2.3 Основы теории сплавов
2.3.1 Общие понятия и определения. Сплавом называют материал, образующийся в результате затвердевания расплавов, состоящих из двух или нескольких компонентов.
Сплав считается металлическим, если его основу (свыше 50%) составляют металлические компоненты.
Сплавы, состоящие из двух компонентов, называют двухкомпонентными или двойными. Основу многокомпонентных сплавов составляют двухкомпонентные сплавы.
Характер взаимодействия компонентов при сплавлении зависит от таких факторов, как особенности строения электронных оболочек их атомов, вид кристаллической решетки, температура плавления.
В зависимости от взаимодействия компонентов сплавы можно классифицировать следующим образом:
смеси зёрен с ограниченной растворимостью, т.е. механические смеси;
растворы с неограниченной растворимостью компонентов, т.е. твердые растворы;
химические соединения компонентов.
Механическая смесь представляет собой смесь кристаллов двух компонентов. Механические свойства такой смеси зависят от соотношения компонентов и размеров и форм зёрен. В механической смеси нет химического взаимодействия между компонентами.
Твёрдым раствором называется образующаяся в результате кристаллизации жидкого сплава твердая фаза. Фазой называется однородная часть сплава, отделенная от других частей (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества меняется скачком.
Твердый раствор – однофазный, состоит из кристаллов одного вида, имеет одну кристаллическую решетку. В отличии от химического соединения твердый раствор может иметь различное соотношение компонентов.
Твердые растворы на основе одного компонента имеют следующее строение: в кристаллическую решетку основного металла (растворителя) входят атомы растворенного вещества. А в химических соединениях атомы растворенного вещества образую новую кристаллическую решетку.
В химическом соединении компоненты могут вступать в химическое взаимодействие или взаимно растворяться, образуя растворы. Химическое соединение может существовать только при определенном соотношении компонентов и представляет собой зерна со специфической кристаллической решеткой, отличающейся от решеток обоих компонентов.
Ячейки решеток химических соединений имеют сложное строение. Связь между атомами сильнее и жестче, чем у металлов. Поэтому это очень твердые и хрупкие вещества.
2.3.2 Диаграмма состояния сплава. Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния фаз, образующихся в результате взаимодействия компонентов сплава в условиях термодинамического равновесия при различных температурах. Фазы характеризуются в зависимости от температуры и состава определенными агрегатными состояниями, строением и свойствами.
Жидкая фаза представляет собой раствор расплавленных компонентов.
Твердые фазы представляют собой зерна, имеющие определенную форму, размер, состав, строение и свойства. Твердые фазы можно наблюдать в микроскоп. Это могут быть твердые растворы, химические соединения, а также зерна чистых компонентов, не образующих с другими компонентами ни твердых растворов, ни химических соединений.
На диаграмме состояния имеются участки (области), которые определяют только одну фазу, или две с разным составом, строением и свойствами.
На диаграммах можно отметить несколько характерных линий и точек, определяющих состояния сплава и его компонентов
Конода – горизонтальный отрезок, концы которого ограничены равновесными сосуществующими фазами и содержанием в них компонентов; характеризует состав фаз, находящихся в равновесии.
Ликвидус – геометрическое место точек начала затвердевания бинарных сплавов с различным содержанием компонентов на диаграмме состояния.
Линии фигуративных точек – вертикальные линии на диаграмме состояния, соответствующие определенному химическому составу сплава.
Линия предельной растворимости – линия на диаграмме состояния бинарных сплавов, характеризующая изменение растворимости компонента с изменением температуры.
Перитектика – структурная составляющая сплава, представляющая собой механическую смесь фаз, образующуюся за счет ранее выделившейся твердой фазы и закристаллизовавшейся жидкой части сплава определенного состава.
Раствор твёрдый – однофазный в твердом состоянии сплав, в котором соотношение компонент может быть переменным и один из компонентов (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого (или других) компонента располагаются в решетке этого компонента, изменяя ее размеры (периоды решетки).
Система (гетерогенная) – макроскопически неоднородная термодинами-ческая система, состоящая из различных по физическим свойствам или химическому составу частей (фаз).
Солидус – на диаграмме состояния геометрическое место точек конца затвердевания бинарных сплавов с различным содержанием компонентов.
Составляющая структурная – часть сплава (однофазная или многофазная), имеющая характерную (однообразную) структуру и отделенная от остальных частей сплава поверхностями раздела.
