Теория сплавов-диаграмма состояния двойных сплавов

Строение металлов

Мет а л л ы- простые вещества., обладающие свободными, не связанными с определенными атомами электронами, которые способны перемещаться по всему объему тела. Эта особенность состояния металлического вещества определяет собой свойства металлов. металлы состоят из упорядоченно расположенных в пространстве положительно заряженных ионов, перемещающихся среди них электронов и небольшого количества нейтральных атомов. Металлами являются алюминий, железо, медь, никель, хром и т. д.

Сплавы представляют собой системы, состоящие из двух или нескольких металлов или металлов и неметаллов. Сплавы обладают всеми характерными свойствами металлов. Например, сталь и чугун - сплавы железа с углеродом, кремнием, марганцем, фосфором и серой; бронза -сплав меди с оловом или другими элементами; латунь - сплав меди с цинком и другими элементами.В промышленности широко применяют сплавы, получаемые сплавлением составляющих с последующей кристаллизацией из жидкого состояния, значительно меньше- сплавы, получаемые спеканием. В процессе кристаллизации из расплавленного (жидкого) состояния металла или сплава положительно заряженные ионы и нейтральные атомы группируются в строго определенной последовательности, образуя кристаллические решетки - правильное упорядоченное раcположение атомов в элементарной ячейке. Кристаллические решетки у металлов и сплавов могут быть различных типов: объемно-центрированные кубические (ОЦК), гранецентрированные кубические (ГЦК), гексагональные плотноупакованные (ГПУ). Объемноцентрированную кубическую решетку образуют железо Fe, хром Сг, молибден Мо и др.; гранецентрированную кубическую решетку образуют железо Fe7, медь Си, алюминий.

Металлы имеют относительно сложные типы кубических ре­шеток - объемно центрированная (ОЦК) и гранецентриро­ванная (ГЦК) кубические решетки.

Основу ОЦК-решетки составляет элементарная кубиче­ская ячейка (рис. 1.2,б), в которой положительно заряжен­ные ионы металла находятся в вершинах куба, и еще один атом в центре его объема, т. е. на пересечении его диагоналей. Такой тип решетки в определенных диапазонах температур имеют железо, хром, ванадий, вольфрам, молибден и др. металлы.

У ГЦК-решетки (рис. 1.2, в) элементарной ячейкой слу­жит куб с центрированными гранями. Подобную решетку имеют железо, алюминий, медь, никель, свинец и др. металлы.

Третьей распространенной разновидностью плотноупако­ванных решеток является гексагональная плотноупакованная (ГПУ, рис. 1.2, г). ГПУ-ячейка состоит из отстоя­щих друг от друга на параметр с параллельных центриро­ванных гексагональных оснований. Три иона (атома) нахо­дятся на средней плоскости между основаниями.

У гексагональных решеток отношение параметра с/а всегда больше единицы. Такую решетку имеют маг­ний, цинк, кадмий, берилий, титан и др.

 

Пружинные стали

Рессорно-пружинные стали предназначены для изготовления пружин, упругих элементов и рессор различного назначения. Стали поступают в виде проволоки и ленты, а также горяче-и холоднокатаного проката, из которых изготовляют пружины. Стали для пружин должны обладать высокими сопротивлением малым пластическим деформациям, пределом выносливости и релаксационной стойкостью[2] при достаточной пластичности и вязкости.

Для получения этих свойств стали должны содержать более 0,5 % С и быть подвергнуты термической обработке — закалке и отпуску или деформационному упрочнению после патентирования[3]

В табл. 1 приведены режимы термической обработки и механические свойства некоторых рессорно-пружинных сталей.

Стали должны обладать хорошей закаливаемостью[4] и прокаливаемостью[5]. После закалки мартенситная структура должна быть по всему объему. Присутствие после закалки немартенситных продуктов превращения аустенита (бейнита, ферритно-карбидной структуры, феррита), а также остаточного аустенита ухудшает все пружинные свойства. Чем мельче зерно, тем выше сопротивление стали малым пластическим деформациям.

