ОСНОВЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ

Металлические сплавы

Применение чистых металлов в промышленности край­не ограничено. Их использование не всегда экономиче­ски выгодно, часто они не отвечают требуемым свой­ствам. В металлах не всегда сочетаются одновременно не­сколько необходимых свойств. Их прочность невысока, электрические свойства зависят от изменения темпера­туры, они имеют высокий коэффициент теплового рас­ширения и т.д. Сплавы в отличие от чистых металлов можно получить почти с любыми заданными свойствами.

Основные понятия. Правило фаз.

Сплавом называется макроскопически однородная система, состоящая из двух и более химических элемен­тов.

Сплавом называет­ся материал, полученный сплавлением двух или более веществ.

Вещества, которые образуют сплав, называются компонентами.

Компонент, количественно преобладающий в сплаве, называется ос­новным. Сплавы часто называют по основному компо­ненту: медные, алюминиевые, магниевые и т. д. По числу компонентов различают двухкомпонентные (двойные), трехкомпонентные (тройные), четырехкомпонентные и многокомпонентные сплавы.

Мы будем рассматривать строение и свойства двухкомпонентных сплавов, так как они является основой для изучения сплавов, состоящих из большего числа компонентов. Кроме того, основу боль­шинства многокомпонентных сплавов чаще всего состав­ляет двухкомпонентный сплав.

Компонентами сплава могут быть металлы (железо, медь, алюминий, никель и т. д.) и неметаллические эле­менты (углерод). Компонентом могут быть и химиче­ские соединения, если в рассматриваемых интервалах температур они не диссоциируют на свои составные части. Количество компонентов, составляющих систе­му (сплав), может быть различным.

Чистый металл — это однокомпонентная система; сплав двух металлов — двухкомпонентная, и т. д.

Выбор базового компонента сплава определяется тех­ническим заданием на его свойства. В зависимости от базового компонента все сплавы делятся на:

• черные, основу которых составляет железо (стали, чугуны) — и

• цветные, основу которых составляет любой ме­талл, кроме железа (алюминиевые, медные, нике­левые, титановые и др.).

Выбор других компонентов сплава производится на основе оценки взаимодействия элементов периодичес­кой системы с базовым компонентом и между собой. Их взаимодействие учитывается и в жидком, и в твердом состояниях, так как сплавление проводится при темпе­ратурах, превышающих температуру плавления базового компонента, а затем сплав, охлаждаясь, кристаллизует­ся и остывает до температуры окружающей среды. При этом изменяется не только агрегатное состояние систе­мы, но и ее фазовый состав в зависимости от темпера­туры и скорости охлаждения.

Металлический сплав получают сплавлением металлов или преимущественно металлов с неметаллами. При этом металлический сплав обладает комплексом характерных металлических свойств.

Фазой называют однородную часть сплава, характеризу­ющуюся определенным составом и строением и отделенную от других частей сплава поверхностью раздела при перехо­де через которую состав или строение вещества изменяет­ся скачкообразно.

Фазы металлических сплавов

В сплавах компоненты могут вступать во взаимодей­ствие с образованием различных фаз.

Различают следу­ющие фазы металлических сплавов:

• жидкие растворы;

• твердые растворы;

• химические соединения.

Раствором называется твердая или жидкая гомоген­ная (однородная) система, состоящая из двух или более компонентов, относительные количества которых могут изменяться в широких пределах.

Жидкие растворы. Большинство металлов растворя­ются друг в друге в жидком состоянии неограниченно (в любых соотношениях). При этом образуется однород­ный жидкий раствор, в котором атомы растворимого металла равномерно распределены среди атомов метал­ла-растворителя.

Твердые растворы. В твердом растворе металл-раство­ритель сохраняет свою кристаллическую решетку, а ра­створимый элемент (металл или неметалл) распределя­ется в ней в виде отдельных атомов. Твердые растворы бывают двух типов:

• твердые растворы замещения — и

В твердых растворах замещения (рис. 5, а) часть ато­мов кристаллической решетки металла-растворителя замещена атомами другого компонента. Атомы раство­ренного компонента могут замещать атомы растворите­ля в любых узлах решетки. Поэтому твердые растворы замещения называют неупорядоченными твердыми ра­створами.

В твердых растворах внедрения (рис. 5, б) атомы рас­творенного компонента внедряются в межатомное про­странство кристаллической решетки компонента-рас­творителя. При этом атомы располагаются в таких пустотах, где для них имеется больше свободного про­странства.

Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу.

При образовании твердого раствора кристаллическая решетка всегда искажается, так как атомы растворите­ля и растворенного компонента различны.

Строение сплавов.

По строению в твердом состоянии все сплавы подразделяются на три основных типа:

• механические смеси,

• химические соеди­нения

• твердые растворы.

Механическая смесь двух компонентов А и В образу­ется, если они не способны к взаимодействию или взаимному растворению. Каждый компонент при этом кристал­лизуется в свою кристаллическую решетку. Структура таких механических смесей неоднородна, состоит из от­дельных зерен компонента А и компонента В. Свойства механических смесей зависят от количественного соотно­шения компонентов: чем больше в сплаве данного компо­нента, тем ближе к его свойствам свойства смеси. Обычно механические смеси образуют металлы, заметно отлича­ющиеся друг от друга по атомному объему и по темпера­туре плавления. Механические смеси не обязательно со­стоят из чистых компонентов. Образовывать механичес­кие смеси могут также твердые растворы и химические соединения.

Химическое соединение образуется, когда компоненты сплава А и В вступают в химическое взаимодействие. При этом соотношение чисел атомов в соединении соответ­ствует его химической формуле А _т В_п. Химическое соеди­нение имеет свою кристаллическую решетку, которая отличается от кристаллических решеток компонентов. Химические соединения имеют однородную структуру, состоящую из одинаковых по составу и свойствам зерен.

Свойства химического соединения резко отличаются от свойств образующих его компонентов. Обычно они явля­ются очень твердыми и хрупкими веществами. Часто химические соединения рассматривают как самостоя­тельные компоненты, образующие сплавы с исходными компонентами, составляющими соединение.

Химические соединения и родственные им фазы постоянного состава в металли­ческих сплавах многообразны.

Они имеют характерные особенности, отличающие их от твердых растворов:

• их кристаллическая решетка отличается от крис­таллических решеток компонентов, образующих соединение;

• соотношение элементов в них кратно целым чис­лам;

• их свойства отличны от свойств образующих эле­ментов;

• они плавятся при постоянной температуре;

• их образование сопровождается значительным тепловым эффектом.

Под структурой понимают форму, раз­мер и характер взаимного расположения фаз в сплавах.

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

Структурными составля­ющими могут быть как фазы, так и смеси фаз.

Закономерности существования фаз в сплаве в усло­виях равновесия определяются правилом фаз (законом Гиббса).

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз.

Числом степеней свободы (вариантностью) сплава называют число внешних и внутренних факторов (тем­пература, давление и концентрация), которое можно из­менять без изменения числа фаз в сплаве.

Когда число степеней свободы равно нулю, нельзя изменять внутрен­ние и внешние факторы без изменения числа фаз. Такое состояние называют нонвариантным.

Если число степе­ней свободы равно единице, то один из внутренних и внешних факторов может изменятся в определенных пре­делах и это не вызовет изменения числа фаз. Такое состо­яние называется моновариантным.

Правило фаз выражается следующим уравнением:

С = К + В - Ф,

где С — число степеней свободы; К — число компонен­тов; В — число внешних переменных факторов (температу­ра, давление); Ф — число фаз.

Если учесть, что все превращения в металлических сплавах происходят при постоянном давлении, то число внешних переменных факторов В=1 (температура) и пра­вило фаз принимает вид:

С = К+1-Ф.

Пользуясь правилом фаз, рассмотрим охлаждение чи­стого металла. В этом случае число компонентов К=1.

