3. Основы теории сплавов

3.1 Основные сведения о сплавах

Чистые металлы характеризуются низким пре­делом прочности и поэтому находят довольно ограниченное применение. Их используют главным образом в электротехнике (проводниковые, электровакуумные и другие материалы). В машиностроении при­меняют главным образом их сплавы.

Металличе­ским сплавом называют сложное вещество, полученное сплавлением (или спеканием) несколь­ких металлов или металлов с неметаллами. На­пример, мягкая медь с добавлением олова пре­вращается в более твердую бронзу. При этом улучшаются эксплуатационные и технологиче­ские свойства металлического материала.

При изучении процессов, происходящих в спла­вах при их превращениях, а также для описания строения сплавов в металловедении используют понятия: компонент, фаза, система.

Компонен­тами называют химические вещества, образующие сплав (систему). Чистый металл представляет собой однокомпо­нентный сплав (систему), сплав двух металлов - двух­компонентную систему и т. д. Компонентами мо­гут быть металлы и неметаллы, а также устой­чивые, т. е. не диссоциирующие на составные ча­сти в рассматриваемых интервалах температур вещества - химические соединения. Так, для цветных металлических сплавов компонентами могут быть металлы (например, медь с цинком образует латунь), а для железоуглеродистых - металлы с небольшим содержанием неметаллов (железо с углеродом - чугун, сталь).

Фазой называют однородную часть системы, имеющую одинаковый состав одно и то же агре­гатное состояние и отделенную от остальных ча­стей системы поверхностью раздела, при пере­ходе через которую химический состав или струк­тура вещества изменяются скачкообразно.

Сово­купность фаз, находящихся в равновесии при оп­ределенных внешних условиях (давлении, темпе­ратуре), называют системой.

Например, одно­родная жидкость (расплавленный металл) яв­ляется однофазной системой, при кристаллиза­ции чистого металла система состоит из двух фаз: жидкой (расплавленный металл) и твердой (зерна закристаллизовавшегося металла). Другой пример: механическая смесь двух видов кри­сталлов образует двухфазную систему, так как каждый кристалл отличен от другого по составу или строению и отделен один от другого поверх­ностью раздела.

Сплав называют однородным (гомогенным), если его структура однофазна, и разнородным (гетерогенным), если его структу­ра состоит из нескольких фаз. Под структу­рой сплава понимают видимое в микроскоп взаимное расположение фаз, их форму и размеры.

Компоненты в сплавах могут составлять (рис. 1.13) жидкие и твердые растворы, химичес­кие соединения и механические смеси.

Однородные жидкие растворы (рис. 1.13,а) характерны почти для всех метал­лов, растворяющихся друг в друге в жидком со­стоянии в любых соотношениях. В однородном жидком растворе атомы 1 (первого) растворимого метал­ла (компонента) А равномерно распределены среди атомов 2 (второго) металла В - растворителя. Лишь немногие металлы растворяются в жидком со­стоянии ограниченно. И только очень немногие металлы из-за большой разницы в размерах сво­их атомов не растворяются друг в друге в жидком состоянии. В процессе кристаллизации и затвердевания сплавов взаимодействие компо­нентов может быть различным.

Рис. 1.13. Структура и строение элементарной ячейки различных сплавов из двух металлов А и В:1 - атомы металла А;

2 - атомы металла В; 3 - твердый раствор заме­щения;

4 - твердый раствор внедрения

Твердые растворы образуются в результате перехода в твердое состояние однородных жидких растворов. В твердом растворе одно из веществ, входящих в состав сплава, сохраняет присущую ему кристаллическую решетку, а дру­гое в виде отдельных атомов распределяется в кристаллической решетке первого вещества. Следовательно, твердый раствор является однофазным, состоит из одного вида кристаллов, имеет одну кристаллическую решетку, таким образом, вердый раствор существует не при олределенном соотношении компонетов, а в интервале концентраций.

Строение твердых растворов на основе одного из компонентов сплава таково, что в решетку основного металла – растворителя входит атомы растворенного вещества.

Твердые растворы бывают двух типов: твердые растворы замещения и твердые растворы внед­рения.

В твердых растворах замещения часть атомов в кристаллической решетке одного из компонен­тов замещена атомами другого (рис. 1.13,б). Твер­дые растворы замещения образуются, например, в сплавах железа с хромом, никелем и с другими элементами. Твердые растворы замещения назы­вают неупорядоченными твердыми растворами, поскольку атомы растворимого элемента могут замещать атомы растворителя в любых узлах ре­шетки.

