Документ 793159

Лекция 3
СВОЙСТВА СПЛАВОВ. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ
Чистые металлы редко используются в практике (кроме меди и алюминия, которые используют в
качестве проводников электричества). Кроме того, что чистый металл очень трудно получить
(космические технологии позволяют это сделать), оказывается, что их механические и
технологические свойства не отвечают требованиям техники. Технологические свойства – это
ковкость, литейные свойства, обрабатываемость режущим инструментом – то есть способность
материала к той или иной обработке, технологии, то есть можно ли и легко ли из этого материала
изготовить деталь тем или иным способом. Оказывается, сплавы обладают лучшими
механическими и технологическими свойствами, из-за чего они широко применяются в технике.
Металлическим сплавом называется вещество, состоящее из двух и более компонентов (металлов
и неметаллов – O, S, P, Si), получаемое сплавлением, а также спеканием, электролизом и даже
возгонкой.
Компоненты сплавов в большинстве случаев в жидком состоянии полностью растворимы друг в
друге, то есть представляют собой жидкий раствор, в котором атомы различных компонентов
более или менее равномерно перемешаны друг с другом. В твёрдом виде сплавы образуют
твёрдые растворы, химические соединения, механические смеси.
1. Твёрдый раствор – во многих сплавах при кристаллизации (при переходе в твёрдое
состояние) сохраняется однородность распределения атомов различных компонентов, то есть
сохраняется растворимость. Микроструктура твёрдого раствора представляет собой совершенно
однородные и одинаковые по составу зёрна и похожа на структуру чистого металла –
кристаллическая решётка у компонентов одинакова, но в чистом металле все узлы заняты
атомами одного элемента, а в твёрдом растворе атомами разных компонентов, образующих этот
твёрдый раствор – такой раствор называется твёрдым раствором замещения. Атомы растворённого компонента также могут располагаться внутри кристаллической решётки компонента –
растворителя – тогда такой раствор называется твёрдым раствором внедрения.
Растворимость в твёрдом состоянии может быть неограниченной и ограниченной. Растворимость
твёрдого раствора, полученного при любом количественном соотношении компонентов,
называется неограниченной (вода + сироп, вода + спирт, вода + сок). Если один компонент
растворяется в другом до определённого количественного соотношения, то такая растворимость
называется ограниченной (вода + соль NaCl – насыщенный раствор).
2. Химическое соединениие – иногда разные металлы или металлы и неметаллы образуют
особого вида химические соединения, которое обозначают АmВn – то есть на m атомов
компонента А приходится n атомов компонента В. При этом химические соединения имеют
кристаллическую решётку, отличающуюся от кристаллических решёток образующих
компонентов А и В. Состав химического соединения является постоянным, то есть при нагреве и
охлаждении не меняется, а свойства химического соединения могут сильно отличаться от
свойств исходных компонентов. Пример такого химического соединения – Fe3C, называемое
цементитом или карбидом железа. В цементите 6,67 % углерода (атомный вес железа – 56,
углерода – 12, тогда Fe3C весит 56 * 3 + 12 = 180; на углерод приходится 12  180 . 100 % =
6,67 %).
3. Механическая смесь – если компоненты сплава в твёрдом состоянии не растворяются друг в
друге и не образуют друг с другом химического соединения, то при кристаллизации сплава из
атомов каждого компонента образуется отдельная кристаллическая решётка и зёрна
компонентов, входящих в сплав, образуют механическую смесь (например, кристаллы речного
песка и дробь, речного и сахарного песка).
Понятие о диаграмме состояния сплавов
Диаграммой состояния называется графическое изображение фазового состояния сплавов в
зависимости от температуры и концентрации.
Познакомимся с основными понятиями:
– компонент (от латинского «составляющий») – вещество, образующее сплав, компонентами
могут быть как отдельные элементы (металлы Fe и неметаллы С) так и устойчивые химические
соединения (Fe3C);
– фаза – однородная по химическому составу и кристаллическому строению часть системы,
отделённая от других частей поверхностью раздела (это, например, жидкие и твёрдые растворы,
химические соединения и др.).
Диаграмму состояния строят в координатах «температура – концентрация». Мы будем рассматривать простейшие двухкомпонентные сплавы, например, состоящие из компонентов А и В.
Тогда состав сплава будет характеризоваться точкой на отрезке прямой, принятом за 100 %.
Крайние точки А и В соответствуют стопроцентному составу чистых компонентов.
t
t
t плавления
вещества В
t плавления
вещества А
А
100 % в-ва А
0 % в-ва В
С
D
В
100 % в-ва В
0 % в-ва А
Любая точка на отрезке АВ характеризует состав двойного сплава:
точка С – 25 % В и 75 % А
точка Д – 60 % В и 40 % А.
Для построения диаграммы состояния из компонентов изготовляют серию сплавов различного
состава и для каждого из них строят кривую охлаждения: компоненты в необходимом процентном соотношении помещают в тигель (сосуд типа горшка из огнеупорных или тугоплавких
материалов) и нагревают до жидкого состояния.
В расплавленный сплав помещают термопару (2 проволоки из разных металлов или сплавов
сварены с одного конца, свободные концы проволок присоединяют к гальванометру с температурной шкалой. При нагреве сваренных концов в месте сварки возникает термо-ЭДС, величина
которой прямо зависит от температуры спая. Термо-ЭДС воздействует на гальванометр,
заставляя его стрелку отклоняться). Температуру, измеряемую таким способом, регистрируют
через определённые промежутки времени, затем строят эту зависимость в координатах «темпера-
тура (У) – время (Х)». Затем с этой кривой охлаждения берут критические точки каждого сплава
и переносят их на диаграмму состояния.
В зависимости от характера образующегося в сплавах строения (механическая смесь, твёрдый
раствор, химическое соединение) различают следующие основные типы диаграмм состояния:
1. случай полной нерастворимости компонентов в твёрдом состоянии (механическая смесь);
2. случай неограниченной растворимости компонентов в твёрдом состоянии;
3. случай ограниченной растворимости компонентов в твёрдом состоянии;
4. случаый, когда компоненты образуют химическое соединение.
Рассмотрим их подробнее.
1. Случай, когда компоненты обладают неограниченной растворимостью в жидком состоянии, а в
твёрдом не растворяются друг в друге, то есть образуют механическую смесь. Каждый из
компонентов имеет свою температуру плавления (она же затвердевания).
Температура затвердевания сплавов промежуточного состава, казалось бы, будет располагаться
где-то между температурой плавления А и температурой плавления В. Это не так.
t
t
t плавления
вещества В
t плавления
вещества А
А
100 % в-ва А
0 % в-ва В
Эвтектика
В
100 % в-ва В
0 % в-ва А
Оказывается, для любых компонентов имеется определённое процентное соотношение этих
компонентов, при котором образуется совершенно особая механическая смесь, называемая
эвтектикой (от греческого слова «легкоплавящийся»), которая обладает следующими
свойствами:
1) твёрдая эвтектика – это высокодисперсная (то есть состоящая из мельчайших частиц кристаллов) смесь кристаллов А и В,
2) температура её затвердевания ниже минимальной температуры плавления (в данном случае
вещества А),
3) плавится и затвердевает эвтектика при одной температуре (эвтектической температуре),
4) состав жидкой эвтектики такой же, как состав твёрдой эвтектики (эвтектический состав).
Все другие сплавы затвердевают в интервале температур – от температуры ликвидуса (то есть
начала затвердевания) до температура солидуса (то есть конца затвердевания). Если объединить
все температуры начала застывания разных сплавов и все температуры конца застывания разных
сплавов, получим линии ликвидуса и солидуса. При этом выше линии ликвидуса расплав
находится в жидком состоянии, ниже линии солидуса – сплав в твёрдом состоянии, между
линиями – смесь жидкой фазы и начинающих кристаллизоваться компонентов А и В.