Для пружин малого сечения, закаливаемых в масле и испытывающих невысокие напряжения, применяют углеродистые стали 65, 70, 75, 85.

Более часто для изготовления пружин и рессор используют легированные стали, содержащие 1,5—2,8 % Si, 0,6—1,2 % Мn, 0,2—1,2 % Сr; 0,1—0,25 % V; 0,8—1,2 % W и 1,4—1,7 % Ni. Эти элементы обеспечивают необходимую прокаливаемость и закаливаемость, повышают релаксационную стойкость сталей и предел упругости.

В промышленности наиболее часто применяют кремнистые стали 55С2, 60С2А, 70СЗА. Поскольку кремний повышает прокаливаемость, задерживает распад мартенсита при отпуске и значительно упрочняет феррит, кремнистые стали (50С2, 55С2 и 60С2) имеют высокие пределы текучести и упругости, что обеспечивает хорошие свойства. Кремнистые стали применяют для изготовления пружин вагонов, многих автомобильных рессор, в станкостроении, для торсионных валов и др.

Для изготовления автомобильных рессор широко применяют сталь 50ХГА, которая по технологическим свойствам превосходит кремнистые стали.

 

Инструментальные сплавы

Инструментальными называют углеродистые и легированные стали, обладающие высокой твердостью (60—65 HRC), прочностью и износостойкостью и применяемые для изготовления различного инструмента. Обычно это заэвтектоидные или ледебуритные стали, структура которых после закалки и низкого отпуска мартенсит и избыточные карбиды.

Все инструментальные стали подразделяют на три группы: не обладающие теплостойкостью (углеродистые и легированные стали, содержащие до 3—4 % легирующих элементов), полутеплостойкие до 400—500 °С (содержащие свыше 0,6—0,7 % С и 4—18 % Сr) и теплостойкие до 550—650 °С (высоколегированные стали, содержащие Cr, W, V, Мо, Со,), получившие название • быстрорежущих.

Маркировка инструментальных сталей. Углеродистые инструментальные стали маркируют буквой «У» (углеродистая); следующая за ней цифра (У7, У8, У10 и т. д.) показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква «А» в конце (У 10А) указывает, что сталь высококачественная. Легированные инструментальные стали X, 9Х, 9ХС, 6ХВГ и т. д. маркируют цифрой, показывающей среднее содержание углерода в десятых долях процента, если его содержание <1 %. Если содержание углерода ~1 %, то цифра чаще отсутствует. Буквы означают легирующие элементы, а следующие за ними цифры — содержание (в целых процентах) соответствующего легирующего элемента.

Быстрорежущие стали маркируют буквой «Р». Следующая за ней цифра указывает среднее содержание главного легирующего элемента быстрорежущей стали — вольфрама (в процентах). Среднее содержание молибдена (в процентах) в стали обозначают цифрой, проставленной за буквой «М», кобальта — цифрой за буквой «К», ванадия — цифрой после буквы «Ф» и т. д. Среднее содержание хрома в большинстве быстрорежущих сталей составляет 4 % и поэтому в обозначении марки стали не указывается.

 

Прецизионные сплавы

Прецизионные сплавы (от франц. précision — точность), металлические сплавы с особыми физическими свойствами (магнитными, электрическими, тепловыми, упругими) или редким сочетанием физических, физико-химических и механических свойств, уровень которых в значительной степени обусловлен точностью химического состава, отсутствием вредных примесей, соответствующей структурой сплава. Большинство Прецизионные сплавы создано на основе Fe, Ni, Со, Cu, Nb. К Прецизионные сплавы относится ряд сплавов с аномалией свойств, среди которых особое место занимают сплавы с очень малым изменением физических параметров при изменении температуры, магнитного, электрического поля, механических нагрузок (например, инвар, элинвар, манганин, константан, перминвар). Важное практическое значение имеют и сплавы, характеризующиеся, наоборот, весьма большим изменением физических параметров при изменении внешних условий (например, пермаллой, алюмель, хромель, копель, магнитострикционные материалы, пружинные сплавы, термобиметаллы).

