Металлические сплавы и диаграммы состояния

Сплавами являются твёрдые вещества, получа­емые сплавлением двух или более простых веществ, на­зываемых компонентами. В металлическом сплаве основными компонентами являются металлы. Для металлического сплава меняя соотношение компонентов, можно получить бесчисленное множество вариантов сплава, и каждый вариант будет иметь свою структуру и свойства, температуру плавления, затвердения и т.д.

В технике большинство сплавов получают взаимным растворе­нием их составляющих в жидком состоянии, т.е. доводят компо­ненты до плавления. Однако сплавы могут быть получены в твёр­дом состоянии в процессе смешивания и спекания порошков ком­понентов под давлением при высоких температурах. Расплавленные компоненты при охлаждении и кристаллизации могут образовывать твердые металлические сплавы с различным строением: смеси, твердые растворы, химические соединения.

Наиболее часто встречающиеся сплавы – твёрдые растворы, в которых компоненты в твердом состоянии частично или полностью растворены друг в друге. Можно просто представить понятие твёрдого раствора можно, если, например, заморозить солёную воду. В этом случае лёд уже будет представлять собой твёрдый раствор соли в воде.

Растворение атомов одного из компонентов в кристаллической решётке другого компонента может идти по типу внедрения, когда атомы растворенного элемента располагаются между атомами растворителя (рисунок 1.1), и по типу замещения, когда атомы растворенного элемента замещают атомы растворителя (рисунок 1.2).

Рисунок 1 – Строение твёрдого раствора внедрения и замещения

При образовании твёрдого раствора внедрения его растворимость всегда ограниченная, что связано с ограниченными размерами межатомных промежутков в кристаллической решётке растворителя.

Чем больше концентрация твёрдого раствора, тем больше увеличены межатомные расстояния в решетке. Такие твёрдые растворы возникают при сплавлении металлов с неметаллами, имеющими малый атомный радиус – углеродом, азотом, бором, водородом. Примером твёрдых растворов внедрения, имеющих промышленное значение, являются твёрдые растворы углерода в ОЦК и ГЦК решётке железа – феррит и аустенит.

Информация о состоянии и структуре сплавов просто и сжато может быть представлена в виде диаграммы состояния – графического изображения состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Такие диаграммы также называют структурными с добавлением слова равновесные, что указывает на образование таких фаз и структур, которые соответствуют наименьшему значению свободной энергии системы.

На любой диаграмме состояния можно выделить следующие точки и линии:

Ликвидус – точка, отвечающая началу кристаллизации.

Линия ликвидус – геометрическое место точек ликвидус.

Солидус – точка, отвечающая концу кристаллизации.

Линия солидус – геометрическое место точек солидус.

Фигуративная точка – точка, взятая в пределах диаграммы состояния, которая показывает температуру сплава, его состояние, процентное соотношение компонентов.

Фигуративная линия – линия, проходящая через фигуративную точку параллельно оси температур.

Рассмотрим основные диаграммы состояния двойных сплавов.

Диаграмма состояния I рода (рисунок 2) характерна для сплавов, компоненты которых образуют смеси при незначительной взаим­ной растворимости. Вдоль оси абсцисс (слева направо) отложена процентная доля компонента В в сплаве. Процентная доля компо­нента А увеличивается в противоположном направлении вдоль оси абсцисс (на рис. 1.15 она не показана, а подразумевается). По осям ординат (слева и справа) отложена температура, измеряемая в °С. Компоненты А и В для этого типа диаграмм взаимно растворяют­ся только в жидком состоянии, а в твердом – не растворяются и не образуют химических соединений. Линия диаграммы АСВ, выше которой сплавы находятся в жидком состоянии, называется линией ликвидус (от лат. «ликвидус» - жидкий, текучий). Линия диаграм­мы DСЕ, ниже которой сплавы находятся в твердом состоянии, называется линией солидус (от лат. «солидус» - твердый). Между линиями ликвидус и солидус сплавы переходят из жидкого состоя­ния в твердое.

Сплав двух компонентов, который плавится при минимальной температуре, называется эвтектическим, или эвтектикой (от греч. «эвтектика» - легко плавящийся). Эвтектика представляет собой тонкую механическую смесь компонентов А и В. Состав этого спла­ва можно определить, опустив перпендикуляр из точки С на ось абсцисс (точка В_э). Левее точки В_э сплавы называются доэвтектическими, а правее – заэвтектическими. У доэвтектических сплавов область ACD содержит компонент А и жидкую фазу Ж, а область ВСЕ – компонент В и жидкую фазу Ж. Ниже линии со­лидус в области DСВ _эдоэвтектические сплавы в твердом состоянии содержат компонент А и эвтекти­ку (А + В), а в области ЕСВ_э –ком­понент В и эвтектику (А + В).