Кристаллизация идёт до тех пор, пока состав жидкой фазы не станет эвтектическим, тогда
происходит затвердевание эвтектики и окончательный состав твёрдого сплава – механическая
смесь эвтектики и кристаллов чистого компонента А и В. Если температура солидуса для разных
сплавов есть величина постоянная, то температура ликвидуса - изменяющаяся, так как зависит от
концентрации сплава (добавка одного компонента понижает температуру плавления другого
компонента).
2. Случай, когда компоненты неограниченно растворимы друг в друге в твёрдом состоянии.
Диаграмма имеет такой вид:
уса
квид
и
л
я
лини
t
t
t плавления
вещества В
t плавления
вещества А
я со л
лини
а
идус
В
А
100 % в-ва А
0 % в-ва В
100 % в-ва В
0 % в-ва А
Структура сплавов всех концентраций однородна, это твёрдые растворы одного компонента в
другом - . Получается ряд сплавов переменной концентрации.
3. Ограниченная растворимость компонентов.
Характерная особенность – наличие линий ограниченной растворимости. «Ограниченно растворим» означает, что до концентраций (.) 1 компонент В растворяется в А, а дальше – нет, поэтому
диаграмма как бы распадается на две части – до (.) 1 диаграмма имеет вид неограниченной
растворимости, после (.) 1 – полностью нерастворим, диаграмма как у механической смеси. Точка
(.) 2 – сплав эвтектической концентрации.
t
t плавления
t
t плавления
вещества А
вещества В
E
А
S 1
100 % в-ва А
0 % в-ва В
2
В
100 % в-ва В
0 % в-ва А
Все сплавы с концентрацией вещества В ниже (.) S являются твёрдыми растворами до полного
охлаждения. Сплавы с концентрацией от (.) S до (.) 1 выше линии SЕ – твёрдые растворы 
(твёрдые растворы одного компонента в другом), а ниже SЕ из раствора  начинают выделяться
кристаллы компонента В, так как понижается растворимость В в А. Эти кристаллы В называются
вторичными. Процесс выделения вторичных кристаллов из твёрдого раствора называют
вторичной кристаллизацией, в отличие от выделения кристаллов из жидкой фазы (первичная
кристаллизация). Эвтектика есть смесь кристаллов  + ВI. При понижении температуры ниже tEC
растворимость В в А понижается, поэтому при понижении температуры из твёрдого раствора 
правее линии SЕ, значит, в области между (.) 1 и (.) 2, также будут выделяться кристаллы В,
также вторичные, в отличие от области (.) 2 ÷ 100 % В, где выделяются первичные кристаллы В.
4. Химическое соединение – по сути дела диаграмма сплавов веществ А и В состоит из двух
диаграмм состояния – вещество А с химическим составом АmBn и вещество В с химическим
составом АmBn.
Свойства сплавов
Свойства сплавов зависят от взаимодействия компонентов А и В, то есть от того, какая в них
получается структура. Диаграммы состояния характеризуют взаимодействие компонентов и
показывают, какая структура получается в зависимости от состава сплава. Между свойствами и
типом диаграммы состояния существует связь (эти вопросы изучал академик Курнаков). Связи
свойств сплавов с типом диаграммы состояния изображены внизу схематически: верхний
рисунок изображает соответствующую диаграмму состояния, на нижнем рисунке показано, как
изменяются разные свойства сплавов промежуточных концентраций.
1
2
3
Рис. 1. При образовании механической смеси свойства сплавов изменяются прямолинейно.
Рис. 2. При образовании твёрдых растворов свойства меняются по плавным кривым.
Рис. 3. Свойства сплавов разные при разных концентрациях.
Наилучшими технологическими свойствами обладают эвтектические сплавы. Диаграммы
состояния позволяют предвидеть поведение сплавов, выбирать оптимальные концентрации
сплавов в зависимости от их назначения.
Вопросы для подготовки
1. Почему в практике чаще используются сплавы, чем чистые металлы?
2. Как связаны свойства химических соединений со свойствами компонентов, их
образующих?
3. Сплавы какого состава плавятся?