Размеры атомов растворимого элемента всегда отличаются от размеров атомов растворителя (они больше или меньше), поэтому при образовании твердого раствора замещения кристаллическая решетка металла - растворителя немного искажается, не утрачивая при этом своего основного строения.

Неограниченная растворимость компонентов присуща системам, в которых атомные радиусы элементов различаются не более чем на 8-15 %. Кроме того, они должны быть изоморфными (иметь близкие по тиру и по параметрам кристаллические решетки). Например, системы Fe-Cr, Cu-Ni, Co-Ni, Ti-V и др.

В твердых растворах внедрения атомы раство­ренного компонента внедряются в межатомное пространство кристаллической решетки другого компонента - растворителя (рис. 1.13,в), (рис. 1.14)

Рис. 1.14. Искажения кристаллической решетки растворителя при образовании твердого раствора внедрения (а, атом В) и замещения (б, атом D) и расположения атомов внедрения и замещения в области дислокации (а, г)

Так как и электронное строение, и размеры атомов растворителя и растворенного компонента различны, то при образовании твердого раствора кристаллическая решетка всегда искажается (рис. 1.14, а, б) и периоды ее изменяются. При образовании твердого раствора замещения период решетки может увеличиться или уменьшиться в зависимости от соотношения атомных радиусов растворителя и растворенного компоента. В случае твердого раствора внедрения период решетки растворителя всего возрастает.

Атомы растворенного компоненте нередко скапливается у дислокаций (рис. 1.14, в, г) снижая их упругую энергию. В растворах замещения атомы меньшего размера (по сравнению с атомами металла растворителя) скапливается в сжатой зоне решетки, атомы больших размеров – в растянутой зоне решетки. При образовании твердого раствора внедрения атомы растворенного элемента располагаются в растянутой области под краем экстраплоскости (рис. 1.14, г). В области дислокаций чужеродные атомы легче размещаются, чем в совершенной области решетки, где такие атомы вызывают значительные искажения решетки.

Твердые растворы замещения с неограниченной растворимостью могут образоваться при соблюдении условий:

1. Компоненты должны обладать одинаковыми по типу (изоморфными) кристаллическими решетками. Только в этом случае при изменении концентрации твердого раствора будет возможен непрерывный переход от кристаллической решетки одного компонента к решетке другого компонента.

2. Различие в атомных размерах ∆R компонентов должно быть незначительным и не превышать 8 – 15 %.

3. Компоненты должны принадлежать к одной и той же группе периодической системы элементов или к смежным родственным группам и в связи с этим иметь близкое строение валентной оболочки электронов в атомах.

Твер­дые растворы внедрения образуются, например, в сплавах железа с водородом, азотом, бором. Но и у этих элементов размер атомов несколько превышает размер межатомных промежутков в кристаллической решетке металлов, поэтому при образовании твердых растворов внедрения решетка искажается, и в ней возникают напряжения. При этом концентрация твердого растворов внедрения не может быть высокой: она редко превышает 1-2 %.

Изменение параметров решетки при образовании твердых растворов – весьма важный момент, определяющий изменение свойств. В общем независимо от вида металла относительное упрочнение при образовании твердого раствора пропорционально относительному изменению параметров решетки, причем уменьшение параметра решетки ведет к большему упрочнению, чем ее расширение.

На рис. 1.15 показано, как изменяется параметр решетки твердых растворов (алюминия, меди, железа).

Если рассмотреть, как влияют растворенные в железе элементы на прочность (которое следует ожидать в соответствии с изменением параметра решетки, рис. 1.15, в), то никель, хром и марганец упрочняют железо слабо (возможное изменение струк­туры при этом не рассматривается), а вольфрам, молибден и кремний сильно, при­чем кремний, сжимающий решетку, упрочняет сильнее вольфрама и молибдена, расширяющих решетку железа.

Рис. 1.15. Параметр твердых растворов замещения, образующихся при растворении различных элементов в алюминии (а), меди (б) и железе (в)

При образовании твердых растворов внедрения периоды решетки увеличиваются, так как размеры атомов (вернее, ионов) растворен­ного элемента больше размеров тех межатомных промежутков, в ко­торых они располагаются, так что атомы решетки растворителя не­сколько раздвигаются.

Твердые растворы замещения могут быть ограниченные и неограниченные. При неограниченной растворимости любое количество атомов А может быть заменено атомами В. Следовательно, если увеличивается концентрация атомов В, то все больше и больше атомов В будет находиться в узлах решетки вместо атомов А до тех пор, пока все атомы А не будут заменены атомами В и, таким образом, как бы плавно совершится переход от металла А к металлу В (рис. 1.16).

