книги / Материаловедение.-1

ТЕМА 3. ОСНОВЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ

3.1. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ

Сплавом называется твердое вещество, обладающее всеми признаками металлов и состоящее из двух и более химических элементов. Компонентами сплава могут быть металлы и неметаллы, но основу всегда составляет металлический элемент.

Структура сплавов, формирующаяся в результате кристаллизации, более сложная, чем у чистых металлов, и зависит от того, как взаимодействуют друг с другом компоненты. Для описания структуры используют понятие структурной состав-

ляющей. Структурная составляющая – это обособленная часть сплава, имеющая при рассмотрении под микроскопом однообразное строение. К однофазным структурным составляющим (однородным по составу, строению и свойствам) относятся кристаллы чистых компонентов, твердых растворов и химических соединений. Кроме однофазных структур, в сплавах часто встречаются двухфазные составляющие, которые представляют собой хорошо перемешанную смесь разных кристаллов: двух чистых компонентов, чистого компонента и твердого раствора, двух твердых растворов и т.д.

Кристаллы чистых компонентов образуются в том случае, когда химические элементы, входящие в состав сплава, практически не взаимодействуют друг с другом. Если между компонентами сплава происходит диффузия, т.е. взаимное проникновение атомов, то кристаллы чистых компонентов не образуются, а возникают новые фазы – твердые растворы и (или) химические соединения.

Твердый раствор – это кристаллическая фаза, имеющая решетку элемента-растворителя, в узлах или междоузлиях кото-

21

рой располагаются атомы растворенного элемента. Соответственно, различают твердые растворы замещения и внедрения.

Твердые растворы замещения могут быть неограниченными (например, медь – золото) либо ограниченными (например, алюминий – медь). Предел растворимости для ограниченных твердых растворов может изменяться при изменении температуры; обычно при нагреве растворимость увеличивается. Твердые растворы внедрения образуются в системах металл – неметалл при соотношении атомных радиусов ra/rв < 0,59 и всегда являются ограниченными из-за больших искажений кристаллической решетки. Твердые растворы – основные фазы в сплавах, так как они пластичны, хорошо обрабатываются давлением и резанием, а прочность их выше, чем у чистых металлов.

Химические соединения относятся к промежуточным фазам, характерным признаком которых является собственная кристаллическая решетка, и отличаются от других соединений этой группы постоянным химическим составом (концентрацией). В соединении всегда сохраняется простое кратное весовое соотношение элементов, что позволяет выразить их состав формулой АnВm, где А и В – соответствующие элементы; n и m – простые числа. В отличие от твердых растворов химические соединения обычно образуются между элементами, имеющими большое различие в строении атомов или кристаллических решеток. Химические соединения, как правило, обладают высокой температурой плавления, большой твердостью и прочностью, но значительной хрупкостью, так как в них преобладает ионный или ковалентный тип связи, а не металлический.

диаграммы состояния (рис. 8), которые характеризуют процессы затвердеванияи структурные изменения сплавов данной системы.

По диаграммам можно получить представление о структуре любого сплава в равновесном состоянии. Рассмотрим в качестве примера диаграмму состояния сплавов системы висмут – кадмий (рис. 9), компоненты которой не взаимодействуют друг

22

с другом в твердом состоянии. Область существования жидкой фазы (расплава) ограничена верхней ломаной линией диаграммы, соединяющей точки плавления висмута и кадмия через точку Е. В этой точке сплав, содержащий 60 % Cd и 40 % Bi, имеет одинаковые температуры ликвидуса и солидуса. Все остальные сплавы данной системы плавятся и затвердевают в пределах температурного интервала, который снизу ограничен горизонтальной линией солидуса. Сплав, отвечающий составу точки Е, называется эвтектическим (эвтектика в переводе с греческого означает «легкоплавкая»). В общем случае эвтектикой называют смесь двух и более видов кристаллов, одновременно кристаллизующихся из расплава. В системе Bi – Cd структура эвтектического сплава представляет собой смесь

сплавы, содержащие менее 60 % кадмия, состоят из кристаллов висмута и эвтектики, а заэвтектические – из кристаллов кадмия и эвтектики. Чем ближе состав конкретного сплава к эвтектическому, тем больше количество эвтектики в его структуре. Аналогичные диаграммы состояния имеют сплавы систем Zn – Sn, Pb – Ag, Ni – Cr, Cr – Mn, Cu – Bi, Al – Si, Pb – Sb.

