ЛЕКЦИЯ 6
ТЕОРИЯ СПЛАВОВ
Чистые металлы обычно имеют низкую прочность и невысокие технологические свойства. В машиностроении обычно применяются сплавы. Сплаваминазывают сложные вещества, полученные сплавлением нескольких элементов.
Элементы, образующие сплав, называются компонентами. Компонентами металлических сплавов могут быть не только металлы, но и неметаллы. В зависимости от числа компонентов сплавы могут быть двойные, тройные и т.д.
В жидком состоянии компоненты сплава обычно неограниченно растворяются друг в друге, образуя жидкие растворы.
В твердом состоянии компоненты могут образовывать три типа сплава (типа взаимодействия между собой):
1. Механические смеси.
2. Химические соединения.
3. Твердые растворы.
При рассмотрении типов взаимодействия компонентов в сплаве обозначим один компонент как А и второй компонент как В.
Твердые растворы.
При образовании твердого раствора один компонент является растворителем, другой компонент – растворимый. Растворитель – тот компонент, кристаллическая решетка которого сохраняется.
Растворимый компонент – его атомы располагаются в кристаллической решетке растворителя.
В зависимости от расположения атомов в кристаллической решетке различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения.
В твердом растворе замещения атомы компонента - растворителя замещаются атомами растворимого компонента (рис.6.1, а).
В твердом растворе внедрения атомы растворимого компонента размещаются между атомами компонента – растворителя (рис.6.1, б).
| 
|
| а | б |
Рис. 6.1. Кристаллическая решетка ГЦК твердого раствора замещения (а) и твердого раствора внедрения (б)
Обозначение твердых растворов: А (В), где
А – растворитель, В – растворимый компонент
или буквами греческого алфавита: α, β, γ.
В зависимости от концентрации компонентов в сплаве различают ограниченные и неограниченные твердые растворы.
Неограниченные твердые растворы образуются во всем интервале концентрации компонентов в сплаве.
Ограниченные твердые растворы образуются только в определенном интервале концентрации компонентов.
Твердые растворы в структуре имеют одинаковые однородные зерна, т.е. имеют одну фазу – фазу твердого раствора. Кристаллизация твердых растворов происходит в интервале температур.
Сплавы, представляющие твердые растворы, отличаются хорошей пластичностью и технологичностью. Такие сплавы хорошо обрабатываются.
Механические смеси.
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 припостоянной 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 однороднуюструктуру (одну фазу). Химические соединенияимеют 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 с техиометрической 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.
ДИАГРАММЫСОСТОЯНИЯ 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.
Диаграмма состояния I рода для механических смесей.
Примером диаграмм этого типа является диаграмма состояния сплавов системы Pb ‑ Sb. Диаграмма Pb ‑ Sb строится на основе использования кривых охлаждения, полученных методом термического анализа (рис.6.2).
Система сплавов Pb ‑ Sb включает в себя составы со 100% РЬ и 0 %Sb, т.е. чистый свинец, и со 100% Sb и 0% РЬ, т.е. чистую сурьму. Кривые охлаждения для этих чистых металлов имеют по одному горизонтальному участку, характеризующему температуру кристаллизации: соответственно для свинца 327°С и для сурьмы 631°С. На диаграмме состояния эти температуры находятся на осях ординат, где содержатся соответственно чистый свинец и чистая сурьма. Структура чистых металлов представляет собой однородные зерна.
Сплав, содержащий 13% Sb и 87% РЬ, также имеет один горизонтальный участок, т.е. одну критическую точку (245°С) - температуру кристаллизации этого сплава. Этот сплав характеризуется тем, что в нем происходит одновременная кристаллизация из жидкой фазы кристаллов РЬ и Sb с образованием механической смеси - эвтектики. Сам сплав с 13% Sb и 87% Рb является эвтектическим, а его микроструктура представляет собой попеременно чередующиеся выделения сурьмы в свинцовой основе (рис.6.2).
Рис.6.2. Диаграмма состояния, кривые охлаждения и схемы структур
сплавов системы Pb – Sb.
Кристаллизация любого сплава, имеющего 0% < Sb < 13%, начинается с выделения кристаллов Рb. Эти сплавы кристаллизуются в интервале температур, и на кривых охлаждения имеются две критические точки, соответствующие началу и концу кристаллизации (например, сплав с 5% Sb). Все они называются доэвтектическими сплавами, претерпевают эвтектическое превращение при охлаждении ниже температуры 245°С и имеют после окончательного охлаждения структуру Рb + Эвтектика(Рb + Sb). В этой структуре имеется две структурные составляющие: кристаллы Рb и эвтектика (Рb + Sb).
Кристаллизация любого сплава с концентрацией 100% > Sb > 13% начинается с выделения кристаллов Sb. Эти сплавы также кристаллизуются в интервале температур - начала и конца кристаллизации. При охлаждении ниже температуры 245°С в них протекает эвтектическое превращение. Эти сплавы называются заэвтектическими и имеют после охлаждения окончательную структуру Sb + Эвтектика (Рb + Sb). Структура заэвтектических сплавов состоит из двух структурных составляющих: кристаллов Sb и эвтектики (Рb + Sb).
Линия, ограничивающая на диаграмме область жидкой фазы сплавов, называется линией ликвидус.