Это, конечно, возможно при условии, если оба металла имеют одинаковую кристаллическую структуру, т. е. оба компонента являются изоморфными.

Рис. 1.16. Кристаллические решетки твердых растворов замещения при неограниченной растворимости компонентов

Если у двух металлов с одинаковыми кристаллическими решетками сильно различаются атомные радиусы, то образование твердые растворов между этими металлами сильно искажает кристаллическую решетку, что приводит к накоплению в решетке упругой энергии. Когда это искажение достигает определенной величины, кристаллическая решетка становится неустойчивой и наступает предел растворимости.

Итак, вторым условием образования неограниченных твердых: растворов является достаточно малое различие атомных размеров компонентов.

Наконец, замечено, что неограниченная растворимость наблюдается преимущественно у элементов, близко расположенных друг от друга в периодической таблице Д. И. Менделеева, т. е. близких друг к другу по строению валентной оболочки атомов, по физической природе.

Если сплавляемые металлы принадлежат к далеко расположен­ным друг от друга группам Периодической системы и поэтому имеют различную физическую природу, то они часто бывают склонны к образованию химических соединений, а не твердых растворов.

Если два металла не отвечают перечисленным выше условиям, то они могут ограниченно растворяться друг в друге. Замечено, что растворимость тем меньше, чем больше различие в размерах атомов и в свойствах компонентов, образующих раствор. Ограниченная рас­творимость в большинстве случаев уменьшается с понижением тем­пературы.

Химические соединения (рис. 1.13, в) образуются при сплавлении различных металлов или металла с неметаллом. Это чаще всего, происходит между элементами, расположенными вдали друг от друга в таблице Менделеева Д.И., т.е. существенно различаются по своему строению и свойствам, если сила взаимодействия между разнородными атомами больше, чем сила взаимодействия между атомами однородными.

Химические соединения имеют ряд особенностей, отличающих их от твердых растворов:

а) соотношение чисел атомов элементов, образующих соединение, строго определенное, соотношение стехиометрической пропорции, выраженной формулой вида A_nB_m;

б) они имеют свою кристаллическую решетку, отличную от решеток элементов, образовавших это соединение, с правильным упорядоченным расположением атомов компонентов в кристаллической решетке;

в) свойства соединения заметно отличается от свойств исходных элементов;

г) как и чистые металлы, они имеют постоянную температуру плавления (диссоциации) и, как правило, обладают большой твердостью и значительной хрупкостью;

д ) имеет свою определенную температуру плавления, скачкообразно изменяющуюся при изменении состава.

Если химическое соединение образуется только металлическими соединениями, то в узлах решеток располагаются положительно заряженные ионы, удерживаемые электронным газом (металлическая связь).

Так, в кристаллической решетке NaCl , приведенной на рис. 1.17, а и б, ионы натрия образуют решетку куба с центрированными гранями. Такую же решетку образуют и тоны хлора, но она сдвинута на половину периода против решетки из ионов натрия.

Естествнно, что при этом выдерживается стехиометрическое ссотношение NaCl: Cl = 1 : 1. Таким образом, даже в кристаллической решетке химического соединения нет молекул.

Стехиометрия соединения определяется упорядоченным расположением атомов. Если атом А окружен таким же числом атомов В, как число атомов А, окружающих атом В, то стехиоиетрическое соотношенте выражается как АВ (пример NaCl).

Рис. 1.17. Кристаллические решетки:

а, б – соединение NaCl; г – соединение Cu₂ MnSn

Механическая смесь (рис. 1.13, г) двух компонентов А и В образуется тогда, когда при кристаллизации компоненты сплава не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образова­нием соединения. Механическая смесь может со­стоять из зерен двух насыщенных твердых раст­воров или из зерен твердого раствора и химического соединения. В этом случае сплав состоит из кристаллов А и В, которые, если они достаточ­но крупны, отчетливо выявляются на микро­структуре. Рентгенограмма сплава отчетливо по­казывает наличие двух peшеток компонентов А и В. Если исследовать в таком сплаве лтдельно свойства кристаллов А и кристаллов В, то они одинаковыми со свойствами чистых металлов А и В.

Механичесие свойства зависят от количественного соотношения компонентов, а от размера и формы зерен, значения их промежуточные между характеристиками свойств чистых компонентов.

