных α-растворов пригодны для холодной и горячей деформации, так как обладают высокой пластичностью при низких и высоких температурах.

Поскольку при изменении температуры не происходит фазового превращения, исключается возможность термического упрочнения, и поэтому отверждается только холодная деформация. 。Многофазные сплавы с низкой пластичностью или хрупкими фазами имеют пониженную пластичность.

Фазовый состав и свойства сплавов

Реферат на тему	На заказ	Образец и пример
Связь между структурой и свойствами сплавов	Большинство различных металлических материалов, используемых в технологии, являются сплавами.	Чистые металлы не используются в технологии, поскольку они характеризуются низкой прочностью на растяжение.

Сплавы, содержащие компоненты, растворимость которых изменяется, допускают термическое упрочнение (за счет закалки и последующего старения).

Сплавы с составом, близким к эвтектическому, обладают повышенными литейными свойствами (из-за отсутствия крупных первичных кристаллов используются бывшие эвтектические сплавы).

Образовательный сайт для студентов и школьников

При образовании твердого раствора предел прочности, текучести и твердость повышаются при сохранении достаточно высокой пластичности. При образовании твердого раствора внедрения прочность во много раз больше, чем при образовании твердого раствора замещения той же концентрации.

Сочетание повышенной прочности и хорошей пластичности позволяет использовать твердые растворы как основу конструкционных сплавов.

Благодаря высокой пластичности сплавы — твердые растворы легко деформируются, но плохо обрабатываются резанием. Такие сплавы имеют низкие литейные свойства.

При образовании твердых растворов значительно увеличивается электросопротивление. Поэтому сплавы — твердые растворы широко применяют для изготовления проволоки электронагревательных элементов и реостатов.

Для получения высоких литейных свойств концентрация компонентов в сплавах должна превышать их предельную растворимость в твердом состоянии и приближаться к эвтектическому составу. Эвтектические сплавы обладают хорошей жидкотекучестью. Но при появлении в структуре сплава эвтектики сильно снижается его пластичность. Поэтому в деформируемых сплавах содержание компонентов не превышает величины предельной растворимости при эвтектической температуре.

Химические соединения, образующиеся в сплавах, обладают свойствами, резко отличающимися от свойств исходных компонентов. Они имеют очень высокую твердость, но хрупки. Химические соединения имеют большое значение в качестве твердых структурных составляющих в сплавах.

Диаграммы состояния сплавов

Для определения количества фаз в сплаве, их состава пользуются диаграммами фазового равновесия — диаграммами состояния. Диаграмма состояния — графическое изображение фазового состава сплава в состоянии равновесия или близком к нему в зависимости от содержания компонентов в сплаве и от температуры.

Температуры, при которых изменяются строение и свойства (происходят фазовые превращения) металлов и сплавов, называют критическими точками. Чистые металлы имеют одну критическую точку, которой является температура плавления (кристаллизации). Они плавятся и затвердевают при одной и той же постоянной температуре. В отличие от чистых металлов сплавы плавятся и кристаллизуются в интервале температур, т. е. они имеют две критические точки — температуру начала кристаллизации (полного расплавления) и температуру полного затвердевания (начала плавления) при охлаждении расплава (при нагревании сплава).

В расплавленном состоянии металлы обычно неограниченно растворимы друг в друге. В твердом состоянии их взаимная растворимость может изменяться.

Рассмотрим диаграмму состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (рис. 6).

Система состоит из двух компонентов А и В, полностью растворимых друг в друге в твердом состоянии. Ось абсцисс показывает изменение концентрации растворенного компонента В от 0 до 100 %, ось ординат — температуру, при которой рассматривается состояние системы.

Вертикальная линия, соответствующая чистому компоненту А (0 % В), является диаграммой состояния компонента А. При нагревании чистого компонента А он находится в твердом состоянии до температуры ТА, которая является температурой плавления (соответственно и температурой кристаллизации). При этой температуре компонент А плавится и выше этой критической точки находится в жидком состоянии.

Вертикальная линия, соответствующая чистому компоненту В (100 % В), является диаграммой состояния компонента В. Критическая точка — температура плавления Тв.

