Теория сплавов и диаграммы состояний сплавов

Металлическими сплавами называют вещества, образованные двумя или несколькими металлами или металлами с неметаллическими элемен­тами и химическими соединениями, обладающие металлическими свойс­твами. Большинство сплавов получают сплавлением, т.е. соединением компонентов сплава в жидком состоянии. Однако сплавы могут быть по­лучены спеканием, электролизом и другими способами.

При изучении сплавов пользуются рядом специальных терминов, таких, как система, фаза и компонент.

Системой принято называть группу сплавов, выделяемую для изу­чения. Понятия "система медь - никель" или "система свинец -сурьма" означают, что для исследования берут сплавы с различной концентра­цией, образованные в первом случае медью и никелем, а во втором - свинцом и сурьмой.

Фазой называют однородную по химическому составу, строению и свойствам часть системы. В сложных системах, состоящих из несколь­ких фаз, фазы должны иметь границы раздела, при переходе через ко­торые изменяются состав, строение и свойства сплава.

Компонентами называют вещества, образующие систему. Компонен­тами могут быть чистые металлы, неметаллы или устойчивые химические соединения. Например, в сплавах железа с углеродом компонентами мо­гут быть железо и карбид железа Fe₃C. В этом случае мы будем иметь систему сплавов Fe-Fe₃C.

Система сплавов может состоять из следующих фаз, образующих сплав элементов (в твердом и жидком состоянии); жидких растворов, твердых растворов и химических соединений. Из перечисленных фаз требуют рассмотрения лишь твердые растворы и химические соединения.

Твердые растворы - это фазы, в которых один из компонентов - растворитель - сохраняет свою кристаллическую решетку, а другой (или другие компоненты) отдают свои атомы в решетку растворителя. Твердые растворы могут образовываться при различном соотношении компонентов.

Различают твердые растворы замещения, когда атомы растворимого компонента замещают атомы растворителя в решетке последнего, и твердые растворы внедрения, когда атомы растворимого компонента располагаются в межатомных промежутках решетки растворителя.

Твердые растворы замещения могут быть ограниченными (например, Fe-Si, Al-Cu, Cu-Sn) и неограниченными (Cu-Ni, Co-Ni), т.е. могут иметь ограниченную и неограниченную (любую) область концентраций компонентов. Неограниченная растворимость компонентов возможна при условии, что они обладают одинаковыми типами кристаллических реше­ток и принадлежат к одной и той же группе периодической системы элементов. Атомы этих компонентов и периоды их решеток по своим размерам не должны значительно отличаться друг от друга (не более 12-14%).

Твердые растворы внедрения всегда являются ограниченными. К тому же они могут образовываться только при условии, что размеры атомов растворимого компонента существенно меньше атомов раствори­теля. В железе, например, твердые растворы этого типа образуются при растворении лишь углерода, азота, водорода и бора. В остальных случаях образуются твердые растворы замещения.

Химические соединения - это фазы, которые имеют кристалличес­кую решетку, отличную от решеток компонентов, образующих сплав. Атомы в решетке химического соединения располагаются упорядоченно; образующие соединения элементы вступают во взаимодействие в опреде­ленных массовых соотношениях; химические соединения имеют постоян­ную температуру плавления; их свойства резко отличаются от свойств, образующих сплавы компонентов.

Элементы, имеющие большое различие в электронном строении ато­мов и кристаллических решеток, образуют химические соединения с нормальной валентностью.

Различают еще электронные соединения, которые имеют определен­ную электронную концентрацию, т.е. определенное отношение числа ва­лентных электронов к числу атомов. Например, соединение Cu-Zn имеет электронную концентрацию 3:2. Электронные соединения образуют с компонентами, из которых они состоят, твердые растворы в некотором интервале концентраций.

С углеродом, азотом, бором металлы образуют соединения (карби­ды, нитриды, бориды), называемые фазами внедрения. Фазы внедрения отличаются высокой твердостью.