Если металл находится в жидком состоянии, число фаз Ф=1. Тогда число степеней свободы С=1+1-1=1 (моно­вариантное состояние).

Температуру можно изменять, не изменяя числа фаз.

В процессе кристаллизации одновре­менно существуют две фазы — жидкая и твердая, Ф-2.

Тогда число степеней свободы С-1+1-2=0 (нонвариантное состояние).

Температура не может изменяться, пока не пропадет одна из фаз.

Как только крис­таллизация завершится, остается одна твердая фаза, Ф=1, число степеней свободы С=1+1-1=1 и температура вновь может изменяться.

Для двухкомпонентного сплава К=2 правило фаз при­нимает вид

С=2+1-Ф=3-Ф.

Отсюда следует, что в двой­ных сплавах число одновременно существующих фаз не может быть больше трех, так как число степеней свобо­ды не может быть отрицательным.

Диаграммы состояния сплавов

Для определения количества фаз в сплаве, их соста­ва пользуются диаграммами фазового равновесия — диаграммами состояния.

Диаграмма состояния — графи­ческое изображение фазового состава сплава в состоя­нии равновесия или близком к нему в зависимости от содержания компонентов в сплаве и от температуры.

Она строится экспериментально по кривым охлаж­дения сплавов.

В отличие от чистых металлов сплавы кристаллизуются не при постоянной температу­ре, а в интервале температур. Поэтому на кривых охлаж­дения сплавов имеется две критические точки. Критичес­кими точками называются температуры начала и конца фазовых превращений.

Рис. 2.1. Кривые охлаждения сплавов:

а — механической смеси, б — твердого раствора

Диаграмму состояния строят в координатах темпера­тура — концентрация. Линии диаграммы разграничива­ют области одинаковых фазовых состояний.

Вид диаг­раммы зависит от того, как взаимодействуют между со­бой компоненты.

Для построения диаграммы состояния используют большое количество кривых охлаждения для сплавов различных концентраций. При построении ди­аграммы критические точки переносятся с кривых охлаж­дения на диаграмму и соединяются линией.

В получив­шихся на диаграмме областях записывают фазы или струк­турные составляющие.

Линия диаграммы состояния на которой при охлаждении начинается кристаллизация сплава, называется линией ликвидус, а линия, на которой кристаллизация завершается, — линией солидус.

Диаграмма состояния сплавив, образующих механи­ческие смеси (диаграмма состояния I рода).

Компонен­ты таких сплавов в жидком состоянии неограниченно растворимы друг в друге, а в твердом — нерастворимы и не образуют химических соединений. Поэтому в этом сплаве возможно образование трех фаз: жидкого сплава и кристаллов компонентов.

Механические смеси образу­ют сплавы свинца и сурьмы, свинца и олова, цинка и оло­ва, алюминия и кремния и др.

Рассмотрим построение диаграммы на примере сплава свинца с сурьмой. Внача­ле строятся кривые охлаждения чистых свинца и сурьмы.

Температуры их кристаллизации соответству­ют горизонтальным площадкам на кривых / и 6 (для свинца 327 °С и для сурьмы 631 °С). Далее рассматрива­ются несколько сплавов с соответствующим содержани­ем свинца РЬ и сурьмы SЬ, %,

например: РЬ 95, SЬ 5; РЬ 90, SЬ 10; РЬ 87, SЬ 13; РЬ 60, SЬ 40. Строятся кривые их ох­лаждения (кривые 2-5 соответственно).

Рис.2.2. Диаграмма состояния сплавов РЬ - SЬ

Кристаллизация первого сплава (5 % SЬ) происходит следующим образом:

приблизительно до 300 °С он оста­ется жидким,

а начиная с 300 "С скорость охлаждения замедляется, при этом начинается кристаллизация свин­ца;

оставшаяся часть жидкого сплава обедняется свин­цом, следовательно, обогащается сурьмой.

