Теория сплавов материаловедение кратко

Обновлено: 05.07.2024

10. Сплавы. Основные понятия и термины: сплав, компонент, фаза, структура, равновесное и неравновесное состояния.

Сплавы – это вещества, состоящие из двух или более элементов периодической системы. Получают их с помощью спекания или сплавлением. Компонент – вещество, образующее сплав. Фаза – пространственно ограниченная и отличная от других часть системы, имеющая свою кристаллическую решётку и свои свойства. Гомогенные вещества имеют одну фазу, а гетерогенные – несколько фаз. Структура – строение металла, в котором можно различать отдельные фазы, их форму, размеры и взаимное расположение. Структура влияет на свойства. Равновесное состояние – когда в сплаве все фазы, присущие этой системе оформлены. Это состояние обеспечивается при медленном охлаждении, можно различать размеры и формы фаз. Неравновесное состояние – процесс образования и обособления фаз не закончился, образуется при быстром охлаждении.

11. Сплавы. Классификация сплавов. Зависимость структуры сплава от положения компонентов в периодической системе Д.И. Менделеева.

Химические соединения, твёрдые растворы, смеси (механические). Если оба компонента теряют свою кристаллическую решётку, и у сплава образуется новая решётка, то это хим. соединение. Если один из компонентов сохраняет кристаллическую решётку, а другие её теряют, такие сплавы наз. твёрдыми растворами. Если оба компонента сохраняют кристаллическую решётку и свойства, то сплавы называются смесями. Хим. соединения: металлы обладают восстановительными свойствами, а неметаллы – окислительными. Сплавы: стали, чугуны, медные, алюминиевые, магниевые, титановые, оловянистые и свинцовые сплавы.

12. Диаграммы состояния двойных сплавов (основные типы). Закономерности Н.С. Курнакова.

Диаграмма состояния сплавов показывает фазовое или структурное состояние в зависимости от сплавов. Процесс кристаллизации начинается на линии ликвидус и заканчивается на солидус. Свойства сплавов твёрдых растворов изменяются по параболической зависимости при добавлении второго компонента.

Оба компонента имеют разную химическую природу.

13. Диаграммы состояния сплавов. Правило отрезков.

Для определения состава твёрдой и жидкой фазы какой-то точки необходимо провести коноду. Для определения количественного состава фаз в сплаве нужно брать отрезки на коноде обратно расположению фаз на диаграмме. Qα относится так к Qспл, что Qα/Qспл = lk/ls, а Qж/Qспл = ks/ls.

14. Сплавы. Деформируемые и литейные сплавы. Особенности строения и свойства.

Литейный сплав в твёрдом состоянии хрупок, происходит разрушении в условиях растяжения или изгиба (ударного). Деформируемый сплав пластичен.

Напряжение σ = P/F0, P – действующая нагрузка, F0 – площадь образца, которую он имеет в начале испытания на растяжение. Важнейшая характеристика: σВ – предел прочности при растяжении, что соответствует наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца. σВ – сопротивление большой пластической деформации. Чем больше энергия атомов, тем выше σВ. Структура с мелким зерном прочнее, чем структура с крупным.

σТ – предел текучести, для пластичных материалов σТ ≈ 0,5σВ. Условный предел текучести σ0,2 = 0,5-0,7 σВ. HB – твёрдость по Бринелю, характеризует сопротивление металла большой пластической деформации в условиях сжатия. P = 3000 кг, диаметр шарика = 10 мм. HB = P/Fотп [кгс/мм2]. Чем выше HB, тем труднее изготавливать детали. Линейная зависимость: σВ ≈ HB/3. Пластичность определяется в испытаниях на растяжение. lн – начальная длина образца, lк – конечная. Относительное удлинение σ% = (lк-lн)/lн·100%. Это характеристика надёжности материала. Относительное сужение ψ% = (dк-dн)/dн·100%, d – диаметр образца. Ударная вязкость – хар-ка, показывающая сопротивление материала к динамическим нагрузкам. Ударная вязкость aн = (P·H-P·h)/S [кгс/мм2]. Модуль Юнга E (нормальной упругости) показывает связь между нагрузкой и деформацией. Чем жёстче материал, тем выше E. EFe = 20000 кгс/мм2.

