Змістовий модуль 3. Основи теорії сплавів

Лекція №12: Основні положення теорії сплавів

План

1. Поняття про сплави

2. Тверді розчини

3. Механічна суміш

4. Хімічні сполучення

5. Правило фаз

Чисті метали використовують у машинобудуванні обмежено. Більшість металевих матеріалів — сплави, що складаються з двох, трьох або більшої кількості речовин. Достатньо сказати, що металеві сплави є основним конструкційним матеріалом, з якого виготовляють близько 95—97 % деталей машин.

Металеві сплави отримують сплавленням (іноді спіканням) металів з металами або неметалами. Сплави зберігають високу теплота електропровідність, ковкість та інші металеві властивості. Будова сплавів складніша за будову чистих металів, тому властивості сплавів значно відрізняються від властивостей чистих металів( Наприклад, чисте залізо має границю міцності близько 150 МПа, а сплави на його основі — понад 2000 МПа. Fe та Ni — метали феромагнітні, а сплав Fe з 25 % Ni не має цієї властивості. Сплав, що складається з 50 % Ві, 25 % РЬ, 12,5% Sn і 12,5% Cd, плавиться при температурі 68 °С, тоді як найбільш легкоплавкий з його компонентів — Sn — має температуру плавлення 232 °С.

Усі ці приклади не тільки виявляють можливість зміни властивостей металів при сплавленні їх з іншими елементами, а й свідчать про потребу всебічного вивчення сплавів для раціонального використання їх у різних галузях сучасної техніки.

Широке використання металевих сплавів обумовлюється можливістю регулю­вання хімічного складу сплаву з метою зміни властивостей у визначеному напрямку.

Основу властивостей металевих сплавів визначають фазовий склад і струк­тура сплавів, які залежать від компонентів.

Компонентами називають хімічні елементи та їх сполуки, на основі яких формується даний сплав.

Як правило, більшість технічних сплавів є багатокомпонентними, але практично завжди можна виділити два—три основних компоненти, а решта коректує властивості сплаву.

В рідкому стані більшість сплавів однорідна й у фізико-хімічному розумінні є однією фазою. Після затвердіння в сплаві може сформуватися кілька фаз.

Фазою називають однорідну за складом і будовою частину сплаву, що відокремлюється від інших частин поверхнею розділу, при переході через яку стрибкоподібно змінюються хімічний склад і властивості.

В залежності від фізико-хімічної взаємодії компонентів у твердому стані можна спостерігати такі типи фаз: первинні тверді розчини і проміжні фази на базі хімічних сполук.

Якщо компоненти при затвердінні сплаву розчиняються один в іншому, то утворюються так звані первинні тверді розчини.

Правило фаз (закон Гіббса). Правило фаз являє собою математичний вираз умов рівноваги системи, який встановлює математичну залежність між числом ступенів вільності С, кількістю компонентів К та кількістю фаз Ф: С = К + 3 — Ф, де 3 — число зовнішніх змінних чинників (темпера тура, тиск). Якщо тиск прийняти сталим, що цілком допускається при розгляданні металевих систем (3 = 1), тобто якщо з-поміж зовнішніх змінних чинників урахувати лише температуру, правило фаз набуде такого вигляду: С = К+ 1 - Ф.

У сплавах можуть утворюватися механічні суміші, тверді розчини, хімічні сполуки, проміжні фази.

Механічні суміші. Механічна суміш двох компонентів А і В утворюється тоді, коли вони не здатні розчинятися у твердому стані і не вступають у хіміч­ну реакцію з утворенням сполуки. За таких умов сплав складається з кристалів А і В.

Механічні властивості залежать від кількісного співвідношення компонентів А і В, а також від розміру і форми зерен (кристалів). Властивості суміші проміжні — між властивостями чистих металів.

Тверді розчини. Твердими розчинами називають кристалічні речовини, в яких атоми розчинного компонента В розміщені у кристалічній решітці розчинника А. При цьому тип решітки не змінюється.

Тверді розчини бувають розчинами заміщення та розчинами проникнення.

У твердих розчинах заміщення атоми розчинного компонента В заміщують частину атомів розчинника А в його кристалічній решітці.

У твердих розчинах проникнення атоми розчинного компонента розподіля­ються в міжвузлах кристалічної решітки розчинника А.

Тверді розчини бувають обмежені та необмежені.

Необмежені тверді розчини утворюються у будь-яких співвідношеннях компонентів.

В обмежених твердих розчинах розчинність компонентів один в одному обмежена, тобто розчинення відбувається до певної концентрації.

При утворенні твердих розчинів заміщення і проникнення атоми розчинного компонента розміщуються у решітці розчинника довільно.

Хімічні сполуки. У результаті хімічної взаємодії утворюється нова речовина з новими властивостями та будовою, відмінними від властивостей і будови елементів, з яких вона отримана. Наприклад, СиА1₂ має твердість НВ 400, тоді як твердість Си становить НВ 35, а твердість А1 НВ 20.

На основі хімічних сполук утворюються так звані тверді розчини вилучення (до них відносяться карбіди VC, TiC, NbC та ін.). У твердих розчинах вилучення співвідношення атомів елементів має відповідати стехіометричній пропорції (цілим числам).

Проміжні фази (фази проникнення). Проміжні фази утворюються металами перехідних груп з металоїдами¹, що мають малий атомний радіус. При цьому атоми металоїду втілені в кристалічну решітку металу. Типовими прикладами фаз проникнення можуть слугувати карбіди та нітриди WC, MoC, TiN, TaN, TiC та ін. Ці фази є проміжними між хімічними сполуками та твердими розчинами. За повного впорядкування атомів вони можуть перейти у хімічні сполуки.

Питання для самоконтролю

1. Що називається сплавом?

2. Яка структура утворюється при кристалізації сплавів?

3. Що таке твердий розчин?

4. Що таке необмежена розчиність?

5. Що таке обмежена розчинність?

6. Які є тверді розчини?

7. Що таке механічна суміш?

8. Що таке хімічне сполучення?

9. Які властивості хімічних сполучень?

10. Що таке система, фаза, компоненти?

11. Правило фаз.

Лекція №13: Діаграми стану подвійних систем І типу

План

1. Перетворення в евтектичному сплаві

2. Перетворення в доевтектичних сплавах

3. Перетворення в заевтектичних сплавах

Діаграма стану подвійних сплавів ілюструє зміну стану сплаву залежно від температури і концентрації (вмісту) компонентів у сплаві. Тиск сталий.

Діаграма стану сплавів, що утворюють механічні суміші ( I роду).

Обидва компоненти А і В (К = 2) — без обмеження розчиняються в рідкому стані, а у твердому не розчиняються і не утворюють хімічних сполук.

Фази — рідина Р, кристали А і кристали В. Максимальне число фаз Ф = 3. При охолодженні на лінії А₁,С починають виділятися кристали А, а на лінії СВ₁ — кристали В. У точці С (при концентрації С) одночасно виділяються кристали А і В.

На кривій охолодження доевтектичного сплаву ділянка0-1 відповідає охолодженню рідкого сплаву, ділянка 1-2 -виділенню кристалів А, ділянка — 2—2' сумісному виділенню кристалів А і В, ділянка 2'—3 — охолод­женню твердого тіла.

На кривій охолодження евтектичного сплаву відрізок 0—2 відповідає охолодженню рідкого сплаву, відрізок 2—2'—одночасній кристалізації кристалів А і В, відрізок 2'—З — охолодженню сплаву, який закристалізувався.

На кривій охолодження заевтектичного сплаву відрізок 0—1 відповідає охолодженню рідини, відрізок 1—2 виділенню кристалів В, відрізок 2—2' — сумісному виділенню кристалів А і В, відрізок 2'—3 — охолодженню сплаву, що закристалізувався.

Механічну суміш двох (і більше) видів кристалів, які одночасно утворилися з рідини, називають евтектикою. Сплави, які лежать зліва від евтектичої точки, є доевтектичними, а сплави справа від евтектичої точки — заевтектичними.

На діаграмі стану чітко простежуються області існування різних фаз. Нижче евтектичої горизонталі DCE знаходяться дві фази — кристали А і кристали В. Зліва евтектичої концентрації з рідини виділяються спочатку кристали А, а потім евтектика. Отже, структурний стан доевтектичного сплаву можна позначити як А + евтектика (А+В), заевтектичного сплаву В + евтектика (А+В), хоча і в тому, і в іншому випадку в сплаві наявні дві фази — А і В.