При кристаллизации многих сплавов образуются механические сме­си. Если компоненты сплава в твердом состоянии обладают полной не­растворимостью, то сплав будет состоять из механической смеси крис­таллов исходных компонентов (например, Sn-Zn). Если же в сплаве компоненты находятся в количестве, превышающем их предельную раст­воримость, то возникает смесь двух насыщенных твердых растворов или твердого раствора и химического соединения. Механическая смесь кристаллов имеет гетерогенную (неоднородную) структуру.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ

Прочность, пластичность, вязкость и технологические свойства металлов определяются их строением - структурой, представляющей со­бой по существу "память" материала, в которой зафиксирована вся его технологическая история от выплавки до последней операции термичес­кой обработки готовых деталей. Поэтому исследование структуры явля­ется важнейшим способом изучения металлов. Для изучения структуры металлов и сплавов применяют макроскопический, микроскопический и рентгеноструктурный методы исследования.

Макроскопический анализ. Макроструктура - это строение метал­ла, наблюдаемое без увеличения или при небольшом увеличении с по­мощью лупы. Наиболее простым методом выявления строения является изучение излома. Изломы бывают хрупкими, вязкими и усталостными. Хрупкий излом является результатом разрушения без заметной пласти­ческой деформации, а вязкий - после деформации. Изломы могут иметь зернистое (кристаллическое) и волокнистое строение. По виду излома можно определить размер зерна, вид термообработки и нарушения тер­мического режима (перегрева) и даже некоторые свойства металла. Например, чем более крупнозернистый излом наблюдается, тем ниже бу­дут механические свойства металла.

Усталостный излом образуется по действием знакопеременных наг­рузок. Он обычно имеет очаг возникновения трещины (концентратор), зону развития усталостной трещины со светлой сглаженной поверх­ностью и зону хрупкого долома зернистого строения, образующуюся в момент окончательного разрушения.

Весьма часты случаи смешанных разрушений с изломами, имеющими одновременно вязкие и хрупкие зоны. Вид разрушения зависит от мно­гих факторов - состава металла, его структуры, условий нагружения и особенно температуры.

Для многих металлов, в первую очередь имеющих объемноцентриро­ванную кубическую или гексагональную решетку, при определенных тем­пературных колебаниях изменяется и механизм разрушения; вязкое раз­рушение при высоких температурах сменяется хрупким при понижении температуры. Температурный интервал изменения характера разрушения называется порогом хладноломкости. Чем ниже положение порога хлад­ноломкости, тем более надежен металл при работе в условиях низких температур. Для работы металлических конструкций в условиях Севера применяют металлы, имеющие порог хладноломкости не ниже температуры минус 40-60оС.

На вырезанных из заготовок образцах (темплетах), называемых макрошлифами, после их шлифовки и протравливания специальными реак­тивами можно, выявить дендритное строение литого металла, волокнис­тое строение прокатанного металла и поковок, дефекты, нарушающие сплошность металла (усадочную рыхлость, трещины), химическую неод­нородность металла, вызванную процессом кристаллизации, термической или химической обработкой. На макрошлифах также четко выявляются металл сварного шва и наплавленных участков, зоны сплавления и тер­мического влияния.

Микроскопический анализ. Микроструктура - это строение метал­лов, наблюдаемое обычно при увеличениях от 50 до 2000 раз с помощью металлографического микроскопа. Микроскопический анализ металлов впервые применил в 1831 г. выдающийся русский металлург П.П.Аносов. Микроанализ позволяет определить величину и форму зерен, выявить все детали структуры и установить соотношение структурных составля­ющих, расположение фаз, обнаружить мельчайшие пороки, такие, как неметаллические включения, микротрещины. По микроструктуре можно определить способ изготовления и термообработки деталей.

Для проведения микроанализа из металла исследуемой детали вы­резают небольшой образец - микрошлиф, одну из плоскостей которого тщательно шлифуют, полируют и протравливают специальными реактива­ми, чаще всего в 2-4%-ном спиртовом растворе азотной кислоты HNO₃. Под влиянием реактива различные фазы травятся (растворяются) по-разному - один сильнее, другие слабее.

При освещении протравлива­емого микрошлифа через оптичес­кое устройство металлографичес­кого микроскопа лучи света по-разному отражаются от раз­лично протравившихся фаз. Фазы, протравившиеся слабо, отразят в объектив микроскопа больше лу­чей света и будут казаться светлыми. Фазы, протравившиеся сильно, будут рассеивать лучи света, а в объектив будут отра­жать меньше лучей. Такие фазы будут наблюдаться в виде темных участков структуры . Так как границы зерен травятся сильнее самих зерен, то они на шлифе представляют собой углубления. Из-за рассеивания света в местах углублений границы зерен кажутся темными.

Для изучения строения ме­таллов в исследовательских и заводских лабораториях применя­ются также электронные микрос­копы, полезное увеличение кото­рых достигает 150000 раз. Для металлов чаще всего применяют увеличение от 5000 до 25000 раз. С помощью электронного микроскопа можно различать детали структуры и несколько межатомных расстояний.

Рентгеноструктурный анализ. Для изучения атомнокристаллическо­го строения металлов применяют рентгеноструктурный анализ, который основан на дифракции (отражении) рядами атомов в кристалле металла рентгеновских лучей с очень малой величиной волны.

5. ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ПРОСТЕЙШИЕ ДИАГРАММЫ

СОСТОЯНИЙ

Процессы первичной и вторичной кристаллизации и закономерности превращений изучают с помощью диаграмм состояния, которые в простой графической форме позволяют устанавливать зависимость фазового сос­тава и структуры от концентрации сплава и температуры. Кроме того ими руководствуются при выборе режимов ковки, сварки и термической обработки.

Диаграммы состояния применимы для условий равновесия, под ко­торым понимают такое состояние сплавов, когда их фазовый состав са­мопроизвольно не изменяется. В условиях равновесия все процессы об­ратимы, т.е. если в сплаве в процессе охлаждения при данной темпе­ратуре происходит какое-то превращение, то при нагреве при той же температуре превращение протекает в обратной последовательности.

Основные типы - диаг­раммы двухкомпонентных систем, которые после затвердевания образуют механические смеси компонентов, твердые растворы и химические сое­динения.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых образуют меха­ническую смесь. Диаграмма состояния этой характеризует системы, компоненты которых в жидком состоянии полностью взаимно растворимы, а в твердом состоянии образуют механическую смесь кристаллов обоих компонентов.

Диаграмма строится по кривым охлаждения.Предварительно из оло­ва и цинка приготовляют ряд смесей различного состава. Затем смеси расплавляют и, медленно охлаждая, отмечают точно через определенные промежутки времени их температуру. По данным наблюдений строят кри­вые охлаждения, откладывая на оси абсцисс время, а на оси ординат - температуру. Перегибы на кривых охлаждения указывают на начало кристаллизации, а температурные остановки при t=198⁰С - на конец кристаллизации. Эти характерные температуры называют крити­ческими точками.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых образуют твер­дые растворы с неограниченной растворимостью. Она характеризует сплавы, компоненты которых неограниченно растворимы в жидком и твердом состоянии и не образуют химических соединений. Эти сплавы представляют собой в твердом состоянии твердые растворы, эвтектика у них отсутствует. Такие диаграммы имеют лишь две линии критических температур: верхнюю - ликвидуса и нижнюю - солидуса. Выше линии ликвидуса сплавы данной системы представляют собой жид­кие растворы. В интервале температур от ликвидуса до солидуса система сплавов двухфазная, состоящая из жидких и твердых растворов.

Ниже линии солидуса сплавы однофазные и представляют собой твердый раствор.

Анализ кривых показывает, что лишь образующие систему компо­ненты кристаллизуются при постоянной температуре, а все сплавы - в интервале температур. Установлено, что чем больше интервал темпера­тур между линиями ликвидуса и солидуса, тем больше проявляется кристаллическая неоднородность состава (дендритная ликвация).

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых образуют огра­ниченные твердые растворы. Эта диаграмма характеризует сплавы, ком­поненты которых неограниченно растворимы в жидком состоянии и огра­ниченно растворимы в твердом. Значительный интерес представляют ди­аграммы состояния сплавов с частичным распадом твердого раствора при понижении температуры.

Дата добавления: 2014-10-08; просмотров: 533; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!