15. Способы упрочнения сплавов.

Наклёп – упрочнение металлов и сплавов в результате измельчения зерна при холодной пластической деформации. Перекристаллизация – упрочнение в результате измельчения зерна при полиморфном превращении. Дисперсионное твердение – упрочнение сплавов в результате выделения мелких частиц второй фазы из пересыщенного твёрдого раствора.

16. Деформация упругая и пластическая. Упрочнения металлов при пластической деформации.

Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки. При упругом деформировании под действием внешней силы изменяется расстояние между атомами в крист. решётке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места и деформация исчезает. При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой. Если нагрузку снять, то перемещённая часть кристалла не возвратится на старое место, деформация сохранится. Наклёп. Перекристаллизация. Дисперсионное твердение.

17. Холодная и горячая пластические деформации. Условия деформирования. Влияние на структуру и свойства металлов и сплавов.

Если пластическая деформация осуществляется при температуре выше Tр, то наклёпа нет. Эта деформация называется горячей пластической деформацией. Холодная пластическая деформация (давление) происходит при температуре ниже Tр, возникает упрочнение.

18. Рекристаллизация сплавов, влияние на структуру и свойства. Температура рекристаллизации по А.А. Бочвару.

Рекристаллизация – возвращение свойств в первоначальное состояние в процессе нагрева наклёпанного металла. Процессы: уменьшение количества дефектов, рост зерна (до исходного). А.А. Бочвар показал: Tр = a·TплК (в Кельвинах). Чем выше Tпл, тем выше Tр. Вольфрам, молибден – самые тугоплавкие Me. Если чистый Me – a ≈ 0,2, механические смеси – a ≈ 0,4, твёрдые растворы – a ≈ 0,6, химические соединения – a ≈ 0,8.

19. Диффузионные и бездиффузионные процессы в металлических сплавах, влияние на свойства.

Бездиффузионные характеризуются перемещением атомов в пределах элементарной ячейки крист. решётки, высокой скоростью. Диффузионные превращения характеризуются перемещением атомов на большие расстояния. Они ускоряются с повышением температуры. К таким процессам относят частичный расплав твёрдого раствора α1 → α2 +β.

Чистые металлы находят довольно ограниченное применение в качестве конструкционных материалов. Основными конструкционными материалами являются сплавы. Они обладают более ценными комплексами механических, физических и технологических свойств, чем чистые металлы.

Сплавом называют вещество, полученное сплавлением двух или более элементов (компонентов).

Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называют металлическим сплавом. Металлические сплавы можно также получать методами порошковой металлургии (спеканием), диффузией, осаждением нескольких элементов на катоде при электролизе водных растворов.

К основным понятиям в теории сплавов относятся система, компонент, фаза.

Система — группа тел, выделяемых для наблюдений и изучения. В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы.

Компонентами называют вещества, образующие систему, взятые в наименьшем количестве. В металлических сплавах компонентами могут быть элементы (металлы и неметаллы) и химические соединения (не диссоциирующие при нагревании). Чистые компоненты обозначаются прописными буквами латинского алфавита А, В, С, Д.

Фазой называется однородная часть системы, отделенная от другой части системы поверхностью раздела, при переходе через которую состав, строение и свойства изменяются скачком.

Сплавы могут быть однофазными, двухфазными, трехфазными.

В зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы, твердые растворы и химические соединения.

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

Твердые растворы — это фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (или другого) компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры.

Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу.

В зависимости от характера распределения атомов элемента различают твердые растворы внедрения, замещения и вычитания.

В твердых растворах внедрения атомы растворимого элемента распределяются в кристаллической решетке металла-растворителя, занимая места между его атомами. Разместиться в таких пустотах могут только атомы с очень малыми размерами. Наименьшие размеры атомов имеют некоторые металлоиды и водород, азот, углерод, бор, которые и образуют с металлами твердые растворы внедрения.

