Теория сплавов

ТЕОРИЯ СПЛАВОВ

1. Общие сведения

Чистые  металлы в технике используются редко, так как, во- первых, в чистом виде их получить сложно и поэтому они дорогие, во-вторых, они обладают низкими прочностными характеристиками, и, в-третьих, имеют низкие технологические свойства, например, высокую температуру плавления. Поэтому в машиностроении применяются в основном сплавы.

Сплав — это вещество, полученное сплавлением двух или более компонентов.

Компоненты  сплава — простые вещества, составляющие сплав, или их химические соединения, если они устойчивы и не распадаются в процессе нагревания.

Фаза  сплава — однородная по химическому составу и физическим свойствам часть сплава. Однородная жидкость является однофазной, а механическая смесь двух видов кристаллов, или жидкости и твердых кристаллов — двухфазной.

Строение металлического сплава, а следовательно, и его свойства зависят главным образом от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, составляющие сплав.

2. Взаимодействие компонентов в сплавах

Необходимое условие существования  сплава—растворимость компонентов  в жидкой фазе хотя бы частичная.

В твердом состоянии наблюдаются  следующие виды взаимодействия компонентов.

1. Компоненты не растворимы и не образуют химических соединений. При этом образуется механическая смесь кристаллов компонентов А и В, отчетливо выявляемые на микроструктуре (рис. 2.1). Структура двухфазная.

2. Компоненты АиВ образуют химическое соединение А В .

m п

Если состав сплава отвечает стехиомет- рической пропорции соединения A_mB_n, то образуется однофазная структура, состоящая из зерен A_mB_n (стехиометрия — часть химии, изучающая законы количественных соотношений между реагирующими веществами, вывод формул и уравнений химических реакций). Если в сплаве борльше компонента А (или В), то сплав состоит из зерен А (или В) и зерен химического соединения.

3. Компоненты А и В образуют твердые растворы.

Твердый раствор—гомогенное вещество переменного состава, состоящее из двух или нескольких компонентов. В отличие от механической смеси твердый раствор является однофазным, состоит из одного вида кристаллов, имеет одну кристаллическую решетку; в отличие от химического соединения твердый раствор существует не при строго определенном соотношении компонентов, а в интервале концентраций.

При образовании твердого раствора сохраняется решетка одного из элементов, который называется растворителем.

При образовании твердых  растворов возможны два принципиально отличных случая.

1. Твердые растворы замещения (рис. 2.2). Растворение компонента В в металле А происходит путем частичного замещения атомов А атомами В. Такие растворы могут быть ограниченными и неограниченными. При неограниченной растворимости любое количество атомов А может быть заменено атомами В, до тех пор, пока все атомы А будут замещены и совершится плавный переход к чистому компоненту В.

- А

- В

Рис. 2.1

Чистый Твердый раствор  металл замещения

Рис. 2.2

Неограниченная  растворимость возможна при соблюдении следующих условий:

а) оба компонента имеют одинаковую кристаллическую решетку;

б) достаточно малое различие атомных размеров компонентов; если атомные размеры сильно различаются, то образование твердого раствора сильно искажает решетку, что приводит к накоплению в ней упругих искажений (упругой энергии) и наступает предел растворимости;

в) элементы должны быть близко расположены в периодической таблице Д.И. Менделеева, то есть иметь близкие друг к другу по строению валентные оболочки.

2. Твердые растворы внедрения (рис. 2.3). Атомы растворенного вещества В располагаются между атомами вещества А. Для образования таких растворов диаметр атома вещества В должен быть невелик, а внутри решетки вещества А должно иметься достаточное пространство для

Рис. 2.3 размещения атома вещества В.

Поэтому металлы образуют твердые растворы внедрения с элементами I и II периодов, то есть с элементами, имеющими малые атомные размеры (Н, N, С, О, В).

3. Твердые растворы на основе химического соединения. В этом случае сохраняется решетка химического соединения A_mB_n, но избыточное количество атомов В (или А) растворяется, замещая в решетке какое-то количество атомов А (или В). Возможно также растворение и третьего элемента С, который замещает атомы А или В. При этом химическое соединение обозначается следующим образом. Например, если в карбиде железа Fe₃C растворены атомы третьего элемента М, то химическая формула записывается (FeM)₃C.