К Прецизионные сплавы относятся также сплавы, обладающие сверхпроводимостью, сплавы с заданным значением физических параметров (например, ковар, платинит, фернико), в том числе сплавы с разнообразным сочетанием свойств и сплавы, сохраняющие требуемые свойства в условиях агрессивных сред, вибрации, электрического разряда, радиации, глубокого вакуума и т.д.

Прецизионные сплавы — незаменимые материалы при изготовлении узлов особо чувствительных приборов и установок, уникальной экспериментальной и малогабаритной аппаратуры, различного рода датчиков, преобразователей энергии. Они применяются также в бытовой технике, например в телевизорах, радиоприёмниках, часах и т.д. Прецизионные сплавы являются основой прогресса точного приборостроения, автоматики и др. отраслей техники; изготовляются преимущественно в виде тонкой ленты и проволоки, а также в виде поковок, листов, прутков, полиметаллической проволоки и ленты, монокристаллов. Для достижения наивысшего уровня свойств Прецизионные сплавы необходимы, как правило, особые способы выплавки, деформирования, специальные режимы термической обработки, качественная отделка поверхности. Прецизионные сплавы требуют высокой культуры эксплуатации.

собо распространёнными являются следующие марки сплавов:
79нм, 80нхс, 81нма, 50н, 29нк, 32нкд, 27кх, 38нкд, 36кнм, 47нхр, 47нд, 36нхтю, 49к2фа, х20н80, х15н60, хн78т, хн70ю.

 

Титан и его сплавы

 

Титан – металл серого цвета. Температура плавления титана (1668 + 5) о С. Титан имеет две аллотропические модификации: до 882о С существует α-титан (плотность 4,505 г/см3), имеющий гексагональную решетку, а при более высоких температурах – β-титан (при 900о С плотность 4,32 г/см3), имеющий ОЦК решетку.

Технический титан изготовляют двух марок: ВТ1-00 (99,53 % Тi), ВТ1-0 (99,46 % Тi).

На поверхности титана легко образуется стойкая оксидная пленка, повышающая сопротивление коррозии вы морской воде, в некоторых кислотах и других агрессивных средах.

Технический титан обрабатывается давлением, сваривается дуговой сваркой в атмосфере защитных газов и контактной сваркой (сварка затруднена большой химической активностью титана), но плохо обрабатывается резанием. Титан поставляют в виде листов, прутков, проволоки, труб и других полуфабрикатов.

Сплавы на основе титана получили значительно большее применение, чем технический титан. Титановые сплавы имеют высокую прочность (σв = 750-1250 МПа).

В соответствии со структурой различают:

α-сплавы, имеющие структуру – твердый раствор легирующих элементов в α-титане (основной легирующий элемент – алюминий, кроме того могут содержать олово, цирконий), марганец, железо, молобден);

α + β – сплавы – механическая смесь твердых растворов легирующих элементов в α-и β-титане (марганец, железо, хром).

Марки α-сплавов – ВТ5, ВТ5-1 – виды полуфабриката – отливки, поковки, листы, трубы, ленты, полосы.

Марки α + β – сплавов – ВТ6, ВТ14, ВТ8 – виды полуфабриката – поковки, листы, трубы, штампованные заготовки.

Сплавы титана применяют там, где главную роль играют небольшая плотность, высокая удельная прочность, теплостойкость и хорошая сопротивляемость коррозии. Титановые сплавы применяют в авиации, ракетной технике, в машиностроении.

 

Никель кобальт и их сплавы

Жаропрочные сплавы — металлические материалы, обладающие высоким сопротивлением пластической деформации и разрушению при действии высоких температур и окислительных сред. Начало систематических исследований жаропрочных сплавов приходится на конец 1930-х годов — период нового этапа в развитии авиациии, связанного с появлением реактивной авиации и

Жаропрочные сплавы на основе никеля, как правило, обладают сложным химсоставом. Он включает 12 — 13 компонентов, тщательно сбалансированных для получения необходимых свойств. Содержание таких примесей, как кремний (Si), фосфор (P), сера (S), кислород (O) и азот (N) также контролируется. Содержание таких элементов, как селен (Se), теллур (Te), свинец (Pb) и висмут (Bi) должно быть ничтожно малым, что обеспечивается способом выплавки. Эти сплавы обычно содержат 10—12 % хрома (Cr), до 8 % алюминия (Al) и титана (Ti), 5-10 % кобальта (Co), а также небольшие количества бора (B), циркония (Zr) и углерода (C). Иногда добавляются молибден (Mo), вольфрам (W), ниобий (Nb), тантал (Ta) и гафний (Hf).

