Механические смеси их классификация и особенности строения реферат
Обновлено: 05.07.2024
Стремятся к получению мелкозернистой структуры. Оптимальными условиями для этого являются: максимальное число центров кристаллизации и малая скорость роста кристаллов.
Размер зерен при кристаллизации зависит и от числа частичек нерастворимых примесей, которые играют роль готовых центров кристаллизации – оксиды, нитриды, сульфиды.
Чем больше частичек, тем мельче зерна закристаллизовавшегося металла.
Стенки изложниц имеют неровности, шероховатости, которые увеличивают скорость кристаллизации.
Мелкозернистую структуру можно получить в результате модифицирования, когда в жидкие металлы добавляются посторонние вещества – модификаторы,
Вещества не растворяющиеся в жидком металле – выступают в качестве дополнительных центров кристаллизации.
Поверхностно - активные вещества, которые растворяются в металле, и, осаждаясь на поверхности растущих кристаллов, препятствуют их росту.
Строение металлического слитка
Схема стального слитка, данная Черновым Д.К., представлена на рис.3.7.
Рис. 3.7. Схема стального слитка
мелкокристаллическая корковая зона;
зона столбчатых кристаллов;
внутренняя зона крупных равноосных кристаллов.
Жидкий металл под корковой зоной находится в условиях меньшего переохлаждения. Число центров ограничено и процесс кристаллизации реализуется за счет их интенсивного роста до большого размера.
Рост кристаллов во второй зоне имеет направленный характер. Они растут перпендикулярно стенкам изложницы, образуются древовидные кристаллы – дендриты (рис. 3.8). Растут дендриты с направлением, близким к направлению теплоотвода.
Рис.3.8. Схема дендрита по Чернову Д.К.
Так как теплоотвод от незакристаллизовавшегося металла в середине слитка в разные стороны выравнивается, то в центральной зоне образуются крупные дендриты со случайной ориентацией.
Зоны столбчатых кристаллов в процессе кристаллизации стыкуются, это явление называется транскристаллизацией.
Для малопластичных металлов и для сталей это явление нежелательное, так как при последующей прокатке, ковке могут образовываться трещины в зоне стыка.
В верхней части слитка образуется усадочная раковина, которая подлежит отрезке и переплавке, так как металл более рыхлый (около 15…20 % от длины слитка)
Методы исследования металлов: структурные и физические
Металлы и сплавы обладают разнообразными свойствами. Используя один метод исследования металлов, невозможно получить информацию о всех свойствах. Используют несколько методов анализа.
Определение химического состава.
Используются методы количественного анализа.
1. Если не требуется большой точности, то используют спектральный анализ.
Спектральный анализ основан на разложении и исследовании спектра электрической дуги или искры, искусственно возбуждаемой между медным электродом и исследуемым металлом.
Зажигается дуга, луч света через призмы попадает в окуляр для анализа спектра. Цвет и концентрация линий спектра позволяют определить содержание химических элементов.
Используются стационарные и переносные стилоскопы.
2. Более точные сведения о составе дает рентгеноспектральный анализ.
Проводится на микроанализаторах. Позволяет определить состав фаз сплава, характеристики диффузионной подвижности атомов.
Изучение структуры.
Различают макроструктуру, микроструктуру и тонкую структуру.
1. Макроструктурный анализ – изучение строения металлов и сплавов невооруженным глазом или при небольшом увеличении, с помощью лупы.
Осуществляется после предварительной подготовки исследуемой поверхности (шлифование и травление специальными реактивами).
Позволяет выявить и определить дефекты, возникшие на различных этапах производства литых, кованных, штампованных и катанных заготовок, а также причины разрушения деталей.
Устанавливают: вид излома (вязкий, хрупкий); величину, форму и расположение зерен и дендритов литого металла; дефекты, нарушающие сплошность металла (усадочную пористость, газовые пузыри, раковины, трещины); химическую неоднородность металла, вызванную процессами кристаллизации или созданную термической и химико-термической обработкой; волокна в деформированном металле.