Твердые растворы на базе химического соединения могут  образовываться и так, что в отдельных узлах его кристаллической решетки могут отсутствовать или атомы А или атомы В. Такие растворы называются растворами вычитания.

При образовании  твердых растворов ввиду различия атомных размеров А и В параметр решетки растворителя изменяется (решетка искажается). Это приводит к изменению свойств, что весьма важно. В общем, независимо от вида металла происходит упрочнение, при этом упрочнение пропорционально относительному изменению параметров решетки, причем уменьшение параметров решетки ведет к большему упрочнению, чем аналогичное увеличение. При образовании твердых растворов внедрения период решетки всегда увеличивается.

2.3. Диаграмма состояния;  общие сведения

Процесс кристаллизации сплавов  и связанные с ним многие закономерности формирования их структуры описываются  с помощью диаграмм состояния или диаграмм фазового равновесия. Диаграммы в графической форме показывают фазовый состав и структуру в зависимости от температуры и состава.

Зная диаграмму состояния, можно представить полную картину формирования структуры любого сплава, определить оптимальную температуру жидкого расплава перед разливкой, оценить жидкотекучесть сплава и склонность сплава к получению химической неоднородности, сделать вывод о способности сплава пластически деформироваться, то есть о возможностях и условиях обработки давлением, позволяют определить режим термической обработки.

Диаграммы состояния строят для условий равновесия, которые соответствуют минимальному значению свободной энергии и которые достигаются при условии очень медленного охлаждения. Такое состояние является стабильным, так как не подвержено самопроизвольному изменению во времени. Чаще сплавы находятся в метастабильном (неустойчивом) состоянии.

Общие закономерности существования  устойчивых фаз, отвечающие условиям равновесия, могут быть выражены правилом фаз (Гиббса).

Правило фаз дает количественную зависимость между степенью свободы системы и количеством фаз и компонентов.

Под числом степеней свободы  системы «С» понимают число внешних  и внутренних факторов (температура, давление и концентрация), которое можно изменять без изменения числа фаз в системе.

Если С = 0 (нонвариантная система), то нельзя изменять внешние и внутренние факторы системы без того, чтобы это не вызвало изменения числа фаз.

Если С = 1, то возможно изменение в некоторых пределах одного из факторов без изменения числа фаз.

Правило фаз выражается следующим  уравнением:

С = К-Ф+ 1,

где К — число компонентов в системе; Ф — число фаз; С — число степеней свободы системы.

Из правила фаз следует, что в двойной системе при  постоянном давлении не может одновременно существовать более трех фаз. Это возможно при С = О (Ф = 2+1). Три фазы одновременно могут существовать при определенных составе фаз и температуре.

Диаграммы состояния строят в координатах концентрация — . температура. Общее содержание обоих компонентов в сплаве равно 100%, а каждая точка на оси концентраций соответствует определенному содержанию каждого компонента.

Обычно для построения диаграмм состояния проводят термический анализ, то есть строят кривые охлаждения и по остановкам и перегибам на этих кривых, вызванным тепловым эффектом превращений, определяют температуры превращений. Эти температуры называют критическими, или критическими точками. Критическая температура — это температура, при которой происходит изменение физического состояния сплава.

Критические температуры  определяются следующих образом. В печь помещают тигелек, в котором расплавляют исследуемый сплав. Затем в расплав погружают горячий спай термопары (защищенный фарфоровым или кварцевым колпачком) и выключают печь. Тигель с расплавом охлаждается вместе с печью, то есть очень медленно. Начинается охлаждение и через определенные отрезки времени отмечают температуру. Полученные точки переносят в координаты время — температура и соединяют кривыми. Появление изменений в агрегатном состоянии, которые сопровождаются выделением скрытой теплоты превращения, отражается на кривой охлаждения в виде перегибов и остановок. По этим остановкам и перегибам определяют критические темпера-туры. Построив таким образом кривые охлаждения для ряда сплавов данной системы, переносят критические температуры в координаты концентрация — температура и строят диаграмму состояния (рис. 2.4).