Правило фаз для подвійних сплавів (І роду). Якщо у подвійних сплавах лише одна фаза — рідина, то К = 2, Ф = 1, С = 2 + 1 - 1 = 2. Це означає, що за цих умов можна змінювати температуру та концентрацію (у певних межах).

Якщо у подвійних сплавах дві фази, наприклад рідкий сплав і кристали твердої фази, то К = 2+1 — 2 = 1. Тобто за даних умов можна змінювати темпе­ратуру, але тоді кожній температурі відповідатиме певне співвідношення фаз.

Якщо у подвійних сплавах одночасно існує три фази, наприклад рідкий сплав і дві тверді фази, як у випадку кристалізації евтектики, то К =2, Ф = З, С = 2 + 1-3 = 0. Такий стан можливий лише за сталої температурил постійного складу фаз. Отже, при кристалізації евтектичного сплаву склад рідкої та твердої фаз має бути незмінним.

Структура всіх доевтектичних сплавів після затвердіння А + евтектика А+В; евтектичних сплавів — евтектика А+В; заевтектичних сплавів — В + евтектика А+В.

Діаграма стану сплаву свинець-сурма (Pb—Sb). Розглянемо реальну діаграму І роду. Кристалізується сплав РЬ— Sb. Температура плавлення евтектики, що складається з 13 % Sb і 87 % Рb складає 246 °С. Доевтектичні сплави, що містять менше 13 % Sb, мають структуру Рb + евтектика Pb+Sb. Заевтектичні сплави, що містять у собі понад 13 % Sb мають структуру Sb + евтектика Pb+Sb. Евтектичний сплав з вмістом 13% Sb має структуру Pb+Sb.

Питання для самоконтролю

1. Що називається евтектикой?

2. Що таке евтектичний сплав?

3. Що називається доевтектичними сплавами?

4. Що називається заевтектичними сплавами?

5. При яких умовах утворюється евтектика?

6. Які перетворення відбуваються в сплавах за діаграмою І типу?

7. Побудувати криві охолодження та нагріву для евтектичного, доевтектичного і заевтектичного сплавів за допомогою правила фаз.

Лекція №14: Діаграми стану подвійних систем ІІ типу

План

1. Перетворення в сплавах за діаграмою ІІ типу

2. Правило відризків

Обидва компоненти необмежено розчиняються у рідкому та твердому станах і не утворюють хімічних сполук. Компоненти: А і В.

Якщо два компоненти необмежено розчинні в рідкому і твердому станах, то можливе існування тільки двох фаз — рідкого розчину Р та твердого розчину а . У цьому випадку трьох фаз бути не може, кристалізація при постійній температурі не відбувається, горизонталь­ної лінії на діаграмі немає.

Лінія АтВ є лінією ліквідусу, а лінія АnВ — лінією солідусу. Точка 1— початок кристалізації, точка 2 — кінець кристалізації . Між точками 1 і 2 сплав знаходиться у двофазному стані. За двох компонентів і двох фаз система моноваріантна С = К+1-Ф = 2+1-2=1, тобто, якщо змінюється температура, змінюється і концентрація компонентів у фазах. Кожній температурі відповідає певний, цілком конкретний, склад фаз.

При С = 0 рівновагу називають нонваріантною (безваріантною); при С = 1 — моноваріантною (одноваріантною); при С = 2 — система біваріантна (двоваріантна).

Концентрацію і кількість фаз у сплаві К в точці а визначають за правилом відрізків, склад рідкої фази —проекцією точки b, що лежить на лінії ліквідусу, а склад твердої фази — проекцією точки с на лінії солідусу. Кількість фаз знаходять зі співвідношень ас /bc для рідкої фази і ba/bc — для твердої. У всьому інтервалі кристалізації (від точки 1 до точки 2) з рідкого сплаву, який має вихідну концентрацію К, виділяються кристали, багатші на тугоплавкий компонент порівняно з вихідним сплавом. Склад цих кристалів визначають проекцією s. Завершується кристалізація К у точці 2, коли остання краплина рідини, що має склад l затвердіє. Склад рідини змінюється відповідно до кривої 1 - , а склад кристалів — відповідно до кривої s—2, і в момент закінчення кристалізації склад кристалів ідентичний складу вихідної фази.