2. Микроструктурный анализ – изучение поверхности при помощи световых микроскопов. Увеличение – 50…2000 раз. Позволяет обнаружить элементы структуры размером до 0,2 мкм.
Образцы – микрошлифы с блестящей полированной поверхностью, так как структура рассматривается в отраженном свете. Наблюдаются микротрещины и неметаллические включения.
Для выявления микроструктуры поверхность травят реактивами, зависящими от состава сплава. Различные фазы протравливаются неодинаково и окрашиваются по разному. Можно выявить форму, размеры и ориентировку зерен, отдельные фазы и структурные составляющие.
Кроме световых микроскопов используют электронные микроскопы с большой разрешающей способностью.
Изображение формируется при помощи потока быстро летящих электронов. Электронные лучи с длиной волны (0,04…0,12 ) ·10 -8 см дают возможность различать детали объекта, по своим размерам соответствующе межатомным расстояниям.
Просвечивающие микроскопы. Поток электронов проходит через изучаемый объект. Изображение является результатом неодинакового рассеяния электронов на объекте. Различают косвенные и прямые методы исследования.
При косвенном методе изучают не сам объект, а его отпечаток – кварцевый или угольный слепок (реплику), отображающую рельеф микрошлифа, для предупреждения вторичного излучения, искажающего картину.
При прямом методе изучают тонкие металлические фольги, толщиной до 300 нм, на просвет. Фольги получают непосредственно из изучаемого металла.
Растровые микроскопы. Изображение создается за счет вторичной эмиссии электронов, излучаемых поверхностью, на которую падает непрерывно перемещающийся по этой поверхности поток первичных электронов. Изучается непосредственно поверхность металла. Разрешающая способность несколько ниже, чем у просвечивающих микроскопов.
3. Для изучения атомно-кристаллического строения твердых тел (тонкое строение) используются рентгенографические методы, позволяющие устанавливать связь между химическим составом, структурой и свойствами тела, тип твердых растворов, микронапряжения, концентрацию дефектов, плотность дислокаций.
Физические методы исследования
1. Термический анализ основан на явлении теплового эффекта. Фазовые превращения в сплавах сопровождаются тепловым эффектом, в результате на кривых охлаждения сплавов при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба или температурные остановки. Данный метод позволяет определить критические точки.
При нагреве металлов и сплавов происходит изменение объема и линейных размеров – тепловое расширение. Если изменения обусловлены только увеличением энергииколебаний атомов, то при охлаждении размеры восстанавливаются. При фазовых превращениях изменения размеров – необратимы.
Метод позволяет определить критические точки сплавов, температурные интервалы существования фаз, а также изучать процессы распада твердых растворов.
3 .Магнитный анализ.
Используется для исследования процессов, связанных с переходом из паромагнитного состояния в ферромагнитное (или наоборот), причем возможна количественная оценка этих процессов.
Общая теория сплавов. Строение, кристаллизация и свойства сплавов. Диаграмма состояния.
Понятие о сплавах и методах их получения
Основные понятия в теории сплавов.
Особенности строения, кристаллизации и свойств сплавов: механических смесей, твердых растворов, химических соединений
Классификация сплавов твердых растворов.
Кристаллизация сплавов.
Диаграмма состояния.
Понятие о сплавах и методах их получения
Под сплавом понимают вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. Возможны другие способы приготовления сплавов: спекания, электролиз, возгонка. В этом случае вещества называются псевдосплавами.
Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом. Сплавы обладают более разнообразным комплексом свойств, которые изменяются в зависимости от состава и метода обработки.
Основные понятия в теории сплавов.
Система – группа тел выделяемых для наблюдения и изучения.
В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы. Чистый металл является простой однокомпонентной системой, сплав – сложной системой, состоящей из двух и более компонентов.
Компоненты – вещества, образующие систему. В качестве компонентов выступают чистые вещества и химические соединения, если они не диссоциируют на составные части в исследуемом интервале температур.
Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются.
Вариантность (C) (число степеней свободы) – это число внутренних и внешних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения количества фаз в системе.
Если вариантность C = 1 (моновариантная система), то возможно изменение одного из факторов в некоторых пределах, без изменения числа фаз.
Если вариантность C = 0 (нонвариантная cистема), то внешние факторы изменять нельзя без изменения числа фаз в оистеме
Существует математическая связь между числом компонентов (К), числом фаз (Ф) и вариантностью системы ( С ). Это правило фаз или закон Гиббса
Если принять, что все превращения происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится
где: С – число степеней свободы, К – число компонентов, Ф – число фаз, 1 – учитывает возможность изменения температуры.
Особенности строения, кристаллизации и свойств сплавов: механических смесей, твердых растворов, химических соединений
Строение металлического сплава зависит от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, составляющие сплав. Почти все металлы в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях. При образовании сплавов в процессе их затвердевании возможно различное взаимодействие компонентов.
механические смеси;
химические соединения;
твердые растворы.
Образуются между элементами значительно различающимися по строению и свойствам, когда сила взаимодействия между однородными атомами больше чем между разнородными. Сплав состоит из кристаллов входящих в него компонентов (рис. 4.1). В сплавах сохраняются кристаллические решетки компонентов.
Рис. 4.1. Схема микроструктуры механической смеси
Сплавы химические соединения образуются между элементами, значительно различающимися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между разнородными атомами больше, чем между однородными.
Постоянство состава, то есть сплав образуется при определенном соотношении компонентов, химическое соединение обозначается Аn Вm/
Образуется специфмческая, отличающаяся от решеток элементов, составляющих химическое соединение, кристаллическая решетка с правильным упорядоченным расположением атомов (рис. 4.2)
Ярко выраженные индивидуальные свойства
Постоянство температуры кристаллизации, как у чистых компонентов
Рис. 4.2. Кристаллическая решетка химического соединения
Сплавы твердые растворы – это твердые фазы, в которых соотношения между компонентов могут изменяться. Являются кристаллическими веществами.
Характерной особенностью твердых растворов является:наличие в их кристаллической решетке разнородных атомов, при сохранении типа решетки растворителя.
Твердый раствор состоит из однородных зерен (рис. 4.3).
Рис.4.3. Схема микроструктуры твердого раствора
Классификация сплавов твердых растворов.
с неограниченной растворимостью компонентов;
с ограниченной растворимостью компонентов.
изоморфность (однотипность) кристаллических решеток компонентов;
близость атомных радиусов компонентов, которые не должны отличаться более чем на 8…13 %.
близость физико-химических свойств подобных по строение валентных оболочек атомов.
замещения;
внедрения;
вычитания.
Рис.4.4. Кристаллическая решетка твердых растворов замещения (а), внедрения (б)
При образовании растворов замещения периоды решетки изменяются в зависимости от разности атомных диаметров растворенного элемента и растворителя. Если атом растворенного элемента больше атома растворителя, то элементарные ячейки увеличиваются, если меньше – сокращаются. В первом приближении это изменение пропорционально концентрации растворенного компонента. Изменение параметров решетки при образовании твердых растворов – важный момент, определяющий изменение свойств. Уменьшение параметра ведет к большему упрочнению, чем его увеличение.
Твердые растворы внедрения образуются внедрением атомов растворенного компонента в поры кристаллической решетки растворителя (рис. 4.4 б).
Образование таких растворов, возможно, если атомы растворенного элемента имеют малые размеры. Такими являются элементы, находящиеся в начале периодической системы Менделеева, углерод, водород, азот, бор. Размеры атомов превышают размеры межатомных промежутков в кристаллической решетке металла, это вызывает искажение решетки и в ней возникают напряжения. Концентрация таких растворов не превышает 2-2.5%
Твердые растворы вычитания или растворы с дефектной решеткой. образуются на базе химических соединений, при этом возможна не только замена одних атомов в узлах кристаллической решетки другими, но и образование пустых, не занятых атомами, узлов в решетке.
