Характеристика основных фаз металлических сплаов.

Чистые металлы имеют невысокие механические и функциональные свойства, что и обуславливет применяются технике сплавов. Сплавами  называют сложные вещества, получен­ные сплавлением или спеканием нескольких элементов (компонентов).

Компонентами металлических сплавов могут быть не только металлы, но также химические соединения и неметаллы. В зависимости от числа компонентов сплавы могут быть двойные, тройные и т. д. В зависимости от физико-химического взаимодействия компонен­тов в сплавах образуются фазы, число и тип которых характери­зуют состояние сплава.

Фазовый состав и структура, определяющие свойства сплава, зависят от его химического состава, технологии производства и обработки.

В зависимости от количества фаз спла­вы могут быть одно-, двух- и многофазными. В жидком состоянии компоненты сплава обычно неограничен­но растворяются друг в друге, образуя жидкие растворы. В твер­дом состоянии

компоненты могут образовывать: 1) механические смеси, представляющие собой смесь двух или нескольких фаз; 2) химические соединения, когда компоненты вступают в химиче­ские взаимодействия; 3) твердые растворы, когда один компонент растворяется в другом, который называется растворителем.

Механические смеси. Если элементы, входящие в состав сплава, при затвердевании из жидкого состояния не растворяются друг в друге и не взаимо­действуют, то образуется механическая смесь. Механические смеси образуются при кристаллизации многих сплавов, например Pb - Sb, А1 – Si и др. При образовании механической смеси каждый компонент сохраняет свой тип кристаллической решетки и присущие ему свойства.

Химические соединения. Компоненты в сплаве могут взаимодействовать друг с другом с образованием химических соединений. По струк­туре они представляют собой однородные твердые тела. Свойства химических соединений значительно отличаются от свойств образующих их элементов. Они имеют постоянную температуру плавления (дис­социации) и кристаллическую решетку, отличающуюся от решеток исходных элементов. В химическом соединении сохраняется определенное соотношение атомов элементов, позволяющее выразить их состав стехиометрической пропорцией в виде простой формулы А_n В_m, где А и В - соответствующие элементы, а n и m  ~ простые числа. Со­ставы этих соединений на диаграммах «состав - свойство» харак­теризуются особыми сингулярными точками.

Различают химические соединения двух типов: металл - не­металл и металл - металл. Химические соединения металлов с неметаллами в структуре сплавов находятся в виде неметаллических вклю­чений сульфидов, оксидов, фосфидов и т. д. Например, оксид мар­ганца МnО, SiO  и др.

Если химические соединения не диссоциируют до температуры плавления, то их принято рассматривать в качестве самостоятельных компонентов.

Твердые растворы. Твердыми растворами называют фазы, в которых один из ком­понентов (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решет­ку, а атомы других (растворённых) компонентов располагаются в его решетке, искажая ее. Химический анализ твердого раствора показывает несколько элементов, а металлографический и рентгеноструктурный - одно­родные зерна и один тип решетки - металла-растворителя. Различают твердые растворы замещения и внедрения. Твер­дый раствор замещения образуется замещением части атомов растворителя в его кристаллической решетке атомами растворен­ного компонента (рис. 5.1, а). Атомы растворенного элемента обычно не занимают особых мест в кристаллической решетке, а только замещают в некоторых узлах атомы растворителя. Такое размещение атомов называют неупорядоченным. Оно образуется в тех случаях, ко­гда полностью отсутствует взаимодействие элементов. Если же атомы разных элементов твердого раствора взаимодействуют ме­жду собой несколько сильнее, чем однородные атомы, то они стремятся расположиться в определенном порядке. Атомы рас­творителя и растворенного элемента располагаются на разных кристаллографических плоскостях. Например, в системе Аu - Сu после медленного охлаждения расплава одни кристаллографиче­ские плоскости состоят целиком из атомов меди, а другие - из атомов золота. Такие твердые растворы называют упорядоченными. В связи с различием в размерах атомов, при замещении ато­мов одного компонента атомами другого компонента происходит искажение кристаллической решетки. Это искажение тем больш­е, чем больше разница в размерах атомов и строении их кри­сталлических решеток. При чрезмерном искажении решетки дальнейшая растворимость становится невозможной. Наступает предельная растворимость, при которой дополнительно вводимые атомы не могут войти в решетку и образуют самостоятельную фа­зу. Если же оба компонента имеют однотипные кристаллические решетки, а атомные диаметры различаются не более чем на 8-15 %, то возможна неограниченная растворимость.

Неограниченно растворяются в твердом состоянии такие ме­таллы с ГЦК решеткой, имеющие небольшую разницу в атомных размерах, как Ag и Аu, Ni и Сu и др., а также металлы с ОЦК решеткой:, V и Ti. Металлы с большим атомным диаметром (Na, Ca, РЬ) в Fe, Cu, Ni нерастворимы. Предельная растворимость зависит также от различия в строении валентных оболочек электронов.

Твердый раствор внедрения образуется путем внедрения ато­мов растворенного компонента в междоузлия (пустоты) кристал­лической решетки (рис. 5.1, б), В решетке ГЦК такая пустота на­ходится в центре куба и образует сферу диаметром 0,4D, где D -диаметр атомов растворителя. В решетке ОЦК пустота находится в центре грани и образует сферу диаметром 0.29D.Образование твердых растворов внедрения, как правило, со­провождается увеличением параметров кристаллической решетки и ее искажением. Твердый раствор внедрения характерен для сплавов металлов с элементами, имеющими малые атомные диаметры (С, В, N, H, О). Концентрация второго компонента в твердом растворе внедрения обычно невысока и всегда ниже, чем в твердых растворах замещения и химических соединениях этих элементов. В отличие от химических соединений твердые раство­ры внедрения имеют кристаллическую решетку металла-раство­рителя.

Атомы растворенных элементов находятся в кристалличе­ской решетке растворителя преимущественно вблизи дислокаций, снижая их упругую энергию. При образовании твердых растворов внедрения атомы располагаются вблизи дислокаций и образуют группы в виде обла­ков, называемые атмосферами Коттрелла. Такое расположение сопровождается уменьшением искажений кристаллической решетки.

 5.2. Структура сплавов.

На свойства сплавов влияют величина, форма, кри­сталлографическая ориентация и взаимное расположение фаз в объеме. Границы раздела отличаются от примыкающих к ним микрооб­ластей по структуре, а часто и по химическому составу.

Однофазные микрообласти могут иметь локальные изменения химического состава. Кроме того, каждая из них содержит дефек­ты кристаллической решетки - вакансии и дислокации.Размер субзерен и блоков, искаже­ния решетки оказывают существенное влияние на ход превраще­ний и свойства сплавов и поэтому должны учиты­ваться при характеристике их структуры.

Геометрия структур. Многофазные материалы могут быть получены в результате кристаллизации расплавов, фазовых превращений во время тер­мической обработки, выделений избыточных фаз из первичных твердых растворов. Анализ струк­тур проводитcя на основе изучения геометрических параметров распределения отдельных фаз или зерен, определяя их размеры, форму и ориентировку.

В условиях равновесия относительное содержание каждой фа­зы, образовавшейся в результате превращения, определяется пер­воначальным составом сплава. Однако полностью равновесное со­стояние далеко не всегда достигается; кроме того, в ряде случаев оно может быть нежелательным. Фактическое количество фаз за­висит от режима обработки; при закалке удельные объемы фаз меняются по сравнению с равновесным состоянием.

Частицы второй фазы могут иметь различную форму: равно­осную, пластинчатую или волокнистую. В первом слу­чае размеры по трем координатным осям примерно одинаковы, во втором- один размер заметно меньше других, в третьем - размер по одной оси много больше, чем по другим осям. Получение на практике любой выбранной формы достаточно сложно, но в ряде случаев возможен выбор двух из этих трех структур. Графит в чу­гуне может иметь пластинчатую или сфероидальную форму, пер­лит в результате термической обработки стали может быть пла­стинчатым или зернистым (рис. 5.2).                                                                          

Влияние геометрии фаз на свойства материалов. Такие свойства, как плотность и теплоемкость, зависят только от количества присутствующих фаз и не зависят от их геометрии. Несмотря на различие геометрии фаз, две стали, структура которых показана на рис. 5.2, имеют одинаковую плотность, так как они содержат равные относительные количества феррита и цементита. Однако большинство свойств материалов определяется гео­метрией их структуры. Пластинчатый перлит имеет более высокие твердость и прочность, но меньшие пластичность и вязкость, теплопроводность по сравнению с зернистым перлитом. В зернистом перлите трещина не может распространяться на значительное расстояние по хрупкому цементиту, не попадая при этом в феррит, характе­ризующийся большей вязкостью.

Степень дисперсности фаз, их форма и взаимное расположе­ние оказывают существенное влияние на механические свойства -твердость, прочность и пластичность. Сталь с дисперсными, равномерно распределенными выделениями цементита в феррите имеет большую твер­дость и прочность, чем сталь того же состава, но с более грубой фазовой структурой. Добавка в бетон стального волокна (проволоки диаметр 1мм, L=30мм) в количестве 40-150кг/м  повышает σ в 2-3 раза; σ на 40%; удельную прочность в 8-12 раз; уменьшает истирание до 2раз.

Большое влияние на механические свойства материалов оказывает пористость структуры. Пористость имеется в отлив­ках, порошковых материалах, в керамике. Пористость являет­ся местом концентрации напряжений, уровень которых может превысить прочность материала.