Необмежені тверді розчини утворюють компоненти, що мають однакові за типом та близькі за параметрами кристалічні решітки та невелику різницю в атомних розмірах.

Правило відрізків (правило важеля). При кристалізації змінюються склад рідини (концентрація компонентів) і кількість кожної фази, у будь-якій точці діаграми їх можна визначити. Роблять це, використовуючи правило важеля (правило відрізків).

У точці а, що відповідає стану сплаву К при температурі t1 сплав складається з кристалів В і рідини. Вище точки сплав перебуває в однофазному стані і концентрація компонентів у цій фазі (рідині) визначається проекцією точки . Під час охолодження зі сплаву виділяються кристали В і склад рідини змінюється — у ній збільшується вміст компонента А. За температури t1, концентрація компонента В визна­чається проекцією точки b. Це максимальна кількість компонента В, яку може містити рідина при температурі t1 . У разі евтектичної температури рідина сягає евтектичної концентрації. Отже, при охолодженні сплаву К концентрація рідини зменшується за кривою С. Кристали В, що виділилися, мають сталий склад — це чистий компонент В.

Для визначення концентрації рідкої і твердої фаз сплаву К при температурі t1, через точку а проводимо горизонтальну лінію bc до перетину з лінією СВ1 і з вертикаллю. З точки опускаємо пряму на вісь абсцис. Точка b дає значення концентрації компонентів у рідкій фазі при температурі t1 . Склад твердої фази — кристали В.

Якщо маса сплаву К, прийнята за 100%, на діаграмі відповідає відрізку bc, то маса кристалів у точці а сплаву

Кількість рідини визначають відношенням:

Отже, щоб установити кількість рідкої та твердої складових, необхідно:

• провести вертикальну лінію до перетину з віссю концентрацій (лінія сплаву АВ);

• для конкретної температури провести горизонтальну лінію до перетину з лініями діаграми, що обмежують дану область;

—співвідношення між рідкою та твердою фазами сплаву буде обернено пропорційним відрізкам, на які лінія сплаву ділить ізотерму;

• для визначення кількості твердої фази взяти відношення довжини відрізка, що прилягає до рідкої частини сплаву, до довжини всього відрізка;

• для визначення кількості рідкої частини сплаву взяти відношення довжини відрізка, що прилягає до твердої частини сплаву, до довжини всього відрізка.

Оскільки в ці співвідношення не входить температура, то правило відрізків справедливе для будь-яких температур і різних областей діаграм стану.

Питання для самоконтролю

1. Як Взаємодіють компоненти за діаграмою ІІ типу?

2. Які перетворення відуваються в сплавах за діаграмою ІІ типу?

3. Що таке дендритна ліквація? За якими умовами вона відбувається?

4. Побудувати криві охолодження та нагріву для сплава за діаграмою ІІ типу за допомогою правила фаз.

5. За допомогою правила відрізків визначити кількість структурних складових в сплаві між лініями солідус і ліквідус.

Лекція №15: Діаграми стану подвійних систем ІІІ типу

План

1. Перетворення в сплавах без утворення евтектики

2. Перетворення в евтектичному сплаві

3. Перетворення в до евтектичному сплаві

4. Перетворення в заевтектичному сплаві

Обидва компоненти необмежено розчинні у рідкому стані, обмежено — у твердому і не утворюють хімічних сполук. Компоненти: А і В. Фази: , , . Залежно від того, яка реакція протікає в умовах рівноваги трьох фаз, можуть бути два види діаграм — системи з евтектикою і системи з перитектикою.

Діаграма системи з евтектикою. У цій системі немає фаз, що являють собою чисті компоненти. З рідини можуть виділитися лише тверді розчини або Отже, біля вертикалей А і В, що відповідають чистим компонентам, знаходяться області твердих розчинів і .

— розчин компонента В у ком­поненті А; — розчин компонента А у компоненті В. Лінія АСВ — лінія ліквідусу. Лінія ADCEB — лінія солідусу. Лінія DE — лінія евтектичного перетворення, точка С — евтектична точка.

При зниженні температури твердих розчинів і відбувається їх розпад (криві DF і EG) з виділенням вторинних твердих розчинів // і // . Вторинними ці розчини називають тому, що утворюються вони з твердих сплавів на відміну від первинних кристалів, що виникають у процесі затвердіння рідкого сплаву. Концентрація, що відповідає точці D, характеризує межову розчинність компонента В у компоненті А за евтектичної температури. Концентрація, що відповідає точці Е, характеризує межову розчин­ність компонента А у компоненті В при евтектичній температурі.

Діаграма системи з перитектикою.

Діаграма стану такого типу характери­зується тим, що після первинної кристалізації твердого розчину остан­ній вступає в реакцію з рідиною, що залишилася, утворюючи при цьому нові кристали іншого твердого розчину. Реакцію взаємодії рідини з криста­лами, що випали раніше, називають перитектичною. Лінія АСВ є лінією ліквідусу. Лінія APDB — лінією солідусу. Лінія CPD — лінія перитектичного перетворення. Точка Р — перитектична точка (або просто перитектика). Перитектичні перетворення спостерігаються у багатьох промислових сплавах заліза з вуглецем (до 0,5%), міді з цинком та ін.

Після досягнення перитектичної горизонталі CPD склад рідини відповідатиме точці С, а склад кристалів — точці D. Обидві ці фази реагують і дають третю фазу , концентрація якої визначається точкою Р.

Перитектична реакція:

Питання для самоконтролю

1. Що таке вторинна кристалізація?

2. Які перетворення відбуваються в сплавах без утворення евтектики?

3. Які перетворення відбуваються в евтектичному, доевтектичних і заевтектичних сплавах?

4. Яка різниця у складі евтектики в діаграмах І і ІІІ типів?

5. Побудувати криві охолодження та нагріву для сплавів за діаграмою ІІІ типу за допомогою правила фаз.

Лекція №16: Діаграми стану подвійних систем IV типу

План

1. Перетворення в сплавах, які утворюють хімічну сполуку

2. Зв’язок між типом діаграми стану та властивостями сплавів

Діаграма системи зі стійкою хімічною сполукою.

Компонентами системи є речовини А і В, а твердими фазами — А, А_nВ_m , де А_nВ_т — хімічна сполука, індекси якої показують, що з'єднуються між собою n атомів компонента А і т атомів компонента В. З чотирьох можливих фаз у цій системі можуть існувати три: Р, A, A_nB_m або Р, В, А_пВ_т.

Дану діаграму стану можна розділити на дві частини: перша — сплави, утворені компонентом А з хімічною сполукою А_nВ_m, друга — сплави, утворені компонентом В з хімічною сполукою А_nВ_т.

Хімічна сполука А_nВ_т відіграє роль самостійного компонента. Вона стійка, тому може бути нагріта до власної температури плавлення (точки С) без розкладу. Хімічна сполука плавиться при постійній температурі. На діаграмі наявні дві евтектичні точки: Е₁ — суміш кристалів компонента А з хімічною сполукою та Е₂ — суміш кристалів компонента В з хімічною сполукою. Хімічна сполука А_nВ_т як самостійний компонент системи утворює окремо з компонен­тами А і В дві найпростіші системи. Діаграми стану цих систем схожі з діаграмою роду.

Згідно з діаграмою IV роду обидва компоненти необмежено роз­чинні в рідкому стані, не розчинні у твердому і утворюють стійку хіміч­ну сполуку.

Компоненти А і В утворюють нестійку хімічну сполуку. На лінії DCF врівноважуються три фази — рідина Р концентрації D, кристали компонента В і кристали хімічної сполуки А_nВ_т

При нагріванні нестійка хімічна сполука А_nВ_m розкладається на рідину Р концентрації D і кристали В. При охолодженні спостерігається зворотна реакція: P_D+ В А_nВ_т. Реакція ця нагадує перитектичну, проте утворюється не новий твердий розчин, як у випадку перитектичної реакції, а хімічна сполука.

Процес кристалізації сплаву протікає так: у точці / починається кристалізація, випадають кристали В і концентрація рідини змінюється за кривою 1—D. У точці 2 утворюється нестійка хімічна сполука А_nВ_т. На цьому кристалізація не завершується, а триває до точки 3; на ділянці 2—3 з рідини Р випадають кристали хімічної сполуки А_nВ_т. Коли концентрація рідини досягне точки Е, кристалізація закінчиться. Далі рідина, що залишилася, кристалізується в евтектику з кристалів А і хімічної сполуки А_nВ_т. На кривій охолодження матимемо дві площини — верхню DCF, що відповідає утворенню нестійкої хімічної сполуки, і нижню GEH, яка відповідає формуванню евтектики А + А_nВ_т.