К химическому соединению добавляют, один из входящих в формулу элементов, его атомы занимают нормальное положение в решетке соединения, а места атомов другого элемента остаются, незанятыми.
Кристаллизация сплавов.
Кристаллизация сплавов подчиняется тем же закономерностям, что и кристаллизация чистых металлов. Необходимым условием является стремление системы в состояние с минимумом свободной энергии.
Основным отличием является большая роль диффузионных процессов, между жидкостью и кристаллизующейся фазой. Эти процессы необходимы для перераспределения разнородных атомов, равномерно распределенных в жидкой фазе.
В сплавах в твердых состояниях, имеют место процессы перекристаллизации, обусловленные аллотропическими превращениями компонентов сплава, распадом твердых растворов, выделением из твердых растворов вторичных фаз, когда растворимость компонентов в твердом состоянии меняется с изменением температуры.
Эти превращения называют фазовыми превращениями в твердом состоянии.
При перекристаллизации в твердом состоянии образуются центры кристаллизации и происходит их рост.
Обычно центры кристаллизации возникают по границам зерен старой фазы, где решетка имеет наиболее дефектное строение, и где имеются примеси, которые могут стать центрами новых кристаллов. У старой и новой фазы, в течение некоторого времени, имеются общие плоскости. Такая связь решеток называется когерентной связью. В случае различия строения старой и новой фаз превращение протекает с образованием промежуточных фаз.
Нарушение когерентности и обособления кристаллов наступает, когда они приобретут определенные размеры.
Механическая смесь - это сплав, состоящий из двух или нескольких веществ ( компонентов), которые не взаимодействуют между собой. При образовании механической смеси новые кристаллические решетки не образуются, как это происходит в химических соединениях и твердых растворах. В механической смеси каждая из составных частей сохраняет свои специфические свойства. Примером механической смеси может служить сплав свинца с сурьмой. Из такого сплава при содержании около 6 % сурьмы изготовляют пластины автомобильных аккумуляторов. [46]
Механическая смесь - это сплав, состоящий из двух или нескольких компонентов, которые не взаимодействуют между собой. Каждый из компонентов присутствует в сплаве в виде зерен. При образовании механической смеси новые кристаллические решетки не образуются, как это происходит в химических соединениях и твердых растворах. В механической смеси каждая из составных частей сохраняет свои специфические свойства. Примером механической смеси может служить сплав свинца с сурьмой. [47]
Механическая смесь получается тогда, когда вещества, из которых образован сплав, не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. В этом случае сплав будет состоять из смеси кристаллов веществ, входящих в его состав, которые сохраняют свои кристаллические решетки и не оказывают никакого влияния друг на друга. Суммарные свойства сплава зависят от той пропорции, в которой вещества входят в сплав. Чем больше компонента входит в состав сплава, тем ближе свойства сплава к свойствам этого компонента. Образование механической смеси происходит при любых соотношениях компонентов. [48]
Механическая смесь ( кривая 1) характеризуется тремя эн-доэффектами, которые соответствуют: плавлению не вступившей во взаимодействие с оксидом цинка части стеариновой кислоты; эвтектическому плавлению системы сложного состава, образованного адсорбцией компонентов на поверхности частиц оксида цинка; эвтектическому плавлению части бинарной смеси ДБТД-МВТ, не адсорбированной на частицах оксида цинка из-за его недостаточной концентрации в сложной смеси. [50]
Механическая смесь двух чистых металлов А и В получается в том случае, когда в процессе кристаллизации сплава из жидкого состояния разнородные атомы не входят в общую кристаллическую решетку. Кристаллы каждого из металлов, находящиеся в этом сплаве, обладают теми же строением и свойствами, которым они обладают в куске чистого металла. [51]
Механическая смесь ( рис. 1.7, д) образуется, когда компоненты сплава не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием химического соединения. При этом образуется двухфазная структура сплава, представленная чередующимися зернами чистых компонентов Л и В. [53]
Механическая смесь двух ( или более) видов кристаллов, одновременно кристаллизовавшихся из жидкости, называется эвтектикой. [54]
Механические смеси образуют сплавы свинца и сурьмы, свинца и олова, цинка и олова, алюминия и кремния и др. Рассмотрим построение диаграммы на примере сплава свинца с сурьмой. [55]
Механические смеси имеют хорошие литейные свойства. Особенно это относится к эвтектическим сплавам, которые обладают большей жидкотекучестью и меньшей температурой плавления, чем составляющие их компоненты. [56]
Механическая смесь выявляется на уровне отдельных зерен или их частей, т.е. на уровне микроструктуры, а не тонкой структуры как в данном случае. [57]
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
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.
Если элементы, входящие в состав сплава, при кристаллизации из жидкого состояния не растворяются друг в друге и не взаимодействуют, то образуется механическая смесь.
При кристаллизации у каждого из таких компонентов образуется своя кристаллическая решетка.
В структуре различаются зерна каждого из компонентов, т.е. образуются две фазы. Механические смеси кристаллизуются из жидкости при постоянной температуре. При этом компоненты кристаллизуются обособленно друг от друга, но одновременно.
Механическую смесь могут образовывать не только компоненты, но и два твердых раствора или один из компонентов и ограниченный твердый раствор.
В металловедении механическую смесь двух компонентов называют эвтектикой.
Эвтектика – механическая смесь двух и более компонентов, кристаллизующихся при постоянной температуре одновременно и обособленно друг от друга.
Обозначение механических смесей: ( А + В ),
или в случае твердых растворов: ( α + γ ).
Химические соединения.
Если элементы, составляющие сплав, взаимодействуют друг с другом, то образуются химические соединения. Они имеют однородную структуру (одну фазу). Химические соединения имеют постоянную температуру плавления и кристаллизации. Кристаллические решетки химического соединения и исходных элементов различаются.
В химическом соединении сохраняется определенное соотношение атомов элементов, позволяющее выразить их состав стехиометрической пропорцией в виде формулы АnВm.
Химические соединения обладают очень высокой твердостью. Например, соединение железа с углеродом Fe3C. Его твердость в 10 раз выше, чем твердость чистого железа. В отличие от твердых растворов химические соединения характеризуются высокой хрупкостью, поэтому они непригодны для механической обработки.
ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ
Диаграмма состояния сплавов – графическое изображение фазового и структурного состояния сплавов при определенной температуре и определенной концентрации компонентов.
Диаграммы состояния сплавов строятся в координатах температура и концентрация компонентов.
В зависимости от типа взаимодействия компонентов в сплаве диаграммы состояния имеют разный вид.
Все диаграммы состояния строятся экспериментально методом термического анализа.
Метод термического анализа.
Чтобы построить диаграмму состояния, выбирают несколько сплавов различной концентрации компонентов и нагревают их выше температуры плавления до жидкого состояния. Затем опять охлаждают до комнатной температуры. В процессе охлаждения строят серию кривых охлаждения в координатах температура и время. Затем фиксируют на кривых охлаждения точки перегибов, остановки и площадки, которые соответствуют фазовым и структурным превращениям, происходящим в сплавах в процессе охлаждения. Эти точки называют критическими температурами.
Затем значения этих температур наносят на заготовку для диаграммы состояния, соединяют как геометрическое место точек и получают линии диаграммы.
Дополнительно к термическому анализу для изучения превращений в сплаве проводится изучение микроструктуры в микроскопе.
Вид диаграммы зависит от того, какой тип сплава образуется при кристаллизации – механическая смесь, твердый раствор или химическое соединение. По этому признаку сплавы делят на группы, каждая из которых имеет типичную диаграмму состояния (I , II , III и IV рода). Рассмотрим примеры каждого типа диаграммы состояния.
Читайте также: