6. Основы теории сплавов

Сплавы - это вещества, состоящие из нескольких элементов, взятых в произвольных соотношениях. Сплавы получаются главным образом путем сплавления различных элементов в жидком состоянии, но могут быть получены и за счет диффузии в твердом состоянии, и путем совместной конденсации паров или другими способами. Компонентами сплава называют химические элементы или химические соединения, входящие в состав сплава. В зависимости от химической природы элементов, размера их ионов и типа кристаллической решетки компоненты могут растворяться друг в друге (ограниченно или неограниченно), могут быть нерастворимыми друг в друге или образовывать новые химические соединения. Отдельные однородные части сплавов, отделенные от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав и свойства меняются скачком, называются фазами. Графическое изображение фазовых равновесий в зависимости от температуры и состава принято называть диаграммой состояния. Твердые растворы бывают трех видов: замещения, внедрения и вычитания. Твердыми растворами замещения называют фазы, в которых часть узлов кристаллической решетки заполнены атомами одного сорта, а часть узлов атомами другого сорта. Твердые растворы замещения могут быть ограниченными и неограниченными (непрерывными). Образование неограниченных твердых растворов возможно в тех случаях, когда размеры атомов близки, кристаллические решетки компонентов одинаковы (изоморфны) и строение валентных электронных оболочек подобно. В случае, когда кристаллические решетки не одинаковы или размеры атомов отличаются более чем на 6%, твердые растворы являются ограниченными. При разнице размеров атомов более чем 12% компоненты не растворяются друг в друге. Твердыми растворами внедрения называют фазы, в которых атомы растворенного компонента внедрены между растворителя. Твердые растворы внедренияатомами второго компонента всегда ограниченны. Твердыми растворами вычитания называют фазы на основе химических соединений. В кристаллических решетках таких сплавов часть узлов не занята атомами того или иного сорта, то есть часть атомов как бы вычтена из кристаллической решетки, и в вместо них в решетке остаются вакансии.

7. Конструкционные стали. Основы легирования

Конструкцио́нная сталь — сталь, которая применяется для изготовления различных деталей, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладает определёнными механическими, физическими и химическими свойствами. Конструкционные стали подразделяются на несколько подгрупп. Качество конструкционных углеродистых сталей Качество конструкционных углеродистых сталей определяется наличием в стали вредных примесей фосфора (P) и серы (S). Фосфор — придаёт стали хладноломкость (хрупкость). Сера — самая вредная примесь — придаёт стали красноломкость. Содержание вредных примесей в стали: Обыкновенного качества — P и S — до 0.05 % (маркировка Ст). Качественная — P и S — до 0.035 % (маркировка Сталь). Высококачественная — P и S — до 0.025 % (маркировка А в конце марки). Особовысококачественная — Р и S — до 0.015 % (маркировка Ш в конце марки).Стали конструкционные углеродистые обыкновенного качества Широко применяются в строительстве и машиностроении, как наиболее дешёвые, технологичные, обладающие необходимыми свойствами при изготовлении конструкций массового назначения. В основном эти стали используют в горячекатанном состоянии без дополнительной термической обработки с ферритно-перлитной структурой. В зависимости от последующего назначения конструкционные углеродистые стали обыкновенного качества подразделяют на три группы: А, Б, В. Стали группы А Поставляются с определёнными регламентированными механическими свойствами. Их химический состав не регламентируется. Эти стали применяются в конструкциях, узлы которых не подвергаются горячей обработке — ковке, горячей штамповке, термической обработке и т. д. В связи с этим механические свойства горячекатаной стали сохраняются. Стали группы Б Поставляются с определённым регламентированным химическим составом, без гарантии механических свойств. Эти стали применяются в изделиях, подвергаемых горячей обработке, технология которой зависит от их химического состава, а конечные механические свойства определяются самой обработкой. Стали группы В Поставляются с регламентируемыми механическими свойствами и химическим составом. Эти стали применяются для изготовления сварных конструкций. Их свариваемость определяется химическим составом, а механические свойства вне зоны сварки определены в состоянии поставки. Такие стали применяют для более ответственных деталей. По степени раскисления углеродистые стали обыкновенного качества подразделяются на спокойные (СП), полуспокойные (ПС), кипящие (КП). Степень раскисления определяется содержанием кремния (Si) в этой стали. Спокойные — 0.012-0.03 % (Si), полуспокойные — 0.05-0.07 % (Si), кипящие — менее 0.07 % (Si). Маркировка Основные марки конструкционных углеродистых сталей обыкновенного качества: Ст1КП2; БСт2ПС; ВСт3ГПС; Ст4-2; … ВСт6СП3. Буква перед маркой показывает группу стали. Сталь группы А — буквой не обозначается. Ст — показывает, что сталь обыкновенного качества. Первая цифра — номер по ГОСТу (от 0 до 6). Буква Г после первой цифры — повышенное содержание марганца (Mn)-(служит для повышения прокаливаемости стали). СП; ПС; КП — степень раскисления стали. Вторая цифра — номер категории стали (от 1 до 6 — основные механические свойства). Сталь 1-ой категории цифрой не обозначается. Тире между цифрами указывает, что заказчик не предъявлял требований к степени раскисления стали. Применение Ст1; Ст2 — проволока, гвозди, заклёпки. Ст3; Ст4 — крепёжные детали, фасонный прокат. Ст5; Ст6 — слабонагруженные валы, оси.

Леги́рование (нем. legieren — «сплавлять», от лат. ligare — «связывать») — добавление в состав материалов примесей для изменения (улучшения) физических и химических свойств основного материала. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, различают объёмное (металлургическое) и поверхностное (ионное, диффузное и др.) легирование. В разных отраслях применяются разные технологии легирования. В металлургии легирование производится в основном введением в расплав или шихту дополнительных химических элементов (например, в сталь — хрома, никеля, молибдена), улучшающих механические, физические и химические свойства сплава. Для изменения различных свойств (повышения твёрдости, износостойкости, коррозионной стойкости и т. д.) приповерхностного слоя металлов и сплавов применяются также и разные виды поверхностного легирования. Легирование проводится на различных этапах получения металлического материала с целями повышения качества металлургической продукции и металлических изделий. При изготовлении специальных видов стекла и керамики часто производится поверхностное легирование. В отличие от напыления и других видов покрытия, добавляемые вещества диффундируют в легируемый материал, становясь частью его структуры. При изготовлении полупроводниковых приборов под легированием понимается внесение небольших количеств примесей или структурных дефектов с целью контролируемого изменения электрических свойств полупроводника, в частности, его типа проводимости.

Цели легирования Основная цель — изменить тип проводимости и концентрацию носителей в объёме полупроводника для получения заданных свойств (проводимости, получения требуемой плавности pn-перехода). Самыми распространёнными легирующими примесями для кремния являются фосфор Р и мышьяк As (позволяют получить n-тип проводимости) и бор В (p-тип).