Питання для самоконтролю

1. Які перетворення відбуваються в сплавах за діаграмою ІV типу?

2. Побудувати криві охолодження та нагріву в сплавах, які пересиченні компонентом А, В, A_mB_n.

3. Який зв’язок існує між типом діаграми і властивостями сплавів?

4. Як залежить пластична деформація від структури сплава?

5. Як залежить рідкотекучесть від стуктури сплава?

6. Які сплави найбільш пластичні?

Лекція №17 : Залежність властивостей сплавів від складу у подвійних системах. Основні поняття про діаграми трикомпонентних

План

1. Зв'язок між властивостями сплавів і типом діаграми стану

2. Діаграми стану потрійних сплавів

Зв'язок між властивостями сплавів і типом діаграми стану

Так як вид діаграми, також як і властивості сплаву, залежить від того, які з'єднання або які фази утворили компоненти сплаву, то між ними має існувати певний зв'язок. Ця залежність встановлена Курнаковым.

1. При утворенні механічних сумішей властивості змінюються за лінійним законом. Значення характеристик властивостей сплаву знаходяться в інтервалі між характеристиками чистих компонентів.

2. При утворенні твердих розчинів з необмеженою розчинністю властивості сплавів змінюються по криволінійній залежності, причому деякі властивості, наприклад, електроопір, можуть значно відрізнятися від властивостей компонентів.

3. При утворенні твердих розчинів з обмеженою розчинністю властивості в інтервалі концентрацій, що відповідають однофазних твердих розчинів, змінюються по криволінійному закону, а в двофазній області - за лінійним законом. Причому крайні точки на прямій є властивостями чистих фаз, гранично насичених твердих розчинів, що утворюють дану суміш.

4. При утворенні хімічних сполук концентрація хімічної сполуки відповідає максимуму на кривій. Ця точка перелому, відповідна хімічному з'єднанню, називається сингулярною точкою.

Значна кількість сплавів, що застосовуються у техніці, складається більш як з двох компонентів. У деяких випадках кількість третього компонента надто мала або його вплив настільки незначний, що систему практично розглядають як подвійну. Тоді обмежуються згадкою про вплив третього компонента (сталь, чавун та ін.). Проте, коли концентрація третього елемента велика або його вплив досить суттєвий, сплави слід розглядати як потрійну систему.

Потрійні діаграми будують експериментальним шляхом. для цього, так само як і у випадку подвійних сплавів, визначають критичні температури (критичні точки) побудовою кривих охолодження або нагрівання або іншим методом і наносять їх на лінію даного сплаву, тобто на вертикаль до точки, що показує склад сплаву.

При з'єднанні точок ліквідусу виходить поверхня ліквідусу, а точок солідуса - поверхня солідуса.

Вид потрійної діаграми стану залежить від токо, які фази утворюються в результаті взаємодії компонентів у сплаві.сплаві.

Діаграма стану потрійних сплавів має вигляд тригранної призми. Основою призми є рівнобічний трикутник, на гранях якого відкладають концентрацію компонентів. Трикутник називають концентраційним. Компоненти, що утворюють сплав, указують біля вершин трикутника, відповідні подвійні сплави — на боках трикутника, а потрійні сплави — точками всередині трикутника.

Для визначення складу потрійного сплаву використовують властивості рівнобічного трикутника: якщо через будь-яку точку всередині трикутника, наприклад М, провести прямі, паралельні сторонам, сума відрізків а, Ь, с, виділених на сторонах, дорівнює стороні трикутника а + b + с= АВ = ВС = СА. За 100% одного з компонентів приймають сторону трикутника. Для визначення складу сплаву М користуються відрізками Mh, Mk, Mg, які дорівнюють відрізкам а, Ь і с. Відлік ведуть за годинниковою стрілкою, тоді відрізок а вкаже вміст компонента А, відрізок b — вміст компонента В, відрізок с — вміст компонента С.

Температури відкладають по висоті призми. Для визначення фазового та струк­турного складу потрібного сплаву залежно від концентрації і температури будують просторове зображення діаграми.