Температуры, при которых изменяется строе­ние металлов и сплавов, называют критиче­скими точками. При плавлении и затверде­вании чистые металлы имеют одну критическую точку, а сплавы - две. В интервале между эти­ми двумя точками в сплавах существуют две фа­зы - жидкий сплав и кристаллы.

Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения соответствующих фаз в металлах и сплавах.

Структурными составляющими сплава называют обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями.

Различают макроструктуру, рис. 1.18 (строение металла или сплава, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении в 30 – 40 раз) и микоструктуру (строение металла или сплава, наблюдаемое с помощью микроскопа при больших увеличениях).

Макроструктуру исследуют на специальных макрошлифах.

Для приготовления макрошлифа образцы вырезают из крупных заготовок (слитков, поковок и т. д.) или изделий, поверхность которых шлифуют, полируют, а затем подвергают травлению специальными реактивами.

Рис. 1.18 Макроструктура излома слитка цинка (а), слитка меди (б) и деформированной стали (в)

При исследовании макрошлифа можно обнаружить форму и расположение зерен в литом металле (рис. 1.18, а, б); волокна (деформированные кристаллиты) в поковках и штамповых заготов­ках (рис. 18, в), дефекты, нарушающие сплошность металла (уса­дочную рыхлость, газовые пузыри, раковины, трещины и т. д.); химическую неоднородность сплава, вызванную процессом кристаллизации или созданную термической или химико-термичес­кой (цементация, азотирование и т. д.) обработкой.

Микроструктура показывает (рис. 1.19, а, б) размер и форму зерен, взаимное расположение фаз, их форму и размеры.

Рис. 1.19. Микроструктура железа (а) и стали с 0,8 % С (б, в):

а – Х 250; б - Х 300; в — электронная микрофотография, Х 5000

Для определения микроструктуры из исследуемого металла изготовляют микрошлиф, т. е. небольшой образец, одну из плос­костей которого тщательно шлифуют, полируют и подвергают травлению специальными реактивами.

Микроструктуру металлов наблюдают в микроскопе - опти­ческом (металлографическом) или электронном.

Разрешающая способность оптического микроскопа, т. е. ми­нимальная величина объекта (детали структуры), которая раз­личима с его помощью, не превышает 0,2 мкм (200 нм). Полезное увеличение в оптическом микроскопе достигает примерно 2000 раз.

Разрешающая способность электронных микроскопов значи­тельно выше оптических. Использование электронных лучей, дает возможность различать детали изучаемого объекта размером до 0,2 - 0,5 нм.

Для изучения атомно-кристаллического строения применяют рентгеноструктурный анализ, а также рентгеноспектральный микроанализ (РСМА).

Рентгеноспектральный анализ применяют для изучения атомной структуры металлов, типы и параметры кристаллических решеток, распределения примесей и специально введенных элементов (легирующих) в сплавы, а также дефекты, лежащие в глубтне. Метод РСМА определяет химический состав микрообластей на металлографическом шлифе.

Для изучения металлов и сплавов используют также физические методы исследования (тепловые, объемные, электрические, магнитные). В основу этих исследований положены взаимосвязи между изменениями физических свойств и процессами, происходящими в металлах и сплавах при их обработке или в результате тех или иных воздействий (термических, механичеких и др.).

Наиболее часто применяют дифференциальный термический анализ (построение кривых охлаждения в координатах температура – время) и дилатометрический метод, основанный на изменении объема при фазовых превращениях.

Для ферромагнитных материалов применяют магнитный анализ.

Магнитным методом исследуют дефекты в маг­нитных металлах (сталь, никель и др.) на глуби­не до 2 мм (трещины различного происхождения, неметаллические включения и т. д.). Для этого испытуемое изделие намагничивают, покрывают его поверхность порошком железа, осматривают поверхность и размагничивают изделие. Вокруг дефекта образуется неоднородное поле, вслед­ствие чего магнитный порошок повторяет очер­тания дефекта. Другой метод — магнитный ин­дукционный — часто используют для оценки полноты структурных превращений в сплавах (изделиях) после их термической обработки.

Ультразвуковым методом осуществляется эффективный контроль качества метал­ла изделий и заготовок практически любых раз­меров. В импульсных ультразвуковых дефектоскопах ультразвуковая волна от щупа — излуча­теля распространяется в контролируемом изде­лии и при встрече с каким-либо дефектом отра­жается от него. При этом отраженные волны принимаются, усиливаются и передаются на по­казывающий индикатор. Ультразвук используют для контроля качества роторов, рельсов, поко­вок, проката и других изделий при необходимос­ти сохранения целостности изделий.