Калин Физическое материаловедение Том 5 2008

временное сопротивление на пределе растворимости В в А –р.Отметим, что направление изменения прочности эвтектической области может быть и нисходящим, и восходящим.

Более сложной является зависимость пластичности основы сплава от величины легирующей добавки (рис. 16.10,в). В большинстве случаев при увеличении концентрации пластичность резко падает – р1, в других случаях это падение менее резкое – р2, в третьих, пластичность даже увеличивается – р3.

Важно подчеркнуть, что решающую роль играет не природа легирующих элементов, а величина их предельной растворимости (в атомных процентах). При малых растворимостях ( 0,01 ат.%) прочность на пределе растворимости не отличается от прочности основы. При 0,1 ат.% прочность сплава на пределе растворимости прогрессивно возрастает и достигает максимума в районе =

наблюдается при kr 0. Поэтому добавки с kr 0,01 считают вредными примесями для заданной основы сплава. Весьма интересным

91

В заключение необходимо отметить, что применительно к конкретной основе будущего сплава величины предельной растворимости ( ) основных и вспомогательных легирующих элементов могут иметь более высокие значения. Например, для алюминия как основы сплава к разряду основных можно отнести восемь элементов со следующими значениями : Zn – 49 %, Ag – 23 %, Mg – 18,9 %, Li –

16 %, Ga – 8,5 %, Ge – 2,8 %, Cu – 2,5 %, Si – 1,59 %.

Растворимость и термическая обработка. Основной задачей термической обработки сплавов является формирование заранее заданного СФС, возможного в данной термодинамической системе химических элементов, обеспечивающего необходимый комплекс свойств, в первую очередь, механических. Термическая обработка (ТО) часто применяется как упрочняющая операция на финишной стадии получения изделия (детали) и является по сути операцией, усиливающей упрочняющий эффект легирования. Обязательным условием для упрочняющей ТО является регулирование растворимости легирующих элементов в основес понижением температуры. Другими словами, термической обработке (например, закалке и старению) целесообразно подвергать сплавы, в основе которых легирующие элементы имеют достаточную растворимость в твердом состоянии, уменьшающуюся с понижением температуры, или, как хорошо известно из курсов по термической обработке, в которых возможны полиморфные превращения с участием фаз с разной растворимостью легирующих элементов.

Рассмотрим эффективность применения ТО для упрочнения исходного сплава на двух системах: системе сплавов с переменной ограниченной растворимостью компонента В в основе А; системе сплавов А–В с полиморфным превращением.

Ограниченная растворимость. Начальный участок диаграммы состояния с ограниченной растворимостью легирующего элемента в основе показан на рис. 16.12,а. Из хода кривой растворимости c′с видно, что чем больше предельная растворимость по сравнению с растворимостью при комнатной температуре, тем больше эффект упрочнения при закалке (рис. 16.12,б). Это заключение можно сформулировать по-другому: чем больше отрезок c′d′ отрезка cd, тем эффективнее термическая обработка (с позиций упрочнения).

93

Другими словами, можно ввести критерий

эффективности термической обработки

(при закалке и старении), равный отношению cd к c′d′, причем это отношение должно быть минимальным, т.е.:

мостей легирующего компонента в - и -фазах, а точнее – отношением предельной растворимости низкотемпературной фазы к предельной растворимости высокотемпературной фазы. Поэтому

Растворимость и технологические характеристики сплавов.

Технологическими характеристиками (или свойствами) сплавов называют те, которые проявляются в процессе получения и обработки собственно материала и изделий. Таких характеристик

94

большое количество. Здесь мы рассмотрим некоторые из них, в основном те, которые зависят от величин растворимости легирующих компонентов в сплавах: жидкотекучесть, склонность к усадочным трещинам, деформируемость при обработке давлением, свариваемость.

Введение в основу легирующих добавок, повышающих свойства материала, часто приводит к ухудшению технологических характеристик основы. Это обстоятельство необходимо учитывать при выборе легирующих элементов. Здесь нельзя не отметить, что легирование может быть направлено и на улучшение технологических характеристик сплава. Примером такого легирования является введение раскисляющих добавок при плавке, устраняющих

образование газовых раковин, оксидов, которые могут понижать в итоге механические свойства сплава. Рассмотрим критерии изменения технологических характеристик с позиций анализа предельной растворимости вводимого в основу А компонента В по схеме ДСС, представленной на рис. 16.14.

Жидкотекучесть – это технологическая характеристика литей-

ных сплавов, определяющая способность сплава заполнять литей-

ную форму. При недостаточной жидкотекучести в отливках, особенно тонкостенных, возникают недоливы расплава и другие дефекты. Максимальной жидкотекучестью обладают эвтектические сплавы, а минимальной – сплавы, кристаллизующиеся в широком интервале температур; промежуточное положение занимают чистые металлы и химические соединения.

Наибольшее значение для технических сплавов имеет практическая жидкотекучесть, которая зависит от величины предельной растворимости легирующего элемента и склонности сплава к окислению (образованию плен), т.е. критерий жидкотекучести = f( , H), где H – энтальпия образования оксида на поверхности расплава.

95

ближении состава сплава к эвтектике и к составу нелегированной основы А.

Рис. 16.15. Зависимость практической жидкотекучести сплавов на пределе

растворимости от и H2980 : I – 5, H2980 600 кДж/моль;

II – 5; III – H2980 600 кДж/моль;0 – жидкотекучесть основы сплава

Усадочные пустоты образуются при затвердевании сплавов в слитках или отливках. Существуют две разновидности усадочных пустот: усадочные раковины – крупные, концентрированные пустоты, образующиеся в верхних частях отливок; усадочная пористость – зоны, пронизанные большим количеством мелких, микроскопических пустот, которые образуются в осевых частях отливок и в местных утолщениях. Первые совершенно недопустимы в изделиях. Вторые неизбежно остаются в литых изделиях, снижают их механические характеристики. При последующем деформировании литых сплавов эта пористость может быть снижена. Часто усадочная пористость развивается совместно с газовой, причем газы, как известно, стабилизируют усадочную пористость.

При введении любых добавок в основу суммарный объем усадочных пустот возрастает. В чистых металлах и химических соединениях, кристаллизующихся при постоянной температуре, объем пористости минимален. По мере роста температурного интервала кристаллизации (в результате легирования) пористость возрастает. В целом, критерий пористости ( ) сплава целиком зависит от величины и, в соответствии с рис.16.14, его можно представить в виде формулы

97

вания (уровня напряжений, скорости деформации, температуры и др.). Важнейшим фактором, определяющим деформируемость того или иного сплава, является относительное удлинение, которое зависит от кристаллической структуры сплава и его фазового состояния. Учитывая много параметрическую зависимость относительного удлинения (пластичности) от природы материала и условий испытания, сложно ожидать относительно простой связи этой характеристики с растворимостью легирующей добавки в основе, как это имеет место с прочностными свойствами. Тем не менее, можно с достаточной степенью достоверности считать, что относительное удлинение возрастает с уменьшением прочности сплава. Кроме того, известно, что структуры с ГЦК решеткой имеют больше систем скольжения, чем структуры с ОЦК решеткой. Поэтому при состоявшемся выборе основы сплавов с ГЦК решеткой количество легирующих элементов лучше брать такое, чтобы не менять кристаллическую структуру. В любом случае обработать сплав давлением можно, варьируя температуру деформации.

Свариваемость сплавов. Сварка – это технологическая операция, зависящая от комплекса состояний материала (сплава), определяющих пригодность сплава к образованию сварных соединений. При сварке плавлением в металле сварного соединения происходит

99