книги / Основы металловедения и термообработки

4.СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА СПЛАВОВ

Втехнике наибольшее распространение получили не чис­ тые металлы, а сплавы. Именно сплавы делают возможным соз­ дание материалов, обладающих требуемым комплексом физико­ механических свойств.

Сплавы состоят из двух или более элементов, называемых

компонентами. Например, в нелегированных сталях и чугунах

компонентами являются железо и углерод, в простых латунях - медь и цинк.

4.1.Фазы в металлических сплавах

Взависимости от типа физико-химического взаимодейст­ вия компонентов в сплавах могут образоваться следующие фа­ зы: жидкие растворы, твердые растворы, химические соедине­ ния. Фазами называют однородные части сплава, имеющие одинаковый химический состав, одинаковое физическое состоя­ ние и отделенные от остальных частей поверхностями раздела.

Твердыми растворами называются фазы, имеющие кристал­ лическую решетку одного компонента сплава растворителя, при этом атомы другого (других) компонента замещают часть атомов растворителя (твердый раствор замещения рис. 39, а) или разме­ щаются в междоузлиях кристаллической решетки (твердый рас­ твор внедрениярис. 39, б). Поскольку электронное строение и размеры атомов растворителя и растворенного компонентов различны, то при образовании твердого раствора кристаллическая решетка всегда искажается: при образовании твердого раствора замещения период решетки может увеличиваться или уменьшать­

ся в зависимости от соотношения атомных радиусов растворителя и растворенного компонента, а при образовании твердого раство­ ра внедрения период решетки растворителя всегда возрастает.

Рис. 39. Схема твердого раствора замещения (а) и внедрения (б)

Все металлы могут в той или иной степени растворяться друг в друге в твердом состоянии. Например, в А1 может рас­ творяться до 55 % Си, в Си - до 39 % Zn. В тех случаях, когда компоненты могут замещать друг друга в кристаллической ре­ шетке в любых соотношениях, образуется непрерывный ряд твердых растворов. Это возможно при одинаковом типе кри­ сталлических решеток, схожести строения валентной оболочки электронов в атомах и незначительном различии размеров ато­ мов (AR < 8-15 %) компонентов.

Твердые растворы внедрения образуются только в тех слу­ чаях, когда диаметр атома растворенного элемента невелик. Так, в металлах (в Fe, Mo, Сг и т.д.) по типу внедрения растворяются С (атомный радиус 0,77 À), N (0,71 À), Н (0,46 Â). Твердые раство­ ры внедрения могут быть только ограниченной концентрации.

В некоторых сплавах типа твердый раствор замещения при медленном охлаждении или длительном нагреве при определен­ ной температуре атомы компонентов занимают определенное положение, образуя так называемые упорядоченные твердые растворы (сверхструктуры - рис. 40). Образование сверхструк-

туры сопровождается изменением свойств сплава. Полное упо­ рядочение имеет место при постоянном отношении компонен­ тов в сплаве (ат. %) 1:1; 1:2; 1:3 и т.д., что дает основание срав­ нить сверхструктуру с химическим соединением, например CuAu, Cu3Au. Однако, в отличие от химических соединений, в сверхструктурах сохраняется кристаллическая решетка рас­ творителя, а при нагреве выше определенной температуры (точ­ ка Курнакова) твердый раствор становится неупорядоченным.

Рис. 40. Кристаллические решетки упорядоченных твердых растворов:

а- CuZn; б - CuAu; в - Cu3Au

Химические соединения обычно образуются между компо­ нентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток. Кристаллическая решетка химических соединений отличается от решеток компонентов, образующих соединение, а атомы в решетке расположены упо­ рядоченно. Состав химического соединения можно выразить формулой АпВт, где т и п - простые числа. Температура плав­ ления химического соединения постоянна, а его свойства резко отличаются от свойств компонентов.

4.2. Основные типы диаграмм состояний

двойных сплавов

Свойства сплавов прежде всего определяются фазовым со­ ставом и количественным соотношением фаз. Сведения об из­ менении фазового состава сплавов в зависимости от изменения концентрации и температуры могут быть получены из анализа диаграммы состояния.

Жидкий сплав компонентов, полностью растворимых друг в друге, представляет одну фазу. Однофазным является и твер­ дый сплав компонентов при концентрациях, не превышающих предел их растворимости друг в друге. В однофазном сплаве все зерна однородны.

Двухфазным является твердый сплав, состоящий из зерен, различающихся по химическому составу или по строению кри­ сталлической решетки. В неоднофазном сплаве фазами могут бьггь зерна чистого металла (одного из компонентов), зерна твердого раствора и зерна химического соединения.

Диаграмма состояния двухкомпонентных сплавов элемен­ тов А и В может быть построена экспериментально по результа­ там определения критических точек (температур фазового пере­ хода), получаемых на кривых охлаждения сплавов различной концентрации.

На рис. 41 показан пример построения одной из простей­ ших диаграмм - диаграммы состояния сплавов системы Ni - Си, дающих неограниченную растворимость друг в друге (образуют

непрерывный ряд твердых растворов). Диаграммы такого типа имеют также сплавы Aq - Au, Mo - V, Mo - W и др. Структура таких сплавов однофазная.

Рис. 41. Диаграмма состояния Си - Ni - пример неограниченной растворимости одного компонента в другом

Рассматривая кривые охлаждения и диаграмму состояния сплавов Ni - Си, отмечаем, что чистые Ni и Си плавятся и кри­ сталлизуются при постоянных температурах, а сплавы - в ин­ тервале температур «ликвидус - солидус» (с латыни означает «жидкий» и «твердый»).