I II III

Рис. 2.4

На кривых охлаждения в  точках 1 начинается процесс кристаллизации. Эта точка называется точкой ликвидус (ликва — жидкий, лат.). Точка 2 отвечает концу кристаллизации и называется точкой солидус (солид — твердый).

Перенеся эти точки  в координаты концентрация—температура и соединив точки ликвидус и солидус, получим диаграмму состояния.

Геометрическое место  точек ликвидус называется линией ликвидус (ABC—линия ликвидус), а геометрическое место точек солидус называется линией солидус (DBF — линия солидус).Выше линии ликвидус все сплавы системы находятся в жидком состоянии, а ниже линии солидус — в твердом. В областях между этими линиями сплавы состоят из жидкой и твердой фазы.

Как отмечалось ранее, равновесное  состояние соответствует минимальному значению свободной энергии. Это  состояние достигается только при очень малых скоростях охлаждения. Поэтому рассмотрение диаграмм состояния позволяет определить фазовые превращения в условиях очень медленного охлаждения или нагрева. Истинное равновесие в практических условиях достигается редко. Как правило, на практике сплавы находятся в ме- тастабильном состоянии, то есть в таком состоянии, когда они обладают ограниченной устойчивостью и под влиянием внешних факторов могут переходить в другие, более устойчивые состояния. Метастабильные состояния нередко сообщают сплавам высокие механические или другие свойства. В этом случае важно установить природу метастабильных состояний, обеспечивающих оптимальный комплекс свойств, и разработать режимы термической или какой-либо другой обработки, позволяющей получить такие неравновесные состояния. Исходным положением при решении этих задач является знание диаграмм фазового равновесия. Насколько это знание важно, можно будет убедиться в процессе дальнейшего изложения курса.

Вид диаграммы определяется характером взаимодействия компонентов  в твердом состоянии.

2.4. Диаграмма состояния  для сплавов, образующих механические  смеси кристаллов чистых компонентов  (I рода)

Компоненты сплава полностью растворимы в жидком состоянии, нерастворимы в твердом и не образуют химических соединений {рис. 2.5).

Компоненты: вещества А и В (к = 2).

Фазы: жидкость L, кристаллы А и кристаллы В (ф=3).

Линия ABC — линия ликвидус. На этой линии все сплавы начинают затвердевать.

Линия DBF—линия солидус—линия окончания затвердевания.

На линии АВ из жидкости начинают выделяться кристаллы А, на линии ВС—кристаллы В. На линии DBF из жидкости состава точки В одновременно выделяются кристаллы А и В.

Для сплава I процесс кристаллизации начинается в точке 1, лежащей на линии ликвидус (см. кривую охлаждения). При этом на кривой охлаждения будет перегиб вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации и скорость охлаждения сплава уменьшается (при неизменных внешних условиях). Процесс выделения кристаллов А происходит в интервале температур 1-2. При температуре точки 2 жидкость (оставшаяся) имеет состав точки В и кристаллизуется путем одновременного выделения кристаллов А и В, так как жидкость пересыщена компонентом В и дальше процесс кристаллизации путем выделения только кристаллов А идти не может. Процесс одновременного выделения кристаллов А и В протекает при постоянной температуре, так как в равновесии находится три фазы (L+A+B) и С = 0. На кривой охлаждения образуется площадка.

Механическая смесь двух (или более) видов кристаллов, одновременно выделившихся из жидкости, называется эвтектикой (то есть легкоплавящаяся — греч.).

После окончания кристаллизации структура сплава состоит из кристаллов А, выделившихся в интервале 1-2, и эвтектики; фазы сплава — (А+В).

Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения соответствующих фаз в металлах и сплавах.

Отдельные моменты формирования структуры сплава I приведены на рис. 2.6.

На кривой охлаждения сплава II эвтектической концентрации (точка В) будет только площадка. Сплав в такой концентрации начинает и заканчивает кристаллизоваться при постоянной температуре. Структура сплава будет состоять из одной эвтектики (100% эвтектики); фазы сплава (А+В). сплаве III все процессы аналогичны процессам кристаллизации сплава I, только в интервале 1-2 из жидкости будут выделяться кристаллы В; структура сплава состоит из этих кристаллов В и эвтектики; фазовый состав — (А+В).