4. Какие свойства металлов называются технологическими?
5. Что такое механическая смесь?
6. Меняется ли состав эвтектики при кристаллизации?
7. Что такое металлический сплав?
8. В каком случае образуется механическая смесь?
9. Что такое температура ликвидуса?
10. Что представляет собой сплав в жидком состоянии?
11. Какова кристаллическая структура механической смеси?
12. Каково состояние (фазовый состав) сплава выше линии ликвидуса?
13. Что называется компонентом сплава?
14. В случае какой растворимости компонентов друг в друге образуется механическая смесь?
15. Как отличается температура плавления эвтектики от компонентов плавления компонентов
сплава?
16. Какие кристаллические структуры образуют сплавы в твердом виде?
17. Может ли химическое соединение быть компонентом сплава?
18. Что такое линия ликвидуса?
19. Что такое трехкомпонентный сплав?
20. Что называется в металловедении фазой?
21. Каково состояние сплава ниже линии солидуса?
22. Что такое твердый раствор?
23. Что такое концентрация вещества в растворе?
24. Какова кристаллическая структура эвтектики?
25. Что такое кристаллизация?
26. В каких координатах строят диаграмму состояния?
27. Что такое температура солидуса?
28. Какой сплав называют пятикомпонентным?
29. Каково состояние сплава между линиями ликвидуса и солидуса?
30. Какой сплав обладает лучшими технологическими свойствами?
31. Какова микроструктура твердого раствора?
32. Как определяется концентрация сплава на диаграмме состояния?
33. Что за процесс идет в сплаве в области между линиями ликвидуса и солидуса?
34. Какая бывает растворимость металлов друг в друге?
35. Как строят диаграмму состояния?
36. Что такое линия солидуса?
37. Как зависит растворяемость от температуры?
38. Каким образом измеряют температуру сплава?
39. Каков состав твердого сплава на линии солидуса?
40. Что такое твердый раствор замещения?
41. По каким точкам с кривой охлаждения строят диаграмму состояния?
42. Как меняется температура ликвидуса на диаграмме состояния нерастворимы друг в друге
компонентов?
43. Что называется химическим соединением металлов?
44. Какие основные типы диаграмм состояния вы знаете?
45. Каково состояние сплава ниже линии ликвидуса?
46. Что такое растворимость металлов друг в друге?
47. Что такое термопара?
48. Что такое твердый раствор внедрения?
49. Как меняется температура солидуса на диаграмме состояния нерастворимы друг в друге
компонентов?
50. Нарисуйте диаграмму состояния полной нерастворимости компонентов друг в друге.
51. Какова структура сплавов компонентов, неограниченно растворимых друг в друге, в
твердом состоянии?
52. Укажите на диаграмме состояния компонентов, ограниченно растворимых друг в друге,
линию ограниченной растворимости.
53. Какова кристаллическая решетка химического соединения металла?
54. Нарисуйте диаграмму состояния полной растворимости компонентов друг в друге.
55. Какова кристаллическая решетка твердого раствора замещения?
56. Нарисуйте диаграмму состояния частичной растворимости компонентов друг в друге.
57. Какие кристаллы называются первичными? Вторичными?
58. Что такое неограниченная растворимость металлом друг в друге?
59. Нарисуйте диаграмму соединения химического соединения.
60. В каком состоянии находится сплав выше линии солидуса?
61. Как меняется состав химического соединения при изменении температуры?
62. Что такое эвтектика?
63. Что такое первичная кристаллизация?
64. Какая кристаллическая решетка у твердого раствора внедрения?
65. Какими свойствами обладает эвтектика?
66. Как меняются свойства сплавов из компонентов, не растворяющихся друг в друге?
67. Что такое цементит?
68. Что такое эвтектическая температура?
69. Что такое вторичная кристаллизация?
70. Что такое ограниченная растворимость металлов друг в друге?
71. Какой состав называется эвтектическим?
72. Как меняются свойства сплавов компонентов, неограниченно растворяющихся друг в
друге?