Основы теории сплавов

Металлическими сплавами называют сочетания двух или более металлов и неметаллов, у которых сохраняются металлические свойства. Большинство сплавов получают в жидком состоянии (сплавлением); однако они могут быть получены также путем спекания, электролиза, конденсации из парообразного состояния.

Компонентами называют химические элементы или их соединения в составе сплава.

По числу компонентов сплавы делят на двойные, тройные и т.д. В зависимости от природы компонентов различают:

1. сплав - механическая смесь компонентов;

2. сплав - твердый раствор компонентов;

3. сплав - химическое соединение компонентов.

Сплавы - механические смеси неоднородны и представляют собой мельчайшую смесь кристаллов компонентов.

Сплавы твердые растворы и сплавы - химические соединения однородны, причем первые могут образовываться при различном соотношении компонентов, а вторые - только при строго определенном весовом соотношении.

Рис.30. Схема распределения атомов в решетках твердых растворов:

а-решетка замещения, б-решетка внедрения

В сплавах - твердых растворах атомы растворимого вещества замещают атомы растворителя в кристаллической решетке (рис.30,а) или внедряются в нее (рис.30,б); сплавы - химические соединения - образуют особую кристаллическую решетку.

Системойназывают совокупность веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях. Системы бывают простые и сложные. Простая система состоит из одного компонента. Сложная система включает несколько компонентов и представляет все возможные количественные сочетания их при различных температурах.

Фазой называют однородную часть системы, отделенную от других составляющих (фаз) поверхностью раздела. Следовательно, фазами могут быть химические элементы, твердые и жидкие растворы, и химические соединения. В жидком состоянии система состоит из одной фазы, при затвердевании всегда имеются две фазы - жидкая и твердая. После затвердевания образуется или одна фаза (химический элемент, химическое соединение, твердый раствор), или сплав, содержащий смесь фаз.

Диаграммы состояния

Диаграммы состоянияхарактеризуют процессы затвердевания и структурного изменения сплавов различных систем и дают представление о фазах в любом сплаве данной системы. По диаграмме состояния можно судить о свойствах всех сплавов данной системы. Она позволяет выбирать условия термической обработки сплавов, их ковки, сварки. Различают несколько типов диаграмм состояния, основными из которых являются.

Диаграммы состояния 1типа характеризуют системы, компоненты которых в жидком состоянии полностью взаимно растворяются, а в твердом состоянии образуют механическую смесь кристаллов обоих компонентов (пример, сплав свинец - сурьма).

Диаграммы состояния 2 типахарактеризуют системы, компоненты которых полностью растворяются как в жидком, так и в твердом состоянии, примером служит система медь - никель.

Диаграмма состояния системы железо - углерод.Наличие небольшого количества обычных примесей в стали не влияет существенно на положение критических точек и характер линий диаграммы, поэтому сталь рассматривают как двойной сплав железо - углерод.

Углерод с железом образует химическое соединение (цементит) или может находиться в сплаве в свободном состоянии в виде графита. Соответственно существуют две диаграммы сплавов «железо - углерод»: цементитная и графитная.

На рис.31приведен упрощенный вид цементитной диаграммы состояния системы «железо - углерод».

Наибольшая доля углерода, по диаграмме 6.67%, отвечает содержанию углерода в химическом соединении - цементите. Следовательно, компонентами, составляющими сплавы этой системы, будут, с одной стороны, чистое железо Fe, с другой - цементитFe₃C.

Превращение из жидкого состояния в твердое(первичная кристаллизация). ЛинияACD - ликвидус, а линия AECF - солидус. Форма этих линий показывает, что перед нами сложная диаграмма, представляющая сочетание диаграммы2 типа( от точки Адо точкиЕ) и диаграммы1типа(от точкиЕдо точкиF).

Рис.31. Диаграмма состояния системы «железо - углерод»

Выше линии ACD сплавы системы находятся в жидком состоянии (Ж). По линииАС из жидкого раствора начинают выпадать кристаллы твердого раствора углерода в-железе, называемогоаустенитом (А). Следовательно, в областиАСЕ будет находиться смесь двух фаз - жидкого раствора (Ж) и аустенита (А). По линииCD из жидкого раствора начинают выпадать кристаллы цементита (Ц); в области диаграммыCFD находится смесь двух фаз - жидкого раствора (Ж) и цементита (Ц). В точкеС при содержании 4.3% углерода и при температуре 1130⁰С происходит одновременно кристаллизация аустенита и цементита и образуется их тонкая механическая смесь -эвтектика, называемая в этой системе ледебуритом. Ледебурит присутствует во всех сплавах, содержащих от 2.0 до 6.67 % углерода. Эти сплавы относятся к группе чугуна.

Точка Е соответствует предельному насыщению железа углеродом (2.0 %). Сплавы, лежащие левее этой точки, после полного затвердевания представляют собой аустенит. Эти сплавы относятся к группе стали.

Превращение в твердом состоянии(вторичная кристаллизация). ЛинииGSE, PSK иGPQ показывают, что в сплавах системы в твердом состоянии происходит изменение структуры.

Превращение в твердом состоянии происходят вследствие перехода железа из одной модификации в другую, а также в связи с изменением растворимости углерода в железе.

В области диаграммы AGSE находится аустенит (А). При охлаждении сплавов аустенит распадается с выделением по линииGS феррита (Ф) - твердого раствора углерода в-железе,а по линии SE - цементита (Ц) , выпадающего из твердого раствора, называемоговторичным. В областиGSP находится смесь двух фаз - феррита (Ф) и распадающегося аустенита (А), а в областиSEE₁ - смесь вторичного цементита и распадающегося аустенита. В точкеS при содержании 0.8 % С (точнее 0.83%) и при температуре 723⁰С весь аустенит распадается и одновременно кристаллизируется тонкая механическая смесь феррита и цементита - эвтектоид(т.е. подобный эвтектике), который в этой системе называетсяперлитом. Сталь, содержащая 0.8%С, называетсяэвтектоидной, менее 0.8%С -доэвтектоидной,от 0.8 до 2.0%С заэвтектоидной.

По линии PSK происходит распад всего аустенита, оставшегося в любом сплаве системы, с образованием перлита; поэтому линияPSKназывается линиейперлитного(эвтектоидного) превращения.