5. Прочность, пластичность, твердость, износостойкость металла

Прочностью называется способность металла не поддаваться разрушению под действием внешних нагрузок. Ценность металла как машиностроительного материала наряду с другими свойствами определяется прочностью.Величина прочности указывает, какая сила необходима, чтобы преодолеть внутреннюю связь между молекулами.Испытание металлов на прочность при растяжении производится на специальных машинах различной мощности. Эти машины состоят из нагружающего механизма, который создает усилие, производит растяжение испытываемого образца и показывает величину усилия, приложенного к образцу. Механизмы бывают механического и гидравлического действия.

Высокая пластичность металлов с плотноупакованными структурами связана с большим количеством структурных состояний, легко перестраивающихся друг в друга в локальных зонах, что проявляется в легком зарождении и большой подвижности дислокаций как элементов иной структуры в исходной решетке

На износостойкость металлов в гидроабразивном потоке оказывает влияние и плотность растворов. Повышение плотности жидкости до плотности абразива способствует переходу абразивных частиц во взвешенное состояние, что уменьшает интенсивность гидроабразивного изнашивания. Химическое соединение обладает высокой твердостью, малой пластичностью, большим электрическим сопротивлением и относительно низкой теплопроводностью.

Поэтому все свойства сплавов: твердость, электропроводность и др.

6. Сплав, фаза, компонент, линия ликвидуса, линия солидуса?

Сплав — макроскопически однородный металлический материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов.

В процессе кристаллизации изменяются и концентрация фаз, и количество каждой фазы. В любой точке диаграммы, когда в сплаве одновременно существуют две фазы, можно определить количество обеих фаз и их концентрацию. Для этого служит правило рычага или правило отрезков.

Правило отрезков. Данная диаграмма охватывает сплавы, компоненты которых образуют смеси своих практически чистых зерен при ничтожной взаимной растворимости. На оси абсцисс отложена процентная доля компонента В в сплаве.

Фазовое строение сплавов на диаграмме зависит от температуры. При термодинамическом воздействии компонентов друг на друга снижается температура их перехода в жидкое состояние, достигая некоторого минимума при определенном для каждой пары компонентов составе. Состав сплава можно определить, спроецировав точку С на ось абсцисс (точка Вэ). Сплав двух компонентов, который плавится при минимальной температуре, называется эвтектическим или эвтектикой.

Эвтектика является равномерной смесью одновременно закристаллизовавшихся мелких зерен обоих компонентов. Температура, при которой одновременно плавятся или кристаллизуются оба компонента, называется эвтектической температурой.

Количественные изменения в сплавах данной системы компонентов при кристаллизации подчиняются правилу отрезков.

Чтобы определить концентрации компонентов в фазах, через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз.

Проведя через заданную точку горизонтальную линию можно определить количественное соотношение фаз. Отрезки данной линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

Правило отрезков в двойных диаграммах состояния используются только в двухфазных областях. В однофазной области имеется лишь одна фаза; любая точка внутри области характеризует ее концентрацию.

Лом цветных металлов – значимый компонент металлургической промышленности, особо ценное сырье. В практическом применении чаще всего используют не металлы в чистом виде, а их сплавы. Современная промышленность использует огромное количество сплавов, зачастую содержащих более трех компонентов. При этом свойства сплавов отличаются от отдельно взятых металлов. Твердость, например брозо-оловного сплава втрое больше, чем твердость чистой меди.

Диаграммы состояния с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях.

В этом случае диаграмма имеет вид, представленный на рис.8. Верхняя кривая называется кривой ликвидус, она соответствует началу кристаллизации. Выше этой кривой все сплавы находятся в жидком состоянии. Область существования жидкого раствора обозначим буквой L (от греч. ликва– жидкость).

Нижняя кривая называется кривой солидус, она соответствует   концу кристаллизации и ниже нее все сплавы находятся в твердом состоянии. Обозначим область существования твердого раствора a .   В интервале между кривыми ликвидуса и солидуса, называемом интервалом кристаллизации, все сплавы будут находиться в двухфазном   состоянии (L + ). Таким образом, линии ликвидус и солидус делят всю диаграмму на три области: две однофазные (L и ) и одну двухфазную (L + ) (рис.8) и являются геометрическим местом точек, отвечающих   температурам начала и конца кристаллизации различных сплавов.   Кроме того, эти кривые изображаютсоставы равновесных фаз (жидкости и - кристаллов) при кристаллизации. Рассмотрим кристаллизацию сплава состава точки х. Процентное   содержание компонента А в этом сплаве будет определяться отрезком хВ, а компонента В – хА.

При температурах выше линии ликвидус сплав будет находиться в жидком состоянии. При температуре Т₁ (а точнее, немного ниже её) из жидкости состава точки 1 (на линии ликвидус) начнут   выделяться кристаллики твердого раствора,  состав которых будет   определяться точкой 2, лежащей на линии солидус. Как видно, состав   первых a-кристаллов отличен от состава исходной жидкой фазы,    они обогащены более тугоплавким компонентом А. Жидкость при этом   будет обогащаться компонентом В. Иными словами, по мере понижения    температуры, состав жидкой фазы все больше будет отличаться от   исходного, изменяясь по линии ликвидус от точки 1 до точки 3, а состав - кристаллов будет изменяться по линии солидус от точки 2 до точки 4.Следует отметить, что когда говорится об изменении составов жидкого и твердого растворов, то подразумевается, что по кривой   ликвидус изменяет свой состав вся жидкость, а по кривой солидус все -кристаллы, т.е. в обеих равновесных фазах должна   происходить диффузия, выравнивающая состав во всем объеме фазы. В реальных условиях в твердой фазе состав не успевает выравниваться и внутренние области каждого кристалла (зерна) будут обогащены более тугоплавким компонентом, а периферийные области   (границы зерен) менее тугоплавким. Химическая неоднородность по объему зерна называется внутрикристаллической (или междендритной)   ликвацией. Избавиться от ликвации в процессе кристаллизации не удается. Для выравнивания химического состава закристаллизовавшихся сплавов проводят гомогенизирующий отжиг (гомогенизацию). Эта процедура заключается в длительной (сотни часов) выдержке сплавов при температуре на 30 — 50 ⁰ ниже линии солидус.