В твердых растворах замещения атомы растворимого элемента занимают места атомов основного металла. Посторонние атомы могут замещать атомы растворителя в любых местах, поэтому такие растворы называют неупорядоченными твердыми растворами.

Твердые растворы замещения могут быть ограниченной и неограниченной растворимости. Так, в алюминии может растворяться до 5,5 % меди, в меди — до 39% цинка. Неограниченной растворимостью обладают, например, компоненты систем: Сu-Ni, Cu-Au, Ag-Au, Cu-Pt, Fe-Cr, Fe-Ni. Для образования твердых растворов неограниченной растворимости должны выполняться следующие условия: компоненты должны иметь одинаковые по типу кристаллические решетки; различие в атомных размерах компонентов должно быть незначительным и не превышать 8…15 % (например, Аg и Cu — DR = 0,2%, Сu и Ni — DR = 2,7 %); компоненты должны принадлежать к одной и той же группе периодичной системы или смежной родственной группе и иметь в атомах близкое строение валентной оболочки электронов.

В некоторых сплавах с понижением температуры в твердых растворах замещения может произойти процесс перераспределения атомов, в результате которого атомы растворенного элемента займут строго определенные места в решетке растворителя. Такие твердые растворы называют упорядоченными, а их структуру — сверхструктурой. Температуру перехода в упорядоченное состояние называют ”точкой Курнакова”. Полностью упорядоченные растворы образуются, когда отношение компонентов в сплаве равно целому числу: 1:1, 1:2, 1:3 и т.д. В этом случае сплаву можно приписать формулу химического соединения, например, CuAu, Cu₃Au. Их можно рассматривать как промежуточные фазы между твердыми растворами и химическими соединениями. В отличие от химического соединения сохраняется решетка растворителя, и при нагреве выше точки Курнакова степень упорядочения постепенно уменьшается и они становятся неупорядоченными. Упорядоченные твердые растворы характеризуются большей твердостью, прочностью, меньшей пластичностью и электросопротивлением.

Твердые растворы вычитания образуются на основе некоторых химических соединений, когда к этому химическому соединению добавляется один из входящих в его формулу элементов. Атомы этого элемента занимают нормальные положения в решетке соединения, а места, где должны были бы находиться атомы второго компонента, оказываются незаполненными, пустыми. Такие твердые растворы образуются, например, при сплавлении химического соединения NiAl с Аl, карбида титана ТiС с Тi, когда FeО растворяет кислород.

Твердые растворы принято обозначать строчными буквами греческого алфавита a, b, g, d.

Химические соединения и родственные им по природе фазы в металлических сплавах многообразны. Они обычно образуются элементами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решетках.

Характерные особенности химических соединений:

кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов, образующих соединение;
сохраняется простое кратное соотношение компонентов в виде АnВm;
свойства соединения резко отличаются от свойств образующих его компонентов;
температура плавления (диссоциации) постоянная.

Образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.

Соединения одних металлов с другими называются интерметаллидами. Связь между атомами в интерметаллидах чаще металлическая. Примером являются соединения Мg₂Sn, Мg₂Pb.

При образовании химического соединения металла с неметаллом возникает ионная связь, например, в соединении NaCl.

Переходные металлы (Fe, Mn, Cr, Mo, W, V и др.) образуют с углеродом карбиды, с азотом нитриды, с бором бориды, с водородом гидриды (железо гидридов не образует) Они имеют общность строения и свойств и называются фазами внедрения. Они имеют формулы: МХ (WC, VC, TiC, NbC, TiN, VN, и др.); М₂Х (W₂C, Mo₂C, Fe₂N и др.); М₄ Х (Fe₄N, Mn₄N и др.).

Кристаллическая структура фаз внедрения определяется соотношением атомных радиусов неметалла (Rx) и металла (Rм). Если Rx/Rм
Дальше >

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.