3.2. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ

Основоположником учения о связи диаграмм состояния со свойствами сплавов является академик Н.С. Курнаков. В общем виде зависимость свойств от химического состава сплава (типа диаграммы) приведена на рис. 10.

Всплавах, компоненты которых не растворяются друг

вдруге и не образуют химических соединений, свойства изменяются в основном прямолинейно. В сплавах, имеющих структуру твердых растворов, свойства изменяются по криволиней-

24

ной зависимости, т.е. более существенно, чем для сплавов, имеющих структуру смеси кристаллов. При образовании химических соединений на графике отмечается характерный перелом. Это объясняется тем, что химические соединения обладают индивидуальными свойствами, обычно резко отличающимися от свойств образующих их компонентов.

Рис. 10. Зависимость свойств от состава сплава (вида диаграммы состояния)

Закономерности, обнаруженные Н.С. Курнаковым, являются основой при разработке составов сплавов с заданными свойствами. Следует отметить, что указанные закономерности справедливы для оценки не только механических, но и физических, а также многих технологических свойств сплавов. Так, например, для системы А – В, диаграмма состояния которой представлена на рис. 11, можно следующим образом прогнозировать свойства сплавов по сравнению с заранее известными свойствами чистых компонентов:

а) твердость, прочность и электросопротивление твердых растворов α и β выше, чем у чистых металлов (кривые 1 и 2, отрезки аб и вг);

25

б) электропроводность и температурный коэффициент электросопротивления у твердых растворов ниже, чем у чистых металлов (кривые 3 и 4, отрезки аб и вг);

в) литейные свойства лучше у эвтектического сплава (кривые 5 и 6).

Рис. 11. Зависимость свойств сплава от состава при образовании ограниченных твердых растворов: 1 – предел прочности; 2 – электросопротивление;

3 – электропроводность; 4 – температурный коэффициент электросопротивления; 5 – жидкотекучесть;

6 – объемная усадка

26

Известно, что технологические литейные свойства, определяющие способность сплава при затвердевании давать высококачественные слитки или отливки, зависят от жидкотекучести, склонности к образованию трещин внутри и на поверхности слитков, возможности формирования концентрированной усадочной раковины.

Жидкотекучесть – это способность расплава заполнять литейную форму сложной конфигурации. Чем больше температурный интервал кристаллизации, тем ниже жидкотекучесть; одновременно увеличивается склонность образовывать трещины и мелкую пористость, рассеянную по всему объему отливки, что нередко выводит литье в брак. В связи с этим однофазные сплавы со структурой твердого раствора, особенно сплавы, составы которых находятся близко к предельным точкам С и D, обладают плохими литейными свойствами и непригодны для фасонного литья. Однако эти сплавы имеют высокое сопротивление корро-

зии и хорошую технологическую пластичность, необходимую для изготовления деталей методами обработки металлов давлением (прокатка, прессование, ковка и др.). Пластичность сильно понижается при появлении в структуре эвтектики.

Таким образом, диаграммы состояния позволяют на научной основе предвидеть поведение сплавов и выбирать материалы в зависимости от их назначения.

27

ТЕМА 4. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО – ЦЕМЕНТИТ

Основой науки о стали и чугуне является диаграмма системы сплавов железо – углерод. Железо с углеродом образуют три химических соединения: Fe3C, Fe2C, FeC. Однако практическое значение имеют сплавы, содержащие не более 5 % углерода, поэтому рассматривают лишь первую часть общей диаграммы – систему железо – цементит (рис. 12).