Проследим процесс кристаллизации сплава с 60 % Ni и 40 % Си (кривая охлаждения в): при охлаждении выделению твердой фазы соответствует точка 1, при температуре которой состав об­ разующегося твердого раствора определяется точкой 2 (т.е. более богатого никелем, чем исходный жидкий сплав). При охлаждении сплава до температуры 1300 °С (точка 3) состав выделяющихся кристаллов будет соответствовать точке 5, а состав жидкой фа­ зы - точке 4. Количество твердой фазы к этому времени станет значительным, и соотношение жидкой и твердой фаз (Ж/T) при этой температуре будет пропорционально соотношению длины отрезков 3-4 и 4-3 (или Ж/Т = отрезок 3-5 / отрезок 4-3), пра­ вило отрезков.

В точке б на линии солидуса сплав полностью закристаллизу­ ется, и образовавшийся твердый раствор а будет соответствовать

составу исходного сплава (при медленном охлаждении и диффузи­ онном выравнивании состава образующихся дендритов).

Как видно из рис. 41, кристаллизация сплава при охлажде­ нии начинается с образования кристаллов твердого раствора

свысокой концентрацией наиболее тугоплавкого элемента - Ni,

ажидкий сплав обогащается менее тугоплавким элементом - Си. В результате твердый раствор получает химическую неод­ нородность внутри отдельных кристаллов, так называемую ден­ дритную ликвацию: оси дендритов обогащены тугоплавким

элементом, а межосные зоны - относительно легкоплавкими. Для устранения или уменьшения ликвации металла отливки

подвергают горячей деформации и высокотемпературному гомогенизационному отжигу.

На рис. 42 представлена диаграмма состояния сплавов, компоненты которых в кристаллическом состоянии ограниченно растворимы друг в друге и образуют эвтектику (смесь фаз, по­ лучающуюся при кристаллизации). Растворимость компонента

В в компоненте А (твердый раствор а) с повышением темпера­ туры увеличивается (линия РЕ), а растворимость компонента А в компоненте В (твердый раствор (3) не зависит от температуры (линия QF). Сплав состава I после завершения кристаллизации при температуре точки 2 сохраняет однофазную структуру при охлаждении до температуры точки 3. При дальнейшем пониже­ нии температуры равновесное содержание компонента В в твер­ дом растворе а уменьшается до предельного значения, соответ­ ствующего точке Р. Вследствие этого, согласно диаграмме со­ стояния, из твердого раствора а будет выделяться новая фаза - твердый раствор ри (символ П отмечает образование фазы не при кристаллизации, а при распаде твердого раствора, т.е. вторично). Конечная структура сплава I будет состоять из двух фаз а + Рп (рис. 42, а).

Рис. 42. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых ограниченно растворимы в твердом состоянии

и образуют эвтектику; схемы структур сплавов I, II, III, IV

Сплав III называется эвтектическим, т.е. кристаллизую ­

щимся одновременно в смесь фаз при постоянной, наиболее

центрации Е и F соответственно. Схема образую щ ейся структу­ ры показана на рис. 42, в как смесь равномерно чередую щ ихся между собой пластин фаз а и р .

Сплав доэвтектического состава П непосредственно после кристаллизации имеет структуру, состоящ ую из зерна а^-ф азы 57

и эвтектики. При последующем охлаждении до конечной темпе­ ратуры концентрация a -фазы изменяется до соответствующей точки Р с выделением из a -фазы частиц (32-фазы (рис. 42, б).

Структура заэвтектического сплава IV состоит из зерен (3-фазы, кристаллизующейся в интервале температур точек б и 7, и эвтекти­ ки, кристаллизующейся при температуре точки 7(рис. 42, г).

Примером сплавов компонентов, образующих при опреде­ ленной концентрации химическое соединение, могут быть сплавы Mg - Са, диаграмма состояния которых приведена на рис. 43. Хи­ мическое соединение M g ^ имеет определенный состав, отмечен­ ный на диаграмме состояния сплавов вертикальной линией, и оп­ ределенную температуру плавления. Эго соединение можно рас­ сматривать как самостоятельный компонент, дающий порознь с Mg и Са сплавы эвтектического типа без взаимной растворимости.

Рис. 43. Диаграмма состояния магний - кальций

Среди множества сплавов возможны различные типы более сложных диаграмм состояний: с перетектикой (рис. 44), с поли­ морфными превращениями в кристаллическом состоянии одно­ го (рис. 45, а) или обоих (рис. 45, б) компонентов и т.п.

Рис. 44. Диаграмма состояния сплавов,

образующих ограниченные твердые растворы

и претерпевающих перитектическое превращение

<А

Ва<г+Вр

Рис. 45. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых имеют полиморфные превращения: а - полиморфные превращения одного компонента; б - полиморфные превращения двух компонентов

и образование эвтектоида

Типичные микроструктуры некоторых реальных сплавов представлены на рис. 46.

Рис. 46. Типичные микроструктуры сплавов: а - твердый раствор (Си - Ni); б - твердый раствор меди в алюминии с выделением по границам зерен химического соединения (СиА12); в - смесь двух твердых растворов в сплаве Си + Zn (а + Р), полученных в результате перетектического превращения; г - эвтектика а + р с избыточными кристаллами а в сплаве Pb - Sb; д - эвтектика а + р;

е - эвтектика а + р с избыточными кристаллами р в сплаве РЪ - Sb (х250)