Сплав — макроскопически однородная смесь двух или большего числа химических элементов. Сплавы получают путём:

плавления — процесса перехода материалов из твёрдого состояния в жидкое при повышенных температурах;
спекания — процесса получения твёрдых и пористых материалов из мелких порошкообразных или пылевидных материалов при повышенных температурах;
осаждения из газовой фазы — процесса получение твёрдых материалов с помощью химических реакций, в которых участвуют газообразные реагенты.

Компоненты сплавов образуют между собой:

твёрдые растворы — образуются в результате перехода в твёрдое состояния однородных жидких растворов, причём одно из веществ при этом сохраняет присущую ему кристаллическую решётку, а другое в виде отдельных атомов располагается в кристаллической решётке первого вещества, на основании чего различают твёрдые растворы:
- замещения, где часть атомов в кристаллической решётке одного вещества заменена атомами другого;
- внедрения, где атомы растворённого компонента внедряются в межатомарное пространство кристаллической решётки другого компонента (растворителя);
Кристаллизация — процесс выделения твёрдой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов.

Фаза — однородная часть термодинамической системы отделённая от других частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав, структура и свойства вещества изменяются скачками.

Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия (переохлаждения жидкости, пересыщения пара), когда возникает множество мелких кристаллов — центров кристаллизации. Кристаллы растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости или пара (рисунок 1).

Рисунок 1 — Схема образования слитка спокойной стали в металлической изложнице: 1 — стенки изложницы; 2 — мелкие равновесные кристаллы; 3 — древовидные кристаллы; 4 — равновесные крупные неориентированные кристаллы; 5 — рыхлый усадочный слой; 6 — усадочная раковина

Критические точки — температуры, при которых изменяется строение материалов.

Кривые охлаждения — графическое изображение зависимости температуры от времени для материалов. Вид этих кривых свидетельствует о наличии или отсутствии фазовых превращений при некоторых определённых температурах или в интервале температур.

Диаграмма состояния — графическое отображение фазовых превращений материалов в зависимости от температуры. Для сплавов также в зависимости от концентрации входящих в них компонент.

Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до 6,67%, то рассматривается часть диаграммы состояния от железа до цементита, содержащего углерод (рисунок 2).

Рисунок 2 — Диаграмма состояния железо-углерод

Железо (Fe) — вязкий, пластичный металл серебристо-белого цвета, плотностью 7,87 т/м 3 , температурой плавления 1539 °С, быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе. Существуют следующие устойчивые модификации:
- от абсолютного нуля до 910 °C устойчива α-модификация с объёмноцентрированной кубической кристаллической решёткой (рисунок 3), после 910 °C теряет магнитные свойства (точка Кюри), переходя в δ-модификацию, которая отличается только размерами кристаллической решётки, поэтому отдельно не рассматривается;
- от 910 до 1400 °C устойчива γ-модификация с гранецентрированной кубической кристаллической решёткой;
- от 1400 до 1539 °C устойчива δ-модификация с объёмноцентрированной кубической кристаллической решёткой.
Рисунок 3 — Основные типы кристаллических решёток: а) объёмноцентрированная; б) гранецентрированная; в) гексагональная плотноупакованная

Углерод (С) — матово-чёрный (графит) либо прозрачный (алмаз) неметалл, при температуре свыше 1827 °C алмаз переходит в графит. Плотность графита 2,23 т/м 3 (алмаза — 3,51 т/м 3 ), температура плавления — 3547 °C. Обладает хорошей электропроводностью, а также, в отличие от алмаза, низкой твёрдостью. Графит имеет слоистую структуру, слои которой могут по-разному располагаться друг относительно друга. При трении расслаивается на отдельные чешуйки.