Когда содер­жание сурьмы составит 13 % , произойдет кристаллиза­ция эвтектики при температуре 246 °С ( горизонтальный участок кривой 2). Эвтектикой называют равномерную мелкодисперсную механическую смесь двух фаз, которые одновременно кристаллизуются из жидкого сплава.

В данном случае эвтектика состоит из кристаллов свинца и сурьмы. Эвтектика имеет определенный химический состав (в данном случае 13 % 5Ь и 87 % РЬ) и образуется при постоянной температуре (в данном случае 246 °С).

Следующий сплав (10 % 5Ь) кристаллизуется анало­гично первому, но температура начала кристаллизации у него ниже, а температура конца кристаллизации та же — 246 °С, когда содержание сурьмы в жидком сплаве соста­вит 13 % (кривая 3). Третий сплав (кривая 4), содержа­щий 13 % SЬ и 87 % РЬ, остается жидким до 246 °С, а за­тем кристаллизация происходит при этой температуре с образованием эвтектики. Этот сплав кристаллизуется при постоянной температуре, самой низкой для данной си­стемы, состоит только из эвтектики и называется эвте­ктическим. Кристаллизация четвертого сплава (40 % ЗЬ) начинается при температуре около 400 °С с выделением избыточных кристаллов сурьмы. Жидкий сплав обедня­ется сурьмой и при содержании в нем 13 % сурьмы и тем­пературе 246 °С происходит образование эвтектики и кристаллизация завершается.

Критические точки, полученные на кривых охлажде­ния, переносятся на диаграмму состояния и соединяют­ся. Получаются линии АЕВ и МЕN. Линия ЛЕВ диаграм­мы является линией ликвидус: все сплавы, лежащие выше этой линии, находятся в жидком состоянии. Линия МЕN является линией солидус, ниже нее все сплавы свинец – сурьма находятся в твердом состоянии. В интервале меж­ду ликвидусом и солидусом сплав состоит из двух фаз — жидкого раствора и кристаллов одного из компонентов. Сплавы, содержащие менее 13 % ЗЪ, лежащие слева от эвтектического сплава, называют доэвтектическими, а бо­лее 13 % 5Ь, — заэвтектическими. Структура и свойства*•-

их резко отличаются. В доэвтектических сплавах наряду с эвтектикой находятся избыточные кристаллы свинца (рис. 2.3, а), а в заэвтектических — кристаллы сурьмы (рис. 2.3, в). Различие структур определяет различие свойств сплавов.

Рис 2.3. Структуры сплавов РЪ-5Ъ:

а — доэвтектического, б — эвтектического,

в — заэвтектического

Чтобы определить состояние сплава любого соста­ва при данной температуре и для нахождения его кри­тических точек с помощью диаграммы, нужно из точ­ки, указывающей содержание концентрации данного сплава, провести вертикальную линию до пересечения с линиями ликвидус и солидус (см. рис. 2.2). Точки пе­ресечения показывают начало и конец кристаллизации заданного сплава. Например, требуется определить со­стояние сплава, содержащего 50 % сурьмы при темпе­ратуре 400 °С. Точка пересечения вертикали с линия­ми ликвидус и солидус показывают, что данный сплав будет иметь две фазы — жидкий сплав и кристаллы сурьмы, так как точка соответствующая 400 "С лежит в области диаграммы ВЕЫ.

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной ра­створимостью компонентов в твердом состоянии (ди­аграмма состояния II рода). Эти диаграммы соответ-

