Лекция №15 Основы теории сплавов

Сплавы – это сложные вещества, получаемые сплавлением или спеканием двух или нескольких простых веществ, называемых компонентами (при сплавлении компоненты доводят до плавления, а при спекании их порошки смешивают и подвергают давлению при высокой температуре).

В технике большинство сплавов получают взаимным растворением их составляющих в жидком состоянии, т. е. доводят компоненты до плавления. При этом образуется жидкий раствор – однородная смесь двух или более компонентов, которые равномерно распределены в виде отдельных атомов, ионов или молекул. Расплавленные компоненты при охлаждении и кристаллизации могут образовывать твердые металлические сплавы с различным строением: а) смеси; б) твердые растворы; в) химические соединения.

Смеси чистых металлов образуются, когда разнородные атомы компонентов не входят в общую кристаллическую решетку сплава. Каждый компонент образует самостоятельные кристаллы (зерна), сохраняя присущую ему кристаллическую решетку.

Твердые растворы образуются в результате перехода в твердое состояние однородных жидких растворов. Рассмотрим твердый раствор двух компонентов. Один из компонентов, который сохраняет свою кристаллическую решетку, является растворителем. Тогда другой компонент (растворимый) распределяется в решетке растворителя, не изменяя ее типов. Твердые растворы бывают двух типов: а) замещения; б) внедрения.

В твердых растворах замещения часть атомов в кристаллической решетке растворителя замещена атомами другого компонента. Такие растворы образуют компоненты с аналогическими типами кристаллических решеток при небольшой разнице их параметров, например, в сплавах железа с хромом, никелем и т. д.

В твердых растворах внедрения атомы растворенного компонента располагаются между атомами растворителя. Это возможно, если растворимый компонент имеет очень малый атомный диаметр и может разместиться между узлами кристаллической решетки растворителя, не вытесняя атомов растворителя из узлов решетки. Твердые растворы внедрения образуются, например, в сплавах железа с водородом, азотом, бором.

При сплавлении двух компонентов могут также образовываться химические соединения, которые имеют характерные особенности:

1) их кристаллическая решетка отличается от кристаллических решеток образующих элементов и имеют более сложное строение;

2) соотношение элементов в сплавах кратно целым числам (они имеют формулу АnВm, например, FeO, CuO и т. д.);

3) их свойства отличны от свойств образующих элементов.

У химических соединений связь между атомами, как правило, сильнее и жестче металлической, поэтому они являются очень твердыми и хрупкими. Химические соединения имеют постоянную температуру плавления.

Диаграммы состояния двойных сплавов. Диаграмма состояния (рис. 13) представляет собой зависимость между строением сплава, его составом и температурой. Диаграмма имеет несколько фаз. Фазой считается определенная часть системы, образованной компонентами сплава, которая во всех своих точках имеет одинаковые состав, строение и свойства. Жидкая фаза представляет собой раствор расплавленных компонентов. Твердые фазы являются зернами, имеющими определенную форму, размер, состав, специфику строения и свойства. Диаграмма состояния разделена линиями на области. Рассмотрим основные диаграммы состояния двойных сплавов.

Диаграмма состояния I рода охватывает сплавы, компоненты которых образуют смеси своих практически чистых зерен при ничтожной взаимной растворимости. На оси абсцисс отложена процентная доля компонента B в сплаве. Процентная доля компонента A увеличивается в противоположном направлении оси абсцисс (она не показана, но подразумевается). Компоненты A и B для этого типа диаграмм взаимно растворяются только в жидком состоянии, а в твердом – не растворяются и не образуют химических соединений. Линия диаграммы, выше которой сплавы находятся в жидком состоянии, называется линией ликвидус (от латинского «ликвидус» – жидкий, текучий). Линия диаграммы, ниже которой сплавы находятся в твердом состоянии, называется линией солидус (от латинского «солидус» – твердый). Между линиями ликвидус и солидус сплавы переходят из жидкого состояния в твердое.

а) б)

Рис.13. Диаграмма состояния I рода (а) и кривые охлаждения сплава (б)

Сплав двух компонентов, который плавится при минимальной температуре, называется эвтектическим или эвтектикой (от греческого «эвтектика» – легко плавящийся). Эвтектика представляет собой тонкую смесь компонентов A и B в виде мелких зерен. Состав сплава можно определить, спроецировав точку C на ось абсцисс. У такого состава одновременно плавятся или кристаллизуются оба компонента при температуре tэ – эвтектической температуре. Такой состав имеет самую высокую прочность. Левее точки сплавы называются доэвтектическими, а правее – заэвтектическими. При этом из каждого сплава по мере снижения температуры в твердую фазу переходит сначала тот компонент, количество которого превышает эвтектическую концентрацию. Причем он кристаллизуется в виде крупных зерен, имеющих меньшую прочность по сравнению с мелкозернистой эвтектикой.

Диаграмма состояния II рода характерна для сплавов с неограниченной растворимостью компонентов друг в друге, имеющих одинаковые типы решеток и сходное строение наружных электронных оболочек.

Имеются также диаграммы III и IV рода. Однако они очень сложны и из-за недостатка времени в данном курсе не рассматривается.

Знание диаграммы сплава позволяет создавать сплавы различного назначения, целенаправленно закладывать необходимые свойства.

Классификация углеродистых сталей

Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – основа важнейших машиностроительных материалов.

Сталь – основной металлический материал, широко применяющийся для изготовления деталей, машин, летательных аппаратов, инструментов, строительных конструкций и т. д. Стали сочетают высокую жесткость с достаточной статической и циклической прочностью. Эти параметры можно менять в широком диапазоне за счет изменения концентрации углерода, легирующих элементов и технологий термической и химической обработки. В России изготавливается приблизительно 85 % углеродистой и 15 % легированной стали.

Углеродистые стали – это стали, содержащие углерод в качестве основной добавки к железу. Свойства углеродистых сталей зависят прежде всего от содержания углерода. Однако в этих сталях содержится небольшое количество примесей. Большинство из них являются вредными, а некоторые – полезными.

Вредные примеси попадают в сталь из металлургического сырья, топлива, огнеупоров, атмосферы. К вредным примесям относятся сера, фосфор, кислород, азот, водород. Полезные примеси (марганец и кремний) специально вводят в сталь для раскисления и улучшения свойств.

Углеродистые стали классифицируются по содержанию углерода, назначению, качеству.

По содержанию углерода стали подразделяются на: а) низкоуглеродистые (менее 0,3% С); б) среднеуглеродистые (0,3 % – 0,6 % С); в) высокоуглеродистые (более 0,6 % С).

Низкоуглеродистые стали мягкие, пластичные, хорошо деформируемые в холодном и горячем состоянии. Среднеуглеродистые стали обладают хорошими прочностными свойствами при небольшой пластичности и вязкости. Высокоуглеродистые стали обладают высокой твердостью и очень низкой пластичностью и вязкостью.

По назначению стали делятся на: а) конструкционные; б) инструментальные. Конструкционные стали предназначены для изготовления деталей машин, механизмов, строительных сооружений. Инструментальные стали используются для изготовления различного рода инструментов (режущего, измерительного).

По качеству стали бывают: а) обыкновенного качества; б) качественные;

в) высококачественные. Основными показателями для разделения сталей по качеству являются нормы содержания вредных примесей (серы, фосфора). Сера и фосфор попадают в сталь во время металлургического процесса и ухудшают ее качество. Стали обыкновенного качества содержат до 0,06 % S и 0,07 % P. Качественные –

до 0,03 % S и 0,035 % P. Высококачественные – не более 0,025 % S и 0,025 % P.