Рассмотренный процесс кристаллизации сплава состава точки х  можно коротко записать L_1–3---> _2–4, точки 1–3 и 2–4 характеризуют начальные и конечные составы жидкой и твердой фаз, Т₁и Т₃ –  температуры начала и конца кристаллизации (см. рис.8). При охлаждении сплава от температуры Т3  до комнатной  твердый раствор сохраняется  без изменений.

Применив правило фаз Гиббса к процессу кристаллизации рассмотренного сплава получим, что равновесие L +  является моновариантным (f = 2 – 2 + 1 = 1), следовательно, можно изменить только одну  переменную, не нарушив это равновесие. Такой переменной является температура, задавая ей определенные значения в интервале   кристаллизации, получаем вполне определенные составы жидкости и кристаллов, (концентрации компонентов А и В в жидкой и твердой фазах).

Из сказанного выше следует, что для определения составов фаз, находящихся в равновесии при заданной температуре, нужно через фигуративную точку сплава провести горизонтальную линию   до пересечения с кривыми ликвидус и солидус, точки пересечения и укажут составы жидкой и твердой фаз (точнее проекции этих точек на ось концентраций). Например, при температуре Т₂ (см. рис. 8), такими точками являются точка а, указывающая состав твердого раствора и точка с, указывающая состав жидкого   раствора.

Горизонтальные отрезки типа ас, соединяющие при заданной   температуре точки, характеризующие составы равновесных фаз, называются конодами. По конодам, используя правило рычага, можно определить относительное количество фаз, находящихся в равновесии .  Для вывода этого правила обратимся к рис.8   При температуре Т₂  в равновесии находится жидкая фаза состава   точки с и твердая  состава точки а. Содержание компонента А   в твердом растворе определяется отрезком Вm, а в жидкости – Вn.   Обозначим массу  кристаллов М_, а массу жидкости М_L . Тогда количество компонента А в твердом растворе определится произведением Вm М_, а в жидкости  Вn М_L , общее содержание компонента в обеих фазах будет ВmМ_ + ВnМ_L. С другой стороны, концентрация компонента А в сплаве определяется отрезком Вх.

Приняв массу сплава за единицу, можно записать:

Вх1=ВmМa+ВnМL , Вх=ВmМa+Вn(1–Мa), Вх–Вn=Мa(Вm–Вn).

Так как Вх – Вn = bс,  а  Вm– Вn = ас, то

М_=bc/ac,  М_L=ab/ac                              (4)

Соотношения (4), позволяющие определить относительные количества равновесных фаз, носят названия правила рычага или правила отрезков. Умножив  правые части (4) на 100%, получим относительные  количества фаз, выраженные в процентах. Обычно при определении  количества фаз записывают лишь отношение отрезков.

Среди диаграмм рассматриваемого типа встречаются такие, у которых на кривых ликвидуса и солидуса наблюдаются максимумы  или минимумы (рис.9), в которых кривые ликвидуса и солидуса  касаются друг друга. Сплавы, составы которых отвечают точкам максимума или минимума, кристаллизуются как чистые компоненты при постоянной температуре и одинаковом составе жидкой и твердой фаз.

Иногда встречаются диаграммы, в которых при температурах  ниже линии солидус наблюдается разрыв непрерывной растворимости компонентов А и В. Это происходит при образовании упорядоченных твердых растворов для ряда сплавов  (рис.10, а), либо при расслоении твердого раствора (рис.10, б). В первом случае при понижении температуры осуществляется переход из  неупорядоченного  твердого раствора со статистическим распределением атомов обоих сортов к упорядоченному, когда атомы одного сорта окружены атомами другого сорта. Для сплава состава точки х этот переход осуществляется при Т = Т_к, эта температура называется точкой Курнакова. Для других сплавов, составы которых лежат между  точками  b и с, такой переход происходит в интервале температур. В этом интервале неупорядоченный твердый раствор находится в равновесии с упорядоченным .  Для сплавов, составы которых находятся между точками а и в  и  с и dпроисходит частичное упорядочение , т.е. не весь  твердый   раствор переходит в упорядоченное состояние.

Во втором случае при температурах, лежащих ниже кривой акb, называемой бинодальной кривой, твердый раствор расслаивается на 2 твердых раствора, отличающихся друг от друга только химическим составом:  раствор ₁ обогащен компонентом А,  раствор ₂–компонентом В.7.Виды Фаз сплавов в твердом состоянии?

10. Эвтектика - это — нонвариантная точка в системе из n компонентов, в которой находятся в равновесии n твердых фаз и жидкая фаза. Эвтектическая композиция представляет собой жидкий раствор, кристаллизующийся при наиболее низкой температуре для сплавов данной системы.