ствуют сплавам, у которых компоненты и в жидком, и в твердом состоянии образуют раствор. Для таких спла­вов возможно образование двух фаз: жидкого сплава и твердого раствора. К таким сплавам относят медь - ни­кель, железо - никель, железо - хром, кобальт - хром и др. Диаграммы их состояния строят так же, как диаграм­мы 1-го рода, на основании анализа кривых охлаждении сплавов с различным содержанием составляющих их компонентов. Рассмотрим диаграмму состояния спла­вов медь - никель (рис. 2.4). Кривая 1 является кривой охлаждения чистой меди с температурой кристаллизации 1083 °С, кривая 5 — кривая охлаждения никеля с темпе­ратурой кристаллизации 1452 °С. Кривая 2 характерна для кристаллизации сплава, содержащего 20 % никеля. Кристаллизация этого сплава начинается в точке а, при этом образуется кристаллическая решетка меди, в кото­рой имеется 20 % никеля. В точке Ь кристаллизация за­канчивается. Аналогично кристаллизуются сплавы с содержанием 40 % (кривая 3) и 80 % никеля (кривая 4), но точки начала (а_} и а₂) и конца (Ь₁ и Ь₂) кристаллиза­ции у первого сплава ниже, чем у второго. Все точки на­чала и конца кристаллизации меди, никеля и указанных выше сплавов переносятся на диаграмму (рис. 2.4, спра­ва). Соединяя эти точки, получим линии ликвидус АаВ и солидус АЬВ. Выше линии АаВ сплав меди с никелем находится в жидком стоянии, а ниже линии АЬВ — в твердом. В зоне между линиями АаВ и АЬВ имеются две фазы: жидкий сплав и кристаллы твердого раствора никеля и меди.

Диаграмма П-го рода отличается от диаграммы 1-го рода тем, что в первом случае образуется одна кристалли­ческая решетка, а значит, нет и эвтектического сплава как у сплавов, образующих механическую смесь. Кроме того, у сплавов медь — никель начало и конец кристаллизаци-

сплавов с различным содержанием компонентов проте­кают при различных температурах.

Рис.2.4. Диаграмма состояния сплавов Си - М

Правило отрезков. В процессе кристаллизации не­прерывно изменяется концентрация фаз и количество каждой фазы (количество жидкой фазы уменьшается, а твердой увеличивается). Концентрацию (состав) и количество каждой фазы можно определить в любой точке двухфазной области диаграммы состояния, ис­пользуя правило отрезков. Рассмотрим применение правила отрезков на примере изученных выше диа­грамм состояния (рис. 2.5). Правило отрезков форму­лируется следующим образом. Через заданную точку диаграммы состояния проводится горизонтальная ли­ния до пересечения с линиями, ограничивающими дан­ную область диаграммы. Проекции точек пересечения на ось концентраций показывают состав фаз. Длины отрезков горизонтальной линии между заданной точ­кой и точками, определяющими состав фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

На рис. 2.5 показано применение правила отрезков для точки т диаграммы. Через нее проведена горизонтальная линия и отмечены точки пересечения с линиями диаграм­мы 1с и п. Проекции этих точек на ось концентраций к! и п! показывают состав фаз. Так, для диаграммы состояния свинец - сурьма (рис.2.5,а) точка к! показывает состав жидкой фазы, а точка п! твердой фазы (100 % 5Ь). Для диаграммы состояния медь - никель (рис.2.5,б) точка к! показывает состав жидкой фазы, а точка п! состав твер­дого раствора.

Рис. 2.5. Пример применения правила отрезков: а — для сплавов, образующих механические смеси, б — для сплавов, образующих твердые растворы

Рассмотрим теперь определение относительного ко­личества каждой фазы. Обозначим количество жидкой фазы О_ж, а количество твердой фазы — О^. (Для при­мера на рис. 2.5,а твердой фазой является сурьма, а на рис. 2.5,6 — твердый раствор). Тогда, в соответствии с правилом отрезков, количества фаз обратно пропорцио­нальны длинам соответствующих отрезков:

Если обозначить количество всего сплава (), то ему будет соответствовать отрезок 1ш, и можно найти отно­сительные количества фаз:

Правило отрезков может быть применено для любой двухфазной области диаграммы состояния, т.е. не толь­ко для рассмотрения кристаллизации сплава, но и для изучения процессов, происходящих в твердом состоянии. В однофазных областях диаграммы состояния правило отрезков неприменимо. Любая точка внутри однофазной области характеризует концентрацию данной фазы.