Легирующие элементы в этих сплавах можно сгруппировать следующим образом:

Элементы, образующие с Ni аустенитную -матрицу с гранецентрированной кристаллической решёткой — Co, Fe, Cr, Mo и W

Элементы, образующие упрочняющую ' фазу (Ni3X) — Al, Ti, Nb, Ta, Hf. При этом Ti, Nb и Ta входят в состав фазы и упрочняют её.

Элементы, образующие сегрегации по границам зёрен — B, C и Zr

К карбидообразующим элементам относятся Cr, Mo, W, Nb, Ta и Ti. Al и Cr образуют оксидные плёнки, защищающие изделия от коррозии.

 

Ещё в начале XX века компанией Хэйнс (англ. Haynes) были получены патенты на сплавы системы Co — Cr и Co — Cr — W. Эти сплавы, именуемые «стеллитами» использовались вначале для производства режущего инструмента. и износостойких деталей. В 1930-х годах был разработан литейный Co — Cr — Mo сплав для зубного протезирование Vitallium. Аналогичный по составу сплав HS-21 начал использоваться десятилетие спустя в турбонагревателях и газовых турбинах. Тогда же начали использовать сплав системы Co — Ni — Cr для направляющих лопаток газотурбинных двигателей. В 1943 г. был разработан литейный сплав Co — Ni — Cr — W (X-40) также применяемый при изготовлении лопаток. В 1950—1970 годы были разработаны новые никелевые жаропрочные сплавы, изготовленные путём вакуумной выплавки и упрочняемые за счёт выделения фазы '. Это привело к уменьшению использования сплавов на основе кобальта.] Особенности жаропрочных сплавов на кобальтовой основе

Температура плавления у сплавов на кобальтовой основе — более высокая. По этой причине повышены характеристики длительной прочности. Эти жаропрочные сплавы могут работать при более высоких температурах, по сравнению со сплавами на основе никеля и железа

Высокое содержание хрома повышает сопротивление горячей коррозии

Сплавы характеризуются повышенным сопротивлением термической усталости и имеют хорошую свариваемость.

 

Тугоплавкие ме и сплавы

Тугоплавкими называют металлы, температура плавления которых выше 1700° С. Наиболее тугоплавки вольфрам (3410° С), молибден (2620° С), ниобий (2415° С), тантал (2996° С), а также весьма редкие и рассеянные в земной коре рутений, рений, гафний и осьмий. Тугоплавкие металлы получают прессованием порошков с последующим их спеканием в брикеты (штабики), а также плавкой заготовок в электродуговых и электронно-лучевых печах. Путем ковки штабиков и последующего волочения через алмазные волоки получают вольфрамовую проволоку диаметром до 15 мкм. Этот диаметр в дальнейшем уменьшают травлением до 5 мкм. Вольфрамовая проволока широко применяется в электронных приборах.

 

Алюминий и его сплавы

 

Алюминий – металл серебристо-белого цвета. Температура плавления 600 оС. Кристаллическая решетка ГЦК. Плотность 2,7 г/см3. Алюминий обладает высокой электрической проводимостью, составляющей 65 % электрической проводимости меди. В зависимости от чистоты различают алюминий особой чистоты: А999 (99,999 % Аl); высокой чистоты: А995 (99,995 % Аl), А 99 (99,99 % Аl), А97 (99,97 % Аl), А 95 (99,95 % Аl) и технической чистоты: А85, А8, А7, А6, А5, А0 (99,0 % Аl).

Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью вследствие образования на его поверхности тонкой прочной пленки Аl2О3. Чем чище алюминий, тем выше коррозионная стойкость.

