Лекція №29

Навчальні питання:

1. Загальні відомості про сплави.

2. Діаграма стану подвійних сплавів.

Навчальне питання 1. Загальні відомості про сплави.

Металевими сплавами називають сполуки, які добувають сплавлянням (іноді спіканням) металів з металами або неме­талами. У сплавів зберігаються високі тепло і електропровід­ність, ковкість і інші металеві властивості. Будова сплавів складніша за будову чистих металів, тому властивості сплавів значно відрізняються від властивостей чистих металів. Наприк­лад, залізо має границю міцності близько 250 Мн/м³ (25 кГ/мм²), а сплави на його основі — до 2000 Мн/м² (200 кГ/мм²) і вище. Залізо і нікель — метали феромагнітні, а сплав заліза з 25% Ni не має цієї властивості. Сплав, який складається з 50% Ві, 25% Рb, 12,5% Sn і 12,5% Сd, плавиться при температурі 68°С, тоді як найбільш легкоплавкий з його компонентів (Sn) має температуру плавлення 231,9°С. Усі ці приклади не тільки виявляють можливість зміни властивостей металів при сплавлянні їх з іншими елементами, а й свідчать про потребу всебічного вивчення сплавів для раціонального використання їх у різних галузях сучасної техніки.

Фази І структурні складові в сплавах. У рідкому стані біль­шість сплавів однорідна і у фізико-хімічному розумінні є одні­єю фазою. Після затвердіння в сплаві може сформуватися кілька фаз.

Якщо компоненти сплаву при твердінні розчиняються один в одному, то утворюються так звані тверді розчини. При цьому атоми розчинного компонента або заміщують атоми роз­чинника в його кристалічній решітці, або проникають у неї.

Заміщення одних атомів іншими в кристалічній решітці може бути необмеженим і обмеженим. Необмежене заміщення (необмежена розчинність) можливе, якщо в компонентів сплаву однакові кристалічні решітки і невелика відмінність у розмірах атомів (до 15%), інакше заміщення атомів спричинить надмір­не викривлення кристалічної решітки розчинника і в певний момент дальша розчинність виявиться неможливою — настане границя розчинності. Для різних комбінацій металів ця границя змінюється від часток до десятків процентів. Наприклад, цинк у магнію розчиняється до 1,4, а в міді — до 39%; мідь і нікель, золото і срібло та деякі інші метали мають необмежену роз­чинність один в одному.

Тверді розчини проникнення утворюються звичайно при взаємодії металів і неметалів (наприклад, розчин вуглецю в залізі).

Якщо при твердінні компоненти сплаву не взаємодіють один з одним, то утворюється механічна суміш зерен кож­ного з компонентів. Наприклад, сплав свинцю з сурмою після твердіння являє собою суміш двох фаз — зерен свинцю і сурми. Механічна суміш деяких сплавів може складатись і з більшої кількості різних фаз; звичайно, кожна з них зберігає свій тип кристалічної решітки.

Ряд компонентів при твердінні можуть вступати в хімічну взаємодію і утворювати хімічні сполуки як металів з неметалами, так і тільки металів.

Хімічні сполуки металів з неметалами (оксиди, сульфіди та ін.) мають особливий тип кристалічної решітки, цілком пев­ний склад, а також характерні фізико-механічні властивості (високу твердість, підвищену крихкість). У сплавах вони зви­чайно перебувають у вигляді включень.

Сполуки металів з металами характеризуються змінним складом. Наприклад, у сполуці FeCr вміст хрому може змінюва­тись від 20 до 60%. Недодержання закону постійності складу істотно відрізняє їх від звичайних хімічних сполук. Тому їх Іноді називають не хімічними, а металевими сполуками.

Отже, фазами в сплавах бувають тверді розчини, чисті ком­поненти, хімічні і металеві сполуки. Комбінації цих фаз можуть утворювати різні структурні складові сплаву, які спостерігають­ся під мікроскопом як однотипні. Структурні складові, а отже і сплави, можна поділити на одно і багатофазні.

Навчальне питання 2. Діаграма стану подвійних сплавів.

Залежність агрегатного або фазового стану сплавів від їх складу і температури встановлюють експериментально за до­помогою термічного аналізу — визначення критичних точок перетворень за кривими нагрівання (охолодження). У ряді ви­падків для визначення критичних точок поряд з термічним ана­лізом застосовують інші методи дослідження (металографіч­ний; рентгеноструктурний та ін.). За дослідними даними буду­ють так звані діаграми стану, які відображають зв’язок між станом сплавів, їх складом і температурою, а також фазові перетворення, що відбуваються в сплавах при нагріванні й охо­лодженні. .

Діаграма стану при повній взаємній розчинності компо­нентів. За цією діаграмою затвердівають сплави, компоненти яких необмежено розчиняються один в одному. Порядок побу­дови і саму діаграму стану такого типу розглянемо на прикладі сплавів, компонентами яких є метали А і В (рис. 7).

На рис. 7, а наведено криві охолодження чистих металів А і В, а також сплавів І (70%А +30%В) і II (20%А + 80%В). Чисті метали, як бачимо, мають по одній, а сплави—по дві критичні точки. Вище точок 1, 2, 4, 6 чисті метали і їх сплави перебувають у рідкому, а нижче точок 1, 3, 5, 6-у твердому стані. Отже, сплави 1 і II, на відміну від їх компонентів — чи­стих металів А і В, затвердівають не при сталій температурі, а з інтервалі температур відповідно між точками 2—З і 4—5.