Рисунок 2 – Диаграмма состояния I рода

Диаграмма состояния II рода характерна для сплавов с неограниченной растворимостью компонентов друг в друге, име­ющих одинаковые типы крис­таллических решеток. Диаграм­ма (рисунок 3) содержит область жидкой фазы (выше линии лик­видус АСВ), двухфазную об­ласть α + Ж, расположенную между линиями АСВ и АDВ, об­ласть твердой фазы α (ниже ли­нии солидус АDВ). Фаза α пред­ставляет собой твердый ра­створ компонентов А и В, азерна этой фазы имеют общую кристаллическую решетку.

Рисунок 3 – Диаграмма состояния II рода

Диаграмма состояния III рода характерна для сплавов с огра­ниченной растворимостью компонентов друг в друге. На диаграм­ме (рисунок 4) линия АDВ является линией ликвидус, а линия АСDЕВ – линией солидус. Фаза α является твердым раствором компонента В в компоненте А, а фаза β – твердым раствором компонента А в компоненте В. Эвтектика для рассматриваемой диаграммы пред­ставляет собой смесь мелкозернистых фаз α и β. Эвтектика крис­таллизуется при наименьшей для данной системы температуре, т.е. на линии СЕ.

Линия СF показывает предельную растворимость компонента В в компоненте А, а линия ЕК – предельную растворимость компо­нента А в компоненте В. Ниже линии СF из α -фазы начинают выде­ляться атомы компонента В, образуя вторичные кристаллы β_IIβ-твер-дого раствора. Аналогично ниже линии ЕК из β-фазы выделяются атомы компонента А, образуя вторичные кристаллы α_IIα-твердого раствора. Структура доэвтектических сплавов ниже линии СЕ со­стоит из первичных зерен α-фазы, эвтектики (α + β) и зерен вторич­ной β_II-фазы. А структура заэвтектических сплавов состоит из пер­вичных зерен β-фазы, эвтектики (α + β) и зерен вторичной α_II-фазы.

Рисунок 4 – Диаграмма состояния III рода

Диаграмма состояния IV рода (рисунок 5) относится к сплавам, в кото­рых сплавляемые компо­ненты образуют устой­чивое химическое соеди­нение А_тВ_п. Поэтому в данном случае химичес­кое соединение выступа­ет в роли самостоятель­ного компонента, спо­собного образовывать сплавы с каждым из ис­ходных компонентов.

Химическое соединение А_тВ_п образует с компонентами А и В спла­вы, которые характерны для диаграммы состояния I рода.

Рисунок 5 – Диаграмма состояния IV рода

Тип диаграммы состояния предопределяет характер изменения свойств сплава. Впервые закономерности изменения физико-меха­нических свойств сплавов в зависимости от типа диаграммы со­стояния установил академик Н.С. Курнаков. При отсутствии раство­римости в твердом состоянии (диаграмма состояния I рода) твердость и электрическое сопротивление сплавов изменяются по прямолиней­ному закону от компонента А к компоненту В (рисунок 6,а). Для спла­вов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии (диаг­рамма II рода) эти свойства изменяются по криволинейному зако­ну с наличием максимума (рисунок 6,б). В результате твердость и электрическое сопротивление у твердых растворов могут быть выше, чем у чистых компонентов. Для диаграммы состояния IIIрода в области однофазных твердых растворов свойства изменя­ются по криволинейному закону, а в области механической смеси твердых растворов - по прямолинейному закону (рисунок 6,в).

Рисунок 6 – Изменение твёрдости и электрического сопротивления в зависимости от рода диаграммы

Для сплавов и компонентов, образующих химическое соединение, мак­симальные значения твердости и электрического сопротивления наблюдаются при концентрации компонентов, соответствующих химическому соединению (рисунок 6,г).

Таким образом, если известны характер взаимодействия между компонентами и тип диаграммы состояния, то возможен выбор состава сплава, обеспечивающего заданные физико-химические свойства.

Вопросы:

1. Что такое сплав? Что является компонентами для металлического сплава? Сколько компонентов должно присутствовать, чтобы вещество можно было назвать сплавом?

2. Способы получения сплава.

3. Типы растворения твёрдых растворов. Показать на рисунке. Какой тип растворения способствует увеличению межатомных расстояний.

4. Что такое диаграмма состояния?

5. Ликвидус как точка и как линия (определения).

6. Солидус как точка и как линия (определения).

7. Фигуративная точка, фигуративная линия (определения).

8. Диаграммы состояний I, II, III, IV рода. Для каких сплавов характерна каждая из диаграмм, особенности диаграмм. Уметь показать на каждой из диаграмм ключевые точки и линии (солидус, ликвидус и др.)

9. Диаграммы изменения твёрдости и электрического сопротивления. Уметь изобразить – как изменяются эти свойства для каждого рода диаграмм.