Технический алюминий (АД, АД1) в виду низкой прочности применяют для изготовления элементов конструкций и деталей, не несущих нагрузки (трубопроводы, палубные надстройки морских и речных судов, кабели, электропровода, корпуса часов, фольгу, двери, рамы, посуду, цистерны для молока). Алюминий высокой чистоты предназначается для токопроводящих и кабельных изделий, фольги.

Более широко используют сплавы алюминия. Наиболее распространение получили сплавы алюминия-меди, алюминия-кремния, алюминия-магния, алюминия-меди-магния, алюминия – меди – магния - кремния и т.д.

Все сплавы алюминия можно разделить на деформируемые, предназначенные для получения полуфабрикатов (листов, плит, прутков, профилей, труб), а также поковок и штамповых заготовок путем прокатки, прессования, ковки и штамповки, и литейные, предназначенные для фасонного литья.

Деформируемые сплавы по способности упрочняться термической обработкой подразделяются на сплавы, упрочняемые термической обработкой (Д1, Д6 – дуралюмины – сплавы алюминия-меди-магния-марганца; АВ – сплав авиаль; В95 – высокопрочный алюминиевый сплав; АК6, АК8 – ковочные алюминиевые сплавы) и сплавы, неупрочняемые термической обработкой (АМц, АМг2, АМг3).

Литейные алюминиевые сплавы – алюминий-кремний (силумины – АЛ2, АЛ4), алюминий-медь – АЛ7, АЛ19, алюминий-магний – АЛ8, АЛ27.

 

Медь и её сплавы

Медь – металл красного, в изломе розового цвета. Температура плавления 1083о С. Кристаллическая решетка ГЦК. Плотность меди 8,94 г/см3. Медь обладает высокой электропроводимостью и теплопроводностью. Эти свойства меди принято принимать за 100%, а все другие технические металлы, за исключением серебра, сравнивать с медью.

В зависимости от чистоты медь изготовляют следующих марок: М00 (99,99 % Сu), М0 (99,97 % Сu), М1 (99,9 % Сu), М2 (99,7 % Сu), М3 (99,50 % Сu).

Медь хорошо сопротивляется коррозии в обычных атмосферных условиях, в пресной и морской воде и других агрессивных средах, но обладает плохой устойчивостью в сернистых газах и аммиаке.

Медь легко обрабатывается давлением, но плохо резанием, и имеет невысокие литейные свойства из-за большой усадки. Медь плохо сваривается, но легко подвергается пайке. Ее применяют в виде листов, прутков, труб и проволоки. В электротехнической промышленности, электронике и электровакуумной технике применяют бескислородную М0б медь (0,001 % О2).

Сплавы на основе меди.

Различают две основные группы медных сплавов: 1) латуни – сплавы меди с цинком; 2) бронзы – сплавы меди с другими элементами, в числе которых, но только наряду с другими, может быть и цинк. Медные сплавы обладают высокими механическими и техническими свойствами, хорошо сопротивляются износу и коррозии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Строение металлов

Мет а л л ы- простые вещества., обладающие свободными, не связанными с определенными атомами электронами, которые способны перемещаться по всему объему тела. Эта особенность состояния металлического вещества определяет собой свойства металлов. металлы состоят из упорядоченно расположенных в пространстве положительно заряженных ионов, перемещающихся среди них электронов и небольшого количества нейтральных атомов. Металлами являются алюминий, железо, медь, никель, хром и т. д.

Сплавы представляют собой системы, состоящие из двух или нескольких металлов или металлов и неметаллов. Сплавы обладают всеми характерными свойствами металлов. Например, сталь и чугун - сплавы железа с углеродом, кремнием, марганцем, фосфором и серой; бронза -сплав меди с оловом или другими элементами; латунь - сплав меди с цинком и другими элементами.В промышленности широко применяют сплавы, получаемые сплавлением составляющих с последующей кристаллизацией из жидкого состояния, значительно меньше- сплавы, получаемые спеканием. В процессе кристаллизации из расплавленного (жидкого) состояния металла или сплава положительно заряженные ионы и нейтральные атомы группируются в строго определенной последовательности, образуя кристаллические решетки - правильное упорядоченное раcположение атомов в элементарной ячейке. Кристаллические решетки у металлов и сплавов могут быть различных типов: объемно-центрированные кубические (ОЦК), гранецентрированные кубические (ГЦК), гексагональные плотноупакованные (ГПУ). Объемноцентрированную кубическую решетку образуют железо Fe, хром Сг, молибден Мо и др.; гранецентрированную кубическую решетку образуют железо Fe7, медь Си, алюминий.

Металлы имеют относительно сложные типы кубических ре­шеток - объемно центрированная (ОЦК) и гранецентриро­ванная (ГЦК) кубические решетки.

Основу ОЦК-решетки составляет элементарная кубиче­ская ячейка (рис. 1.2,б), в которой положительно заряжен­ные ионы металла находятся в вершинах куба, и еще один атом в центре его объема, т. е. на пересечении его диагоналей. Такой тип решетки в определенных диапазонах температур имеют железо, хром, ванадий, вольфрам, молибден и др. металлы.

У ГЦК-решетки (рис. 1.2, в) элементарной ячейкой слу­жит куб с центрированными гранями. Подобную решетку имеют железо, алюминий, медь, никель, свинец и др. металлы.

Третьей распространенной разновидностью плотноупако­ванных решеток является гексагональная плотноупакованная (ГПУ, рис. 1.2, г). ГПУ-ячейка состоит из отстоя­щих друг от друга на параметр с параллельных центриро­ванных гексагональных оснований. Три иона (атома) нахо­дятся на средней плоскости между основаниями.

У гексагональных решеток отношение параметра с/а всегда больше единицы. Такую решетку имеют маг­ний, цинк, кадмий, берилий, титан и др.

 

теория сплавов-диаграмма состояния двойных сплавов

При затвердевании жидких сплавов могут образовываться четыре типа соединений: механическая смесь, твердые растворы, химические соединения, ограниченные твердые растворы.

Все превращения, происходящие в сплавах, в зависимости от концентрации и температуры изображают в виде диаграмм состояния или диаграмм плавкости.

Рассмотрим диаграммы состояний двойных сплавов.

Диаграммы строятся в координатах температура — концентрация. Для построения диаграммы состояния сплава из двух компонентов необходимо иметь кривые охлаждения двух сплавляемых компонентов, а также любое количество кривых охлаждения сплавов из этих компонентов различной концентрации (чем больше, тем точнее будет построена диаграмма).

Диаграммы состояния имеют большое практическое значение: ими пользуются как руководящим материалом для назначения режимов термической обработки, режимов обработки металлов давлением, а также в литейном производстве.

Диаграмма состояния показывает изменение состояния сплавов в зависимости от температуры (P = const) и концентрации.

Если в системе имеется два компонента, то диаграмма будет иметь два измерения: первое - температурная шкала, второе - концентрация сплава (рисунок 2).

Рисунок 2.

 

Каждая точка на оси абсцисс соответствует определённому содержанию каждого компонента. Общее содержание компонентов в сплаве - 100%.

Крайние ординаты на диаграмме соответствуют чистым компонентам, а ординаты между ними - двойным сплавам.

Через точку С проходит сплав содержащий 35% компонента В и, соответственно, 65% компонента А.

Каждая точка на диаграмме состояния показывает состояние сплава данной концентрации при данной температуре. Каждая вертикаль соответствует изменению температуры определенного сплава. Изменение фазового состояния сплава отмечается на диаграмме точкой.

Линии, соединяющие точки аналогичных превращений, разграничивают на диаграмме области аналогичных фазовых состояний.

Вид диаграммы состояния зависит от того, как реагируют оба компонента друг с другом в твердом и жидком состоянии, то есть, растворимы ли они в жидком и твердом состоянии, образуют ли химические соединения и так далее.

Обычно диаграммы состояния строят, экспериментально используя термический анализ, то есть строят кривые охлаждения и по остановкам и перегибам на этих кривых, вызванным тепловым эффектом превращений, определяют температуры превращений. Эти температуры называют критическими точками