Сплав с содержанием 50 % В (вертикальная линия I), так же как и другие сплавы системы, имеет две критические точки Ts — температура начала плавления (конца кристаллизации) и TL — температура конца плавления (начала кристаллизации). Интервал температур от Ts до TL — это интервал плавления (кристаллизации) сплава.

Выше температуры TL сплав находится в расплавленном состоянии, представляет собой однофазную систему. Линия, соответствующая температурам, выше которых сплав полностью расплавлен, называется линией ликвидус (линия TATLTB на рис. 6).

Ниже температуры Ts сплав представляет собой твердый раствор L, система однофазна. Линия, соответствующая температурам, ниже которых сплав находится полностью в твердом состоянии, называется линией солидус (линия TATSTB на рис. 6).

В интервале кристаллизации TL — Ts сплав представляет собой двухфазную систему: часть сплава находится в жидком состоянии (расплав), остальной сплав в твердом состоянии (кристаллы L — твердого раствора).

Рассмотрим диаграмму состояния компонентов с ограниченной растворимостью друг в друге в твердом состоянии (рис. 7).

ТА И ТВ — температуры плавления компонентов А и В соответственно. Линия ТАСТВ — линия ликвидус. Линия TAECDTB — линия солидус.

Предельная растворимость компонента В в компоненте А соответствует точке F, компонента А в компоненте В — точке G. В интервале концентраций, соответствующих точкам Fn G, компоненты А и В друг в друге нерастворимы. После кристаллизации сплавы таких концентраций представляют собой двухфазную систему, состоящую из α и β — твердых растворов.

Сплав, соответствующий проекции точки С, является самым легкоплавким и называется эвтектическим. Этот сплав кристаллизуется (плавится) при постоянной температуре, при этом из расплава кристаллизуются одновременно две твердые фазы (α и β-растворы). Такой процесс называется эвтектическим превращением.

Эвтектика — это механическая смесь нескольких твердых фаз, одновременно кристаллизующихся при постоянной температуре из расплава.

Сплавы, относящиеся к области левее точки С до точки Е, называются доэвтектическими, правее точки С до точки D — заэвтектическими.

Связь между структурой и свойствами сплавов

Между составом и структурой сплава, определяемой типом диаграммы состояния, и свойствами сплава существует определенная зависимость.

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

Железоуглеродистые сплавы могут иметь следующие структурные составляющие.

Феррит (Ф) — твердый раствор внедрения углерода и других элементов в α-железе. Имеет объемно-центрированную кубическую решетку. Растворимость углерода в феррите очень мала: при комнатной температуре до 0,005 %; наибольшая растворимость 0,02 % при 727°С. Феррит высокопластичен и мягок, хорошо обрабатывается давлением в холодном состоянии.

Аустенит (А) — твердый раствор углерода и других элементов в у-железе. Существует только при высоких температурах. Предельная растворимость углерода в γ-железе 2,14 % при температуре 1147°С и 0,8 % при 727°С. Эта температура является нижней границей существования аустенита в железоуглеродистых сплавах. Аустенит высокопластичен, но более тверд, чем феррит.

Цементит (Ц) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C). В цементите содержится 6,67 % углерода. Температура плавления цементита около 1600°С. Имеет сложную кристаллическую решетку. Самая твердая и хрупкая составляющая железоуглеродистых сплавов. Цементит неустойчив и в определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита по реакции:

Fe3C → 3Fe + С.

Чем больше цементита в железоуглеродистом сплаве, тем выше его твердость.

Графит — аллотропическая модификация углерода. Графит мягок, прочность его очень низкая. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений различных форм. Форма графитовых включений влияет на механические и технологические свойства сплава.

Перлит (П) — механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,8 % углерода. Образуется при перекристаллизации (распаде) аустенита при температуре 727°С. Этот распад называется эвтектоидным, а перлит — эвтектоидом. Перлит обладает высокими прочностью, твердостью и повышает механические свойства сплава.

Ледебурит — механическая смесь аустенита и цементита, содержащая 4,3 % углерода. Образуется в результате эвтектического превращения при температуре 1147°С. При температуре 727°С аустенит превращается в перлит, и после охлаждения ледебурит представляет собой смесь перлита с цементитом. Ледебурит имеет высокую твердость и большую хрупкость. Содержится во всех белых чугунах

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.

