Физические и технологические свойства сплавов в зависимости от их фазового состава

Зависимость физических и технологических свойств сплавов от их фазового состава определяется так называемыми правилами Курнакова, которые говорят, что изменение свойств сплавов находится в тесной связи с характером взаимоотношений компонентов сплава.

Эти правила, в основном сводятся к следующему.

Физические свойства твердых растворов изменяются по главным кривым, часто имеющим максимум или минимум (рисунок 3.22).

Рисунок 3.22. Зависимость физических и технологических свойств сплавов: а - типа твердых растворов; б - смесей твердых растворов

Твердость и прочность твердого раствора всегда больше средней арифметической этих свойств для чистых металлов. Повышение твердости и прочности в твердых растворах, по сравнению с чистыми металлами сочетается с сохранением достаточно высоких значений пластичности.

Электросопротивление твердых растворов при комнатной температуре много больше, чем у чистых металлов. Температурный коэффициент электросопротивления изменяются по кривой с минимумом таким образом, что сплавы обладающие максимальным удельным электросопротивлением, меньше всего изменяют его величину с изменением температуры.

Высокая пластичность твердых растворов определяет хорошую обрабатываемость давлением. Однако обрабатываемость резанием однородных твердых растворов очень низка, что объясняется также их повышенной вязкостью.

С увеличением расстояния (по горизонтали) между ликвидусом и солидусом усиливается дендритная ликвация сплавов и уменьшается жидкотекучесть сплавов.

Физические свойства смесей при низких температурах изменяются по кривым, близким к прямым и поэтому, как правило, являются средними между свойствами отдельных фаз смеси.

Дисперсные смеси могут резко отличаться по свойствам от грубых смесей и обычно обладают повышенной твердостью и пределом прочности. Свойства смесей, способных при температурах испытания взаимодействовать друг с другом, изменяются по кривым, резко отличающимися от прямых.

Графики изменения свойств смеси определяются прямыми линиями, соединяющими значения этих свойств для чистых компонентов или твердых растворов, образованных на их основе. В случае системы сплавов с ограниченной растворимостью кривые для свойств будут комбинироваться из криволинейных участков в области твердых растворов, и участков, близких к прямолинейным – в области смеси двух фаз (рисунок 3.22, б). Такой вид кривых характерен как для твердости, так и удельного электросопротивления, а также температурного коэффициента.

В случае если взаимная растворимость фаз с изменением температуры резко изменяется, испытания смеси при высоких температурах показывают несколько повышенные значения пластичности и пониженные по твердости. Это объясняется тем, что в процессе испытания происходят диффузионные процессы, связанные с изменением растворимости; эти процессы, кроме того, обеспечивают условия диффузионного перемещения вещества, необходимого для пластического течения металла и залечивания возникающих микроочагов разрушения. Это приводит к дополнительному пластическому течению металла, определяющему повышение его пластичности и уменьшение твердости. Отклонения от прямолинейной зависимости свойств в связи с протеканием данного процесса может достигать значительных величин, причем пластичность смеси может оказаться выше пластичности чистых компонентов.

Технологические свойства смесей имеют ряд особенностей. Обрабатываемость давлением смесей гораздо хуже, чем у однофазных твердых растворов. При обработке давлением смесей часто возникает явление красноломкости – склонность к образованию трещин при горячей пластичной деформации в результате образования легкоплавких эвтектик, или «хладноломкость», т.е. большая склонность к растрескиванию при холодной пластической деформации в связи с возможностью наличия в составе смеси хрупкой фазы.

Обрабатываемость резанием смесей, в основном, выше, чем однородных твердых растворов. Однако если в состав смеси входит твердая составляющая, изнашивающая резец, то обрабатываемость может сильно понизиться.

Жидкотекучесть эвтектических смесей, кристаллизующихся при постоянной температуре очень велика. Практически она равна жидкотекучести жидких металлов. Чем ближе состав сплава к эвтектическому, тем выше жидкотекучесть.

На кривых физических свойств химических соединений, в точках, соответствующих составу химического соединения, получаются резкие переломы. Обычно химические соединения обладают по сравнению с компонентами повышенной твердостью и пониженной пластичностью (рисунок 3.23).

Рисунок 3.23. Изменение физических и механических свойств сплавов в системах с химическими соединениями переменного состава: а - дальтонидами; б - бертоллидами

Исследование кривых состав – свойство в системах, содержащих химическое соединение, показывает, что эти кривые оказываются составленными из двух отдельных ветвей, соответствующих двум относительно самостоятельным диаграммам, разделенным линиями химического соединения.

По сравнению с чистыми металлами, твердость и электрическое сопротивление химических соединений в десять и более раз выше. Пластичность химических соединений, наоборот – минимальная.

Если химические соединения могут образовывать твердые растворы, то свойства этих химических соединений (промежуточных фаз) будут изменяться в зависимости от количества растворенного компонента. При этом существуют два типа кривых. В первом случае (аналогично рассмотренному) фазы постоянного или переменного состава характеризуются наличием на кривых состав – свойство особых или «сингулярных» точек, в другом случае изменение свойств фаз переменного состава происходит по плавным кривым.

В первом случае такие фазы называются дальтонидами. Для дальтонидов характерно, что ветви кривых, образующих максимум на диаграммах состояния (ликвидус или солидус, или и те и другие) пересекаются в сингулярной точке С. Сингулярной точке на диаграмме состояния соответствует сингулярная точка на кривых состав – свойства.

Если ветви кривых ликвидуса и солидуса, ограничивающие область промежуточной фазы переменного состава не пересекаются и не образуют сингулярные точки, то на кривых состав – свойство сингулярные точки также отсутствуют. Такие фазы называются бертоллидами. В отличие от дальтонидов бертоллиды имеют кристаллическую решетку с частично упорядоченным расположением растворенных атомов.