Состав фазовый – количественная характеристика содержания в материале различных фаз.
Состав химический – количественная характеристика содержания в материале химических элементов.
Строение – совокупность устойчивых связей вещества, обеспечивающих его целостность и тождественность самому себе, т.е. сохранение основных свойств.
Микроструктура – форма, размеры, количество и характер взаимного распределения фаз гетерогенной системы, наблюдаемые с помощью оптического или электронного микроскопа.
Точки фигуративные – точки на диаграмме состояния, определяющие фазовый и химический состав системы при заданной температуре.
Эвтектика – структурная составляющая сплава, представляющая собой механическую смесь фаз, образующуюся при одновременной кристаллизации двух (или более) фаз из расплава.
2.3.3 Диаграмма состояния железо-углерод. Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – являются основным сплавами в современной технике. По объему производства чугуны и стали более чем в 10 раз превышают производство всех других металлов вместе взятых.
Основное представление о строении и свойствах железоуглеродистых сплавов дает диаграмма состояния «Железо-углерод» (см. рисунок 2.10).
Основным компонентом сплава является железо.
Железо – металл серебристого цвета, температура плавления 1539 °С. Технические марки железа содержат 99,8—99,9 % Fe. Железо известно в двух полиморфных модификациях: α и γ (см. рисунок 2.5). Важно то, что α-железо с его объемно центрированной кубической кристаллической решеткой существует в двух интервалах температур: ниже 911°С и от 1393 до 1539°С. Железо с последним интервалом температур иногда обозначают β-железо. До температуры 768°С железо магнитно (ферромагнитно). Критическая температура 768°С соответствует переходу железа из ферромагнитного состояния в парамагнитное. Следовательно, γ - железо, существующее при температурах 910—1392°С, парамагнитно.
Рисунок 2.10 Диаграмма состояния железо – углерод (Fe-C)
Углерод – неметаллический химический элемент, температура плавления которого 3500°С. Углерод полиморфен, в обычных условиях находится в виде графита.
На диаграмме можно также выделить несколько следующих фаз, из которых состоит сплав при различных температурах плавления и затвердевания. и с различным содержание углерода.
Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в γ -железе. (предельная растворимость углерода в γ -железе — 2,14%).
Ледебурит – структурная составляющая (эвтектика) железоуглеродистых сплавов, главным образом чугунов, представляющая собой механическую смесь кристаллов аустенита и цементита, образующихся в сплавах, содержащих от 2,0 до 6,67% углерода.
Перлит – структурная составляющая (эвтектоид) железоуглеродистых сплавов, представляющая собой механическую смесь чередующихся пластинок феррита и цементита, образующихся при распаде аустенита во всех сплавах системы с концентрацией углерода более 0,02% при t= 727°С,
Сталь – железоуглеродистый сплав, содержащий 0,02 – 2,14% углерода. По содержанию углерода и наличию структурных составляющих различают: доэвтектоидные (углерода 0,02–0,83%), эвтектоидные (углерода 0,83%), заэвтектоидные (углерода 0,83 – 2,14% ) стали.
Феррит – твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Различают низкотемпературный α-феррит с растворимостью углерода до 0,02% и высокотемпературный δ-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1%.
Цементит Fe3С – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа) с концентрацией углерода 6,67%.
Чугун – железоуглеродистый сплав, содержащий более 2,14% углерода. По содержанию углерода и наличию структурных составляющих различают чугуны: доэвтектические (углерода 2,14–4,3%), эвтектические (углерода 4,3%) и заэвтектические чугуны (углерода 4,3–6,67% ).
Чугуны белые – чугуны, кристаллизующиеся подобно углеродистым сталям по метастабильной диаграмме состояния Fе — Fе3С (углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита; имеет белый блестящий излом).
Контрольные вопросы:
Дайте определение понятиям сплав, компонент, фаза.
Из каких основных фаз состоит равновесный сплав: что такое механическая смесь, твердый раствор, химическое соединение?
Какими линиями на диаграмме состояния определяются границы начала и конца затвердевания сплавов?
Какими линиями на диаграмме состояния определяются виды сплавов: сталь, чугун?
Какая температура определяет переход железа из ферромагнитного состояния в парамагнитное?
Назовите пределы содержания углерода в сталях, чугунах.