1.2.3. Аллотропия металлов. Температурная кривая охлаждения железа.
Аллотропией, или полиморфизмом, называется способность металлов в твердом состоянии иметь различное кристаллическое строение, а, следовательно, и свойства при различных температурах.
Процесс перехода из одной кристаллической формы в другую называется алломропическим (полиморфным) превращением. Аллотропические формы обозначают начальными буквами rpeчecкoro алфавита: альфа α, бета β, гаммa χ. дельта δ и т. д., начиная с той формы, которая существует при более низкой темпepатуpe.
В процессе аллотропического превращения выделяется скрытая теплота кристаллизации (если превращение идет при охлаждении); на кривой охлаждения аллотропическое превращение отмечается горизонтальным участком. Аллотропические превращения имеют многие металлы, например железо, марганец, олово, титан и др.
На рис. l.9. приведена кривая охлаждения железа, характеризующая аллотропические превращения. Железо имеет о6ъемно-центрированную кубическую решетку до teмпepaтypы 910° С и в интервале 1400 - 1539° С (Fe8), а от температуры 910 до 1400° С имeeт гранецентрированную кубическую решетку (Fey). Высокотемпepaтypная α- модuфикация (от 1400 до 1539° С) иногда обозначается Feδ (δ-железо). При температуре 768° С происходит изменение магнитных свойств: ниже 768°С железо магнитно, выше 768° С железо немагнитно.
Рис. 1.9. Кривая охлаждения железа
1.3. Понятие о диаграмме состояния сплава
Чистые металлы в большинстве случаев не обеспечивают требуемого комплекса - механических и технологических свойств и поэтому редко применяются для изготовления изделий. Некоторое применение имеет, например, медь главным образом для изготовления проводников электричества. В большинстве случаев в технике применяют сплавы.
Металлическим сплавом называется вещество, состоящее из двух или более элементов (металлов или металлов с металлоидами), обладающее металлическими свойствами. Обычным способом приготовление сплавов является сплавление, но иногда применяют спекание, электролиз возгонку.
В большинстве случаев входящие в сплав элементы в жидком состоянии полностью растворимы друг в друге, т. е. представляют собой жидкий расмвор, в котором атомы различных элементов более или менее равномерно перемешаны друг с другом (рис. l.l0.а.). В твердом виде сплавы способны образовывать твердые растворы, химические соединения, механические смеси (рис. 1.10. б, в, г).
Рис.1.10. Структура и строение, элементарной ячейки пространственной кристаллической решетки различных сплавов из двух металлов А и В: ● - атомы металла А; ○ - атомы металла В
Во многих сплавах при переходе в твердое состояние (при кристаллизации) сохраняется однородность распределения атомов различных элементов и, следовательно, сохраняется и растворимость. Образовавшийся в этом случае кристалл (зерно) называется твердым раствором.
Микроструктура твердого раствора в условиях равновесия представляет собой совершенно однородные и одинаковые по составу зерна и похожа на структуру чистого металла (рис. 1.10.6). Твердый раствор, как и чистый металл, имеет одну кристаллическую решетку. Различие состоит только в том, что в кристаллической решетке чистого металла все узлы заняты атомами одного элемента, а в твердом растворе - атомы различных элементов, образующих этот твердый раствор.
По расположению атомов в кристаллической решетке различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения.
В твердом ррастворе замещения атомы растворенного элемента занимают узлы атомов элемента растворителя, т. е. расположены в узлах кристаллической решетки (рис. 1.11,а)
Рис. 1.11. Расположение атомов в твердых растворах:
а - твердый раствор замещения; б - твердый pactbop внедрения; ● - атом растворимого компонента; ○ - атом компонента растворителя.
В твердом растворе внедрения атомы растворенногоо элемента располагаются внутри кристаллической решетки элемента растворителя между атомами металла-растворителя (рис. 1.11. б).
При образовании твердых растворов свойства сплавов изменяются плавно, отличаются от свойств элементов, из которых они состоят.
Характерной особенностью металлического химического соединения является образование кристаллической решетки (рис. 1.10.в), отличной от решеточнообразующих элементов, и существенное изменение всех свойств.
Если элементы, входящие в состав сплава, не растворяются друг в друге в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения, то кристаллы (зерна) элемента, входящие в сплав, образуют механическую смесь (рис.l.10 г). При образовании механической смеси, когда каждый элемент кристаллизуется самостоятельно, свойства сплава получаются средними между свойствами элементов, которые его образуют.
Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение фазового состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации в условиях равновесия.
Рассмотрим построение диаграммы состояния. Диаграмму состояния строят в координатах температура – концентрация (рис. 1.12.).
Рис. l.12. Координаты для изображения диаграммы состояния двух компонентной системы.
Для сплавов, состоящих из двух компонентов А и В, состав характеризуется отрезком прямой, принятым за 100%. Крайние точки А и В соответствуют 100% чистых компонентов. Любая точка на этом отрезке характеризует состав двойного сплава. Так, например, точка С cooтвeтcтвyeт сплаву, состоящему из 20% В н 80% А: точка D cooтвeтcтвyeт сплаву, состоящему из 60% В и 40% А.
Для построения диаграммы состояния из компонентов изготовляют серию сплавов различного состава и для каждого из них cтpoят кривую охлаждения.
Критические точки каждого сплавa наносят на сетку в координатах температура - концентрация.
Рассмтрим построение диаграммы состояния для сплавов, состоящих из свинца РЬ и сурьмы Sb. Свинец и сурьма обладают неограниченной растворимостью в жидком состоянии, а в твердом состoянии не растворяются друг в друге, т. е. образуют механическую смесь.
На рис. 1.13. приведены кривые охлаждения свинца, сурьмы, трех сплавов свинец - сурьма и диаграмма состояния сплавов свинец - сурьма.
Рис. 1.13. Диarpамма состояния свинец - сурьма. Кривые охлаждения и схемы структур.
Приведенные кривые показывaют, что три кривые охлаждения - для свинца, сурьмы и сплава 87% РЬ и 13% Sb имеют одну критическую тoчку (горизонтальную площадку). Горизонтальные площадки для чистых металлов: свинца при 327º С и сурьмы при 631º С (рас. 1.13. а, д) являются температурами их затвердевания. Для сплава с 87% РЬ и 13% Sb (рис. 1.13. в) горизонтальная площадка при 246º С является температурой затвердевания данного сплава с образованием механической смеси кристаллов свинца и сурьмы. Такая механическая смесь называется эвтектикой. Температура, при которой образуется эвтектика (в данном случае 246º С), называeтся эвтектической темперaтypой, состав сплава, при котором образуется эвтектика (в данном случае 87% РЬ и 13% Sb), называется эвтектическим составом.
Для двух других сплавов свинец - сурьма (рис. 1. 1З. б, г) имеются две критические точки 1 и 2, указывающие на то, что эти сплавы затвердевают не при одной постоянной температуре, а в интервале температур. В таких сплавах добавка одного компонента к другому понижает температуру начала затвердевания сплава. Температура же конца затвердевания не зависит от состава сплава и одинакова для всех сплавов - для данной системы это температypа 246º С.
На кривой охлаждения каждого сплава тeмпepaтypa, соответствующая точке 1, отвечает началу затвердевания сплава и называется температурой ликвидуса (liquidus - жидкий); температура точки 2 соответствует концу затвердевания сплава и называется температурой солидуса (so1idus - твердый).
Характерным для данной системы являетcя то, что сплавы любого состава окончательно затвердевают только в том случае, ecли они имеют эвтектический состав (87% РЬ и 13% Sb). В различных сплавах свинец - сурьма по сравнению со сплавом эвтектического состава имеется избыток или свинца, или сурьмы. Поэтому, нaпpимер, в сплаве состава 95% РЬ и 5 % Sb (рис. 1.13. 6), имеющем большее количество свинца против звтектическогo состава, в интервале температур от точки 1 до точки 2 из жидкого сплава выделяются кристаллы свинца до тех пор, пока жидкий сплав не обогатится сурьмой до 13% и затвердеет при 246º С с образованием эвтектики. Так как до кристаллизации эвтектики выделяются кристаллы свинца, после окончательного затвердевания получаeтcя cтpyктypa свинец + эвтектика (свинец + сурьма).
В сплаве состава 60% РЬ и 40% Sb (рис. l.13. г), наоборот, имеется избыток сурьмы, и поэтому в интервале температур от точки 1 до точки 2 выделяются кристаллы сурьмы и жидкий сплав обогащается свинцом до содержания 87% и затвердевает при 246º С с образованием эвтектики. Так как до кристаллизации эвтектики выделяются кристаллы сурьмы, после окончательного затвердевания получается струкрура сурьма + эвтектика (свинец + сурьма).
Если с кривых охлаждения критические температуры перенести на сетку в координатах температура – концентрация, как показано на рис. 35, и эти точки соединить между собой, то получим диarpамму состояния сплавов свинец – сурьма. На этой диаграмме линия АСВ - линия начала затвердевания сплавов - линия ликвидуса. Выше температур, образующих эту линию, все сплавы этой системы находятся в жидком состоянии.
Линия DСЕ - линия кoнцa затвердевания - линия сонидуса. При температурax ниже этой линии все сплавы этой системы находятся в твердом cocтoянии. Между этими линиями часть сплава находится в твердом, а часть - в жидком состоянии. По линии АС из жидкoгo сплава выдeляютcя кристаллы свинца, а по линии СВ - криcтaллы сурьмы. Межцу линиями АС и DC наряду с жидким сплавoм присутствуют кристаллы свинца, а между линиями СВ и СЕ - жидкий сплав и криcталлы сурьмы.
Линия солидуса DСЕ является также линией образовaния эвтектики свинец-сурьма. Сплав состава точки С (13% Sb) после затвердевания состоит только из одной эвтектики свинец - сурьма. Сплавы, по своему составу лежащие левее эвтектической точки С (на линии DС), называются доэвmeктическими сплавами и после затвердевания имеют структуру: свинец + эвтектикa (свинец + сурьма). Сплавы, по своему составу лежaщие правее эвтектической точки С (на линии СЕ), называются зaэвтeктическими и после затвердевания имеют структуру: сурьма + эвтектикa{свинец + сурьма).
Диаграмма состояния позволяет для кoнкpeтныx сплавов проследитъ за пpeвращeниями, происходящими при их нагревании и охлаждении, определить тeмпературу началa и конца плавления (затвердeвания) сплава, выяснить будет ли сплав однародным, каковы его, жидкотeкyчecть, пориcтость. Эти сведения необходимы при разработке литейной технологии. Сведeния о cтpyктypныx превращениях, их характере, структуре, получаемой в peзyльтатe этих пpeвpaщeний, температурах, при которых начинаются и зaкaнчивaютcя эти превращения и т. п., необходимы при разработке технологии термической обработки деталей из данногo cплава. Эти и дpyгиe сведения необходимы такжe при разработке технологии горячей обpабoтки и сварки, назначении того или иногo сплава для изгoтoвления из нeгo изделий.