В зависимости от состава и строения (структуры) сплавы различаются по свойствам и подразделяются на деформируемыеи литейные. По диаграмме состояний можно ориентировочно оценить свойства и составить классификацию сплавов.

На рисунке 15 представлена схема диаграммы состояния Al- компонент B. Сплавы – твердые растворы, например, на основе алюминия, обладают свойствами, близкими к свойствам алюминия, т.к. у твердых растворов сохраняется кристаллическая решетка металла–растворителя. Поэтому твердые растворы наиболее пластичны, хорошо деформируются.

Интерметаллические соединения (b или q), имея другую, чаще сложную кристаллическую решетку обладают высокой твердостью и хрупкостью.

Рис. 15. Схема диаграммы состояния Al - B.

Сплавы с содержанием компонента В меньше, чем а% (предельное содержание компонента В в твердом растворе на основе алюминия) обладают наибольшей пластичностью, следовательно, хорошо деформируются при обработке давлением (прессование, прокатка, ковка). Сплавы, кристаллизующиеся с образованием эвтектики, обладают пониженной пластичностью, и при некотором количестве эвтектики обработка давлением для них становится неосуществимой.

Наилучшими литейными свойствами обладают сплавы, близкие по составу к эвтектическому (е%, В) (рис. 15).

Сплавы делятся также на: термически неупрочняемыеи термически упрочняемые. Термическое упрочнение обусловлено фазовыми превращениями в твердом состоянии.

Сплавы, содержащие компонент В в количестве, не превышающем а₀%, являются термически неупрочняемыми (рис. 15).

В этих сплавах твердый раствор a охлаждается от линии солидус до комнатной температуры без каких-либо фазовых превращений. Эти сплавы характеризуются небольшой прочностью, высокой пластичностью и хорошей коррозионной стойкостью. Единственным способом упрочнения таких сплавов является холодная пластическая деформация. Сплавы, в которых содержание компонента В превышает а₀%, являются термически упрочняемыми сплавами. Они характеризуются высокой прочностью после упрочняющей термической обработки и применяются для изготовления наиболее нагруженных деталей.

Однофазные твердые растворы - наиболее пластичные, обладают повышенной вязкостью и поэтому очень плохо обрабатываются резанием (на токарных, строгальных и прочих станках).

Двухфазные сплавы, в которых кроме твердого раствора a имеются кристаллы эвтектики с содержанием b, q и других фаз на основе интерметаллических соединений, обладают повышенной прочностью и некоторой хрупкостью, что обеспечивает хорошую обрабатываемость резанием.

Требования к отчету

Отчет должен содержать: название и цель работы, порядок выполнения работы, все пункты порядка работы и выводы.

Контрольные вопросы

1. Какова природа фаз?

2. Определение эвтектического превращения в сплавах.

3. Определение фазового состава и структуры сплавов по диаграмме состояния.

4. Определение весовых количеств фаз и структурных составляющих.

Лабораторная работа № 4

Термическая обработка алюминиевых сплавов

Цель работы: изучить классификацию и назначение основных видов термической обработки алюминиевых сплавов, закономерности изменения структуры и свойств и выбор режимов упрочняющей термической обработки.

Порядок выполнения работы

1. Образцы сплавов Д16, АК4-1 и В95 нагреть до температур от 350°, 400°, 450°, 470°, 500°, 530° и 560°С и после 20-минутной выдержки закалить в воде. Измерить твердость по Бринеллю НВ/5/250 закаленных образцов, данные занести в таблицу 5.

2. Построить график зависимости твердости от температуры закалки. Дать объяснение характеру полученной зависимости.

3. Образцы сплавов Д16, АК4-1 и В95 закаленных с оптимальных температур подвергнуть старению в течение часа при 100°, 120°, 140°, 160°, 180°, 200°, 220°С и 240°С. Измерить твердость искусственно состаренных образцов, данные занести в таблицу 6.

4. Построить график зависимости твердости от температуры старения. Дать объяснения характеру полученной зависимости.

Читайте также: