Основы теории сплавов.
Металлы в чистом виде не всегда обеспечивают требуемых механических и технологических свойств. Поэтому в технике в большинстве случаев используют их сплавы. Элементы или химические соединения, образующие сплавы, называются компонентами. Компонентами металлических сплавов могут быть не только металлы, но и неметаллы. В зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов в сплавах образуются фазы, число и тип которых характеризуют состояние сплава. Фаза – это однородная часть сплава, характеризующаяся определённым составом, свойствами, типом кристаллической решетки и ограниченная поверхностью раздела от других частей системы. В сплавах возможно образование следующих фаз:
Жидких растворов
Твёрдых чистых металлов
Твёрдых растворов
Химических соединений
В зависимости от числа фаз сплавы могут быть одно-, двух- и многофазными.
В жидком состоянии компоненты сплава обычно неограниченно растворимы друг в друге, образуя жидкие растворы в виде однородной массы. В твёрдом состоянии компоненты могут образовывать:
химические соединения, когда компоненты вступают в химические взаимодействия;
твёрдые растворы, когда один компонент растворяется в другом, который называется растворителем;
механические смеси, представляющих собой смесь двух или нескольких чистых компонентов.
Химическое соединение компонентов в сплаве характеризуется образованием новой кристаллической решётки с упорядоченным расположением в ней атомов компонентов. При этом новая кристаллическая решётка существенно отличается от решёток компонентов. Поэтому свойства данной фазы сплава существенно отличаются от свойств компонентов.
Сплав твёрдого раствора имеет кристаллическую решётку растворителя, а атомы растворяемого металла либо внедрены в его решётку, либо замещают атомы растворителя в узлах решётки. Такой сплав существует в широком интервале концентраций компонентов. Свойства такого сплава дополняют и расширяют свойства базового компонента.
Сплав в виде механической смеси представляет собой твёрдую разновидность взаимодействия, когда компоненты в твёрдом состоянии образуют механическую смесь их кристаллов со своими кристаллическим решётками. Отсюда и свойства сплава получаются средними – присущими обоим компонентам сплава.
Для изучения сплавов в разнообразии состава компонентов, их количественного участия, поведения при изменении температуры, обычно изображают диаграммы состояния данных сплавов.
Диаграмма состояния сплава представляет собой графическое изображение состояния сплава и показывает превращения, протекающие в сплавах в зависимости от температуры и концентрации элементов. Их строят обычно экспериментально. Их построения обычно используют термический метод, с помощью которого получают кривые затвердевания и охлаждения сплавов. По остановкам и перегибам на этих кривых, обусловленных тепловыми эффектами превращений, определяют температуру превращений.
В дополнение к термическому методу применяют исследования микроструктуры, изучают изменения физических свойств сплавов и др.
По вертикали диаграммы состояния откладываются температуры, а по горизонтали концентрация компонентов. В зависимости от взаимодействия компонентов сплава в твёрдом состоянии различаются следующие типы диаграмм состояния сплавов.
Диаграммы состояния сплава с неограниченной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии и не образующих химических соединений.
Диаграммы состояния сплава с ограниченной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии (без химического соединения)
Диаграммы с образованием химических соединений.
Диаграммы состояния сплавов, образующие механические смеси чистых компонентов в твёрдом состоянии.
Диаграмма состояния сплавов, когда один из элементов обладает полиморфизмом (аллотропией), то есть способностью изменять тип своей кристаллической решётки, в зависимости от температуры и давления.
Другие типы диаграмм.
Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твёрдом состоянии имеет вид петли. Сплавы этого вида затвердевают в интервале температур, примером её может быть сплав Cu – Ni рис. 3.1.
Рис. 3.1. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов
Сначала получают термические кривые. Полученные точки переносят на диаграмму, соединив точки начала кристаллизации сплавов и точки конца кристаллизации, получают диаграмму состояния.
Количество компонентов: К = 2 (компоненты А и В). Число фаз: f = 2 (жидкая фаза, кристаллы твердого раствора)
Основные линии диаграммы:
АLВ – линия ликвидус, выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии;
ASB – линия солидус, ниже этой линии сплавы находятся в твердом состоянии.
Чистые компоненты А и В кристаллизуются при постоянной температуре.
АLВS – двухфазная область (жидкая фаза и твердый раствор компонентов А и В).
Диаграммы сплавов с ограниченной растворимостью компонентов более сложны и входят, например, в диаграммы таких промышленных сплавов как железо – углерод, алюминий – медь и др. Выше линии ECF (рис.3.2.) – однородный жидкий раствор. Линия EDCKF – линия конца затвердевания. Линия DCK – линия эвтектического положения, а точка С – эвтектическая точка (сплав двух компонентов, который плавится при минимальной температуре, называется эвтектическим или эвтектикой). При достижении t°С, соответствующей линии DCK происходит эвтектическая реакция – из жидкости выделяется смесь кристаллов обоих твёрдых растворов α и β.
Рис. 3.2. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной взаимной растворимостью компонентов в твердом состоянии
Диаграмма состояния сплавов, учитывающих превращение в твёрдом состоянии, приведена на рис. 3.3. FK – линия эвтектики. Левее FM эвтектики не может быть. Это линия переменной растворимости компонентов В в А. Кристаллы компонентов выделяются из эвтектики называются вторичными. Аналогично и по линии KN.
Рис. 3.3. Диаграмма состояния сплавов с переменной растворимостью компонентов в твердом состоянии