Основные сведения о сплавах. Кристаллизация сплавов.

Чистые металлы в большинстве случаев не обеспечивают требуемого количества механических и технологических свойств и поэтому редко применяются для изготовления изделий. В большинстве случаев в технике используются сплавы.

 

Сплавы – получаются путем сплавления 2-х или более металлов или металлов и неметаллов.

Металлические сплавы – это сплавы, состоящие из 2-х или более металлов, и обладают металлическими свойствами.

 В твердом виде сплавы способны образовывать:

1) твердые растворы;

2) химические соединения;

3) механические смеси.

 

Твердые растворы – металлические сплавы в жидком состоянии, представляющие собой однородную жидкость, т.е. жидкие растворы, у которых при переходе в твердое состояние однородности сохраняется, т.е. сохраняется растворимость.

Твердые растворы как металлы имеют одну кристаллическую решетку. В кристаллической решетке металлические элементы одного вещества, в твердом растворе атомы различных элементов, образуют этот твердый раствор. По расположению атомов в кристальной решетке твердость раствора различают:

1) Твердые растворы замещения

2) твердые растворы внедрения

 

Химические соединения – это соединения, имеющие переменный состав, который может изменяться в широких пределах.

Механическая смесь – образуется в случаях, если элементы обладают ограниченной растворимостью.

 

Механические смеси могут состоять из зерен 2-х насыщенных твердых растворов или из зерен твердого раствора и химического соединения.

 

 

Кристаллизация сплавов.

Первичная кристаллизация – это процесс сплава из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллических решеток.

Центрами кристаллизации могут быть группы элементарных кристаллических решеток, неметаллического включения и тугоплавкие примеси. Кристаллизация обычно начинается от стенок формы (изложницы).

Создание сплавов – наиболее общий путь повышения прочности металлических материалов. Этот метод (сплавления) позволяет получить также более широкий диапазон особых полезных свойств (например, жаропрочность, коррозионную стойкость, тепло – и износостойкость и др.).

Сплавы – это материалы, полученные сплавлением или спеканием (порошковая металлургия) двух или более компонентов.

Компоненты – вещества, образующие сплав; ими могут быть химические элементы или устойчивые химические соединения.

Структура и свойства сплава определяются в первую очередь природой (типом) фаз, образующихся при сплавлении компонентов.

Фаза – однородная по химическому составу, типу решетки и свойствам часть сплава, отделенная от других частей границей раздела.

В зависимости от характера физико–химического взаимодействия компонентов в металлических сплавах возможны триосновныхтипакристаллическихфаз:

1.Твердый раствор,

2.химические соединения,

3. Механическая смесь.

Основной (матричной) фазой большинства промышленных сплавов являются твердые растворы.

Твердые растворы – это фазы, в которых атомы одного компонента В размещены (растворены) в кристаллической решетке другого компонента А – «растворителя». По мере увеличения числа атомов В в решетке А химический состав и свойства твердого раствора плавно изменяются (в частности, температура плавления), т.е. это фазы переменного состава

Сплав, представляющий собой твердый раствор, является однофазным веществом с решеткой, присущей основному компоненту (растворителю). Атомы второго компонента (растворенного) размещены в решетке растворителя, как правило, случайным, неупорядоченным образом.

По способу размещения атомов растворенного вещества (В) в решетке А различают два основных типа твердых растворов – растворы замещения и внедрения (рис. 1)

Рис. 1. Твердые растворы замещения (а) и внедрения (б)

Видно, что при образовании твердых растворов замещения атомы В располагаются в вакансиях решетки компонента А. При этом количество атомов В в решетке А может изменяться в широких пределах (при определенных условиях возможна даже неограниченная взаимная растворимость компонентов в твердом состоянии).

В случае твердых растворов внедрения атомы В располагаются в междоузлиях решетки А. Понятно, что это возможно, если размеры атомов В сравнимы с размерами межатомных пустот решетки А. Поэтому растворы внедрения образуют с металлами элементы, имеющие наименьший атомный радиус (H, B, C, N). Такие растворы всегда имеют ограниченную растворимость.

Растворенные атомы (В) являются точечными дефектами, вызывающими искажение решетки А, поэтому образование сплавов – твердых растворов должно приводить к повышению прочности исходных компонентов

Химические соединения обычно имеют фиксированный состав, отвечающий формуле А_nВ_m, где n и m – простые числа, причем тип решетки соединения А_n В_m отличается от решетки исходных компонентов.

В железоуглеродистых сплавах (сталях и чугунах),, наиболее важны соединения металлов (например, железа) с углеродом.

Независимо от природы химические соединения в металлических сплавах, как правило, обладают высокой твердостью и хрупкостью(т.е. малопластичны); твердые растворы, напротив, имеют хорошую пластичность (и вязкость), но невысокую прочность и твердость.

Свойства сплавов зависят:

· от природы и относительных количеств присутствующих фаз

· от формы, размеров,

·  взаимного расположения кристаллов этих фаз, т.е. от конкретной структуры сплава.

Свойства сплавов (данного химического состава)определяются их структурой. Чтобы прогнозировать свойства какого-либо сплава, нужно знать его структуру.

Структуру сплавов различного химического состава можно установить путем анализа соответствующих диаграмм фазового равновесия или диаграмм состояния.

Линии диаграмм состояния – это линии фазовых превращений («критические линии»), при пересечении которых фазовый состав (структура) сплавов обязательно изменяется.

Вопросы для самопроверки к теме:

1. Дайте определение понятий «сплав», «компонент», «фаза». Может ли двухкомпонентный сплав быть однофазным?

2. Какое слово является ключевым в определении понятия «фаза»?

3. Перечислите основные типы кристаллических фаз в металлических сплавах?

4. Что такое твердый раствор? Какие типы твердых растворов существуют?

5. В чем принципиальное отличие химических соединений от твердых растворов? Как отличаются механические свойства этих фаз?

6. Как Вы представляете себе оптимальную структуру конструкционных сплавов? Нарисуйте ее.

7. В каких координатах строятся диаграммы состояния?

8. Каков основной смысл линий диаграмм состояния?

9. Какова роль диаграмм состояния в курсе материаловедения?

 

 

Лекция 8