Цементит (Fe₃C) – метастабильная фаза внедрения, карбид железа, содержащий 6,67% углерода. Магнитные свойства теряет при температуре около 217 °С. Имеет высокую твёрдость (легко царапает стекло) и низкую пластичность. В зависимости от условий кристаллизации обладает различной формой (равноосные зёрна, сетка по границам зёрен, пластины, иглы). Является фазовой и структурной составляющей железоуглеродистых сплавов, составной частью ледебурита, перлита, сорбита и троостита. В сталях выделяется при охлаждении аустенита или при нагреве мартенсита. Вторичным и третичным называют цементит, выделяющийся из твёрдого раствора аустенита и феррита соответственно, в отличие от первичного цементита, выделяющегося из жидкого расплава. Распадается с образованием свободного углерода в виде графита.

Феррит – твёрдый раствор углерода и легирующих элементов в железе. Имеет объёмноцентрированную кристаллическую решётку. Различают α-феррит (твёрдый раствор углерода в α-железе) и δ-феррит (твёрдый раствор углерода в δ-железе), который появляется при температуре выше 1401 °С (высокотемпературный феррит). Нелегированный феррит относительно мягок, пластичен, сильно ферромагнитен до 768 °С. Обладает высокой растворимостью легирующих элементов, которое в большинстве случаев приводит к его упрочнению. При небольшом переохлаждении образует равноосные зёрна; при больших переохлаждениях и наличии легирующих элементов возникает по мартенситному механизму. Укрупнение зёрен аустенита приводит к выделению феррита на их границах.

Аустенит – высокотемпературная гранецентрированная модификация железа и его сплавов. В углеродистых сталях аустенит — это твёрдый раствор внедрения, в котором атомы углерода входят внутрь ячеек γ-железа во время конечной термообработки. В легированных сталях атомы металлов замещают атомы железа в кристаллической решётке. В чистом железе существует в интервале температур 910-1401 °С. В углеродистых сталях аустенит существует при температурах не ниже 723 °С.

Перлит – структурная составляющая железоуглеродистых сплавов, представляющая собой смесь фаз феррита и цементита (в легированных сталях — карбидов). Является продуктом распада аустенита при сравнительно медленном охлаждении ниже 727 °C. При этом γ-железо переходит в α-железо, избыточный углерод выделяется в форме цементита и карбидов. В зависимости от формы различают перлит пластинчатый (основной вид перлита, обе фазы имеют форму пластинок) и зернистый (округлые зёрнышки, глобули, цементита располагаются на фоне зёрен феррита). С увеличением переохлаждения растёт число колоний перлита (участков с однообразной ориентацией пластинок феррита и цементита либо карбидов), а сами пластинки становятся более тонкими. Механические свойства перлита зависят от межпластиночного расстояния (суммарная толщина пластинок обеих фаз): чем оно меньше, тем выше значение предела прочности и предела текучести и ниже критическая температура хладоломкости. При перлитной структуре облегчается механическая обработка стали. Дисперсные и высокодисперсные разновидности перлита называют сорбитом и трооститом соответственно.

Ледебурит – структурная составляющая железоуглеродистых сплавов (главным образом, чугунов), представляющая собой смесь аустенита и цементита в интервале температур 723-1147 °C или феррита и цементита ниже 723 °C. Основная фаза, инициирующая зарождение ледебурита, — цементит. На пластинке цементита, зародившейся в жидкости, разрастается плоский дендрит аустенита. Далее идёт сравнительно быстрый парный рост взаимно проросших кристаллов обеих фаз. Каждая из фаз в пределах одной колонии ледебурита непрерывна, то есть относится к одному кристаллу. Ледебурит обладает высокими твёрдостью и хрупкостью.

Мартенсит – микроструктура игольчатого вида, наблюдаемая в закалённых металлических сплавах и в некоторых чистых металлах, которым свойствен полиморфизм (существование кристаллических веществ с одинаковым составом, но с разной структурой). Основная структурная составляющая закалённой стали, представляющая собой упорядоченный пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе такой же концентрации, как у исходного аустенита.

Бейнит – игольчатый троостит, структура стали, образующаяся в результате промежуточного превращения аустенита. Состоит из смеси частиц пересыщенного углеродом феррита и карбида железа.

Читайте также: