Рассмотренные диаграммы состояния характеризуют строение сплавов различного состава. Мы видели, что в зависимости от состава (т. е. от содержания компонентов) сплавы могут иметь разнообразную структуру в соответствии с типом диаграммы состояния. Основоположником учения о связи диаграммы состояния со свойствами сплавов является акад. Н. С. Курнаков.
Зависимость свойств от состава сплавов в общем виде приведена на рис. 1.
а) В сплавах, имеющих структуру механических смесей (рис. 1, а), свойства изменяются в основном прямолинейно. Некоторые свойства механических смесей, в первую очередь НВ и σв, зависят от размеров частиц, т. е. от степени дисперсности. В эвтектических и близко к ним расположенных сплавах фазы измельчены в наибольшей степени, поэтому механические свойства, как это показано на рис. 1, а и б штриховыми линиями, значительно повышаются.
Рис. 1. Зависимость свойств от состава сплавов (вида диаграммы состояния)
б) Если диаграмма показывает, что в сплавах образуется разнообразная структура, то и зависимость свойств тоже неоднозначна (рис. 1, б). А именно, в сплавах-твердых растворах, граничных с чистыми компонентами А и В, свойства изменяются по кривым, а в сплавах-смесях твердых растворов зависимость вновь прямолинейная.
в) В сплавах-твердых растворах свойства изменяются по криволинейной зависимости, т. е. более существенно, чем для сплавов, имеющих структуру смеси кристаллов (1, в).
г) При образовании химических соединений (рис. 1, г) свойства изменяются скачком, очень резко.
Охарактеризуем более подробно изменение свойств в сплавах, в которых образуются ограниченные твердые растворы и механические смеси этих растворов. Изменение некоторых физических и технологических свойств в этом случае показано на рис. 2. Многие физические и механические свойства сплавов четко зависят от структуры, но такие технологические свойства, как литейные (т. е. способность обеспечить хорошее качество отливок) или свариваемость, зависят не столько от структуры, сколько от того, в каких условиях по температуре проходило затвердевание сплавов.
Поэтому о зависимости механических и физических свойств однофазных сплавов (α и β), т. е, сплавов, лежащих левее Si и правее S2 диаграммы, приведенной на рис. 2, можно сделать следующие выводы:
а) твердость НВ, прочность σв и электросопротивление твердых растворов выше, чем у чистых металлов (рис. 2, кривые 1 и 2, отрезки аб и вг);
б) электропроводность и температурный коэффициент электросопротивления у твердых растворов ниже, чем у чистых металлов (рис. 2, кривые 3 и 4, отрезки аб и вг);
в) электрохимический потенциал изменяется по плавной (для полностью однородных твердых растворов) кривой (рис. 2, кривая 5, отрезки аб и гд);
Технологические литейные свойства, определяющие способность сплава при затвердевании дать высококачественные отливки, слитки, детали, зависят от жидкотекучести, несклонности к образованию трещин внутри и на поверхности слитков, образования рассеянной пористости или усадочной сосредоточенной раковины.
Жидкотекучесть — это способность заполнять литейную форму сложной конфигурации. Она зависит от интервала кристаллизации сплава. Чем больше расстояние между ликвидусом и солидусом, т. е. чем больше интервал кристаллизации, тем ниже жидкотекучесть.
Поэтому сплавы-твердые растворы (рис. 2, кривая 6, отрезки аб и вг) имеют пониженную жидкотекучесть.
Кроме того, чем больше интервал кристаллизации, тем сплавы более склонны образовывать трещины на поверхности и внутри отливки.
В результате усадки образуются мелкая пористость, разбросанная по всему объему отливки (что нередко выводит литье в брак), которая тем больше чем больше расстояние между ликвидусом и солидусом (т. е. чем больше интервал кристаллизации); при малом интервале кристаллизации в сплавав образуется сосредоточенная усадочная раковина.
На рис. 2, кривая 7 показан общий объем пустот, которые складываются из мелких пор и усадочной раковины. Как видно из рисунка, чем больше интервал кристаллизации, тем больше мелкой пористости (рассеянные поры). Следовательно, для получения качественных отливок необходимо выбрать сплавы, у которых температуры ликвидуса и солидуса были бы как можно ближе.
Следовательно, в однофазных сплавах, представляющих собой твердые растворы α или β, наибольшую рассеянную пористость будут иметь сплавы, состав которых близок составу в точках Si или S2.
Таким образом, однофазные сплавы-твердые растворы обладают плохими литейными свойствами и не пригодны для фасонного литья. Однако однофазные сплавы, представляющие собой твердые растворы, при достаточно высокой прочности обладают хорошей пластичностью, высоким сопротивлением коррозии. Поэтому сплавы-твердые растворы являются наилучшими для изготовления деталей методами обработки металлов давлением, когда качество деталей будет определяться технологической пластичностью сплава.
В отношении механических смесей фаз (α + β), т. е. для сплавов состава в интервале Sx—S2 диаграммы рис. 2 следует, что электросопротивление (кривая 2, отрезок бе), электропроводность (кривая 3, отрезок бв), температурный коэффициент электропроводности (кривая 4, отрезок бв), электрохимический потенциал (кривая 5, отрезок бв) изменяются по прямым линиям. Прочность (σв) и твердость (НВ) в случае, когда фазы при кристаллизации эвтектики не слишком измельчены (или укрупнены в результате специального отжига), также изменяются прямолинейно (рис. 2, кривая 1, отрезок бв). В случае, когда смесь состоит из высокодисперсных фаз, наблюдается резкое отклонение от прямолинейной зависимости и для сплавов эвтектического состава на кривых свойств виден перелом или даже ясно выраженный пик (рис. 2, кривая 1, сплошная линия бдв).
Литейные свойства изменяются по указанному выше закону: чем больше интервал кристаллизации, тем меньше жидкотекучесть 6, больше мелкой пористости 7, больше склонность к образованию наружных трещин и т. д.
Следовательно, наилучшими литейными сплавами будут эвтектические, а худшими — сплавы, соответствующие предельным твердым растворам (Si и S2). В то же время двухфазная структура обеспечивает низкую технологическую пластичность, поэтому эвтектические сплавы не пригодны для обработки давлением.
Лучшая обрабатываемость резанием выявлена у сплавов, имеющих структуру эвтектики, эти же сплавы дают и наилучшую чистоту поверхности при токарной обработке.
Очень важно отметить значительное влияние химических соединений на свойства сплавов. Присутствие их в сплавах даже в небольших количествах значительно повышает прочность, износостойкость, жаропрочность и другие свойства, необходимые при эксплуатации деталей.
Из изложенного видно, что диаграммы состояния позволяют на научной основе предвидеть поведение сплавов, выбирать сплавы в зависимости от их назначения, применять различные виды термической обработки и другие методы воздействия для получения заданной структуры и свойств.
Рис. 2. Зависимость свойств сплава от состава
при образовании ограниченных твердых растворов:
1 — σв; 2 — электросопротивление; 3 — электропроводность;
4 — температурный коэффициент электросопротивлении;
5 — электрохимический потенциал; 6 — жидкотекучесть;
7 — объемная усадка