Рис. 12. Диаграмма состояния железо – цементит (в упрощенном виде)

28

В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие структурные составляющие:

♦Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода

вα-железе, кристаллическая решетка ОЦК. Растворимость углерода в α-железе мала (область на диаграмме GPQ). Механи-

ческие свойства: σв = 250 Н/мм2; σ0,2 = 120 Н/мм2; δ = 50 %; KCU = 2,5 МДж/м2; твердость – 80 НВ.

♦Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода

вγ-железе. Он имеет решетку ГЦК, межатомные поры в которой больше, чем в ОЦК-решетке, поэтому растворимость углерода

в γ-железе значительно больше (область на диаграмме GSE) идостигает 2,14 % при 1147 °С. Аустенит пластичен (δ = 40–50 %), но прочнее феррита (160–200 НВ).

♦ Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа Fe3C, содержит 6,67 % углерода. Цементит твердый (≈800 НВ) и хрупкий.

♦ Перлит (П) – двухфазная структура, состоящая из феррита и цементита (эвтектоид), содержит 0,8 % углерода. Перлит может быть пластинчатым или зернистым в зависимости от формы цементита (пластинки или глобулярные частицы). Свойства зернистого перлита: σв = 800 Н/мм2; δ = 15 %; твердость – 160 НВ. Пластинчатый перлит имеет твердость до 200 НВ. Чем грубее и крупнее выделения цементита, тем хуже механические свойства перлита.

♦ Ледебурит (Л) – эвтектика, образуется во время затвердевания расплава при температуре 1147 °С, содержит 4,3 % углерода. Различают высокотемпературный ледебурит (смесь аустенита и цементита) и низкотемпературный ледебурит (смесь перлита и цементита). Ледебурит имеет твердость 600 НВ и высокую хрупкость.

Сплавы с содержанием углерода до 2,14 % называют сталями, а от 2,14 до 6,67 % углерода – чугунами. Стали при нагре-

29

ве можно перевести в однофазное состояние, которое обладает высокой пластичностью. В связи с этим стали в горячем состоянии хорошо поддаются обработке давлением: прокатке, ковке, штамповке. Чугуны при нагреве не дают однофазной структуры вплоть до плавления. Ледебуритная эвтектика, присутствующая в структуре, затрудняет обработку резанием и давлением. В то же время наличие эвтектики улучшает литейные свойства, поэтому чугуны относятся к литейным материалам.

С помощью диаграммы железо – цементит можно определитьфазовый состав и структуру сталей и чугунов, а также описать превращения, происходящиевлюбомсплавепризатвердевании.

Пример. Для сплава, содержащего 1,8 % углерода, определить процентное содержание углерода в фазах и количественное соотношение фаз при температуре 850 °С.

Решение. Для решения этой задачи найдем на рис. 12 точку О, соответствующую заданному составу и температуре. В структуре сплава в этих условиях будут две однофазные составляющие, т.е. две фазы: аустенит и цементит. Для определения состава и количества фаз при рассматриваемой температуре необходимо через данную точку провести горизонтальную линию, параллельную оси концентрации, до пересечения с ближайшими сплошными линиями диаграммы состояния (линия ES и вертикальная ось). Эта линия называется конодой. Точка пересечения коноды с линией ES, спроектированная на ось концентраций, показывает состав аустенита (концентрацию углерода в аустените), а точка пересечения с вертикальной осью – состав цементита. Таким образом, в аустените содержится 1,5 % С, в цементите – 6,67 % С.

Для определения количественного соотношения фаз воспользуемся правилом отрезков. Конода делится конкретным составом сплава на два отрезка. Для определения количества аустенита нужно взять отношение длины отрезка, противоположное составу данной фазы, к длине всей коноды:

–количество аустенита = ON / MN · 100% = (6,67– 1,8) / (6,67– 1,5) ×

×100%=94%;

–количество цементита = 100 % – 94 % = 6 %.

30