Тема 2. Аналіз діаграм стану сплавів

1. Типи взаємодії між компонентами сплаву.

2. Типові діаграми стану сплавів.

3. Зв’язок діаграм стану з властивостями сплавів.

1. Типи взаємодії між компонентами сплаву

Сплав – це речовина, яку отримують сплавленням двох чи більшої кількості компонентів.

Компоненти – речовини, з яких складається сплав. Компонентом може бути хімічний елемент або хімічна сполука.

Залежно від фізико-хімічної взаємодії компонентів у твердому стані можуть утворюватися наступні фази: тверді розчини і хімічні сполуки (фаза – це однорідна частина сплаву, відділена від інших частин поверхнею поділу, при переході через яку властивості змінюються стрімко).

Твердий розчин – це фаза, при утворенні якої всі компоненти взаємно розчиняються один в одному у твердому стані, і атоми одного з них певним чином розміщуються у кристалічній решітці іншого. Компонент, що є основою твердого розчину і зберігає свою кристалічну решітку, називається розчинником. Компонент, атоми якого певним чином розміщуються у кристалічній решітці розчинника, називається розчиненою речовиною.

Залежно від способу розміщення атомів розчиненої речовини у решітці розчинника розрізняють два основні види твердих розчинів: заміщення (рис. 2.1 а) і втілення (рис. 2.1 б).

Тверді розчини втілення утворюють з металами компоненти, що мають малий розмір атомів (С, N, B, H). Тверді розчини заміщення утворюють метали, у яких близькі розміри атомів.

За кількістю розчиненої речовини тверді розчини поділяються на тверді розчини обмеженої і необмеженої розчинності.

Тверді розчини з необмеженою розчинністю – це сплави, де в одному компоненті (розчиннику) може розчинитися необмежена кількість розчиненої речовини.

Ті сплави, для яких характерна обмежена розчинність речовини у розчиннику, відносяться до твердих розчинів з обмеженою розчинністю.

Тверді розчини втілення бувають тільки обмеженої розчинності, а тверді розчини заміщення можуть бути обмеженої та необмеженої розчинності.

Хімічна сполука – це фаза, при утворенні якої атоми одного компонента при певному кількісному співвідношенні вступають в хімічну взаємодію з атомами другого компонента, при цьому утворюється новий тип кристалічної решітки. Кожній хімічній сполуці притаманна певна хімічна формула.

Коли компоненти сплаву у твердому стані не взаємодіють один з одним, вони утворюють механічну суміш.

Механічна суміш – це сплав, що складається з кристалів компонентів, які не взаємодіють між собою.

Кристалічну решітку і мікроструктуру механічної суміші можна представити як показано на рис. 2.2.

2. Типові діаграми стану сплавів

Описані в п. 1 різні типи взаємодії між компонентами сплавів породжують різноманітність сплавів. Для їх систематизації використовують діаграми стану.

Діаграма стану – це графічне зображення стану сплавів (із заданих компонентів) при різних температурах.

Для побудови діаграм стану використовують метод термічного аналізу. Для цього будуються криві охолодження, по яких визначають критичні точки (рис. 2.3).

Збільшення температури вище критичних значень призводить до переходу речовини в рідинний стан і навпаки, при охолодженні рідини нижче Т_кр переводить її в кристалічний стан.

На кривих охолодження при температурах Т_кр утворюються горизонтальні ділянки, які свідчать про те, що теплота, розсіювана в процесі охолодження компенсується схованою теплотою кристалізації, яку віддають утворювані кристали решітки. Це та частина енергії, яка раніше (при нагріванні)була витрачена на руйнування решітки.

Таким чином, критичні точки – це температури переходу речовини (сплаву) з одного фазового стану до іншого.

Розглянемо типові діаграми стану, побудовані за допомогою кривих охолодження.

Найбільш поширеними для сплавів є такі типи стану:

1. Діаграма стану сплавів, компоненти яких зовсім не розчиняються в твердому стані і утворюють механічну суміш (рис. 2.4 а);

2. Діаграма стану сплавів, компоненти яких повністю розчиняються в твердому стані (рис. 2.4 б);

3. Діаграма стану сплавів, компоненти яких обмежено розчиняються в твердому стані (рис. 2.4 в);

4. Діаграма стану сплавів, компоненти яких утворюють при кристалізації хімічні сполуки (рис. 2.4 г).

На рис. 2.4 показані ці типи діаграм стану і відповідні графіки зміни механічних властивостей сплавів.

Перший тип діаграми стану (рис. 2.4 а) можна розглянути для сплаву Pb – Sb. При певній концентрації (13 % Sb) утворюється евтектика (точка С) з елементами А і В. Компонентами А і В, які складають сплав, можуть бути як чисті елементи, так і хімічні сполуки.

Всі сплави, на відміну від чистих компонентів, кристалізуються в інтервалі температур. Причому спочатку кристалізується один з компонентів. Тільки при певній концентрації елемента В відбувається сумісна кристалізація компонентів А і В і при цьому утворюється механічна суміш.

Діаграми стану другого типу (рис. 2.4 б) характерні для сплавів Cu-Ni, Co-Ni, Fe-Ni. У випадку повної розчинності компонентів в твердому стані кожний кристал будується одночасно атомами обох елементів і отримується сплав з кристалів твердого розчину. Температура кристалізації таких сплавів лежить між температурами кристалізації складових компонентів. Нахил ліній діаграми показує, що в процесі кристалізації відбувається зміна складу як рідкої, так і твердої фаз. Нижче лінії солідус розташовані кристали твердого розчину різної концентрації.

Діаграми стану сплавів третього типу (найбільш поширених) характерні для найважливіших промислових сплавів (Fe-C, Ni-Al, Fl-Cu). При кристалізації компонент В розміщується в решітці А з утворенням твердого розчину.

За діаграмами стану четвертого типу кристалізуються сплави Mg-Pb, Co-Sb, Mn-Si. В сплавах цієї системи після кристалізації при чітко визначеному співвідношенні компонентів утворюється хімічна сполука A_nB_m. Це відображується на діаграмі вертикальною лінією. Утворені хімічні сполуки відіграють роль самостійного компонента, який поділяє діаграму на ряд окремих діаграм.