Діаграму стану подвійних сплавів будують у двох вимірах ,(рис. 7, 6): по вертикальній осі відкладають температуру, а по горизонтальній осі, яку називають віссю концентрацій,— склад сплавів. При цьому зліва направо кількість компонента А в сплаві зменшується від 100 до 0%, а компонента В збільшуєть­ся від 0 до 100%. Отже, крайній лівій ординаті відповідає чи­стий компонент А, крайній правій — компонент В, а проміжній між ними точці (ординаті) — певного складу сплав. При побу­дові діаграми саме в цих точках ставлять вертикалі для кож­ного з досліджуваних сплавів (у розглядуваному випадку — І і ІІ). Підготувавши таке поле для побудови діаграми, на вер­тикалі переносять відповідні експериментальні критичні точки з кривих охолодження.

Сполучивши точки аналогічних перетворень, дістають лінії, що розмежовують зони однакових фаз. Ці зони в сукупності і являють собою діаграму стану досліджуваних сплавів. У роз­глядуваному випадку точки аналогічних перетворень — це точки початку (2'4') і закінчення (3', 5') твердіння сплавів. Чисті компоненти А і В затвердівають при сталій температурі, тому початок і кінець твердіння в них відображається однією кри­тичною точкою (відповідно 1' і 6').

Лінію, що сполучає точки твердіння сплавів, називають ЛІ­НІЄЮ ліквідує(від латинського liquidus—рідкий), а лінію, яка Сполучає точки закінчення твердіння сплавів, — лінією солідус (solidus—твердий). Між цими лініями сплави складаються з двох фаз — твердої і рідкої.

Сплав І починає затвердівати в точці 2', виділяючи кри­стали твердого розчину (позначимо його α) компонента В в А. При дальшому охолодженні кристали а-розчину ростуть за рахунок рідкої фази. У точці 3' на лінії солідус твердіння спла­ту закінчується, після чого він має однофазну структуру, що Складається з зерен твердого розчину. При нагріванні цей сплав Зазнає перетворень у зворотній послідовності. Сплав II у точ­ках 4' і 5' зазнає аналогічних перетворень.

Відповідно до діаграми стану розглянутого типу кристалі­зуються сплави заліза з нікелем, міді з золотом, сурми з віс­мутом та ін.

Діаграма стану при нерозчинності компонентів (рис. 8).

Лінія ліквідує на такій діаграмі — це лінія АСВ, а солідус— DCF..

Розгляд процесів твердіння і структур сплавів цієї системи краще почати із сплаву II, що має одну критичну точку С. Цей сплав затвердівае при сталій температурі, утворюючи кристали обох компонентів. Тому після твердіння структура сплаву — це суміш дрібних зерен компонентів А і В. Вона називається ев­тектичною сумішшю, або евтектикою (Е).

Евтектика утворюється в сплавах при цілком певному спів­відношенні компонентів, у нашому випадку — при концентрації, що визначається точкою С. Тому цю точку називають евтектич­ною, а сплав з евтектичною концентрацією компонентів, а отже, і з евтектичною структурою, — евтектичним сплавом. На відмі­ну від інших сплавів цієї системи, евтектичний сплав затвердіває не в інтервалі температур, а при сталій температурі, до то­го ж мінімальній. Сплави, розташовані ліворуч від евтектичної точки, називаються доевтектичними, а праворуч — заевтектичними.

Твердіння доевтектичного сплаву І починається на лінії лік­відує у точці 1 випаданням кристалів надлишкового компонен­та А. Тому в інтервалі між точками 1 і 2 (між лініями ліквідує і солідус) рідкий сплав, що залишився, збіднюється компонен­том А і відповідно збагачується компонентом В. При темпе­ратурі точки 2 сплав складається з кристалів компонента А і рідини евтектичної концентрації, яка затвердівае з утворенням евтектики, тому лінію DCF ще називають лінією евтектичного перетворення. Кристали компонента, що виділилися раніше, не зазнають при цьому ніяких змін.

Отже, доевтектичні сплави після твердіння складаються з двох структурних складових — кристалів компонента А і евтек­тики Е. Очевидно, що чим ближче до евтектичного буде за своїм складом доевтектичний сплав, тим більше в його струк­турі буде евтектики.

Процес твердіння заевтектичних сплавів відрізняється від описаного лише тим, що в ньому на лінії ліквідує (точка 3) починають випадати кристали компонента В. Тому після оста-точного твердіння (точка 4) структура цих сплавів складається з кристалів компонента В і евтектики Е.

Відповідно до цієї діаграми стану тверднуть сплави свинцю з сурмою, олова з цинком, вісмута з кадмієм та ін.

Діаграма стану при обмеженій розчинності компонентів [(рис. 9). Випадок повної нерозчинності компонентів, який було розглянуто вище, трапляється порівняно рідко. Звичайно вони частково розчиняються один в одному. Тому на діаграмі стану сплавів з обмеженою розчинністю біля ординати, що відповідає компоненту А, міститься зона α-твердого розчину, який є роз­чином компонента В в компоненті А. Тут АСВ — лінія ліквідує, АDСF— лінія солідус, DCF — лінія евтектичного перетворення, точка С — евтектична точка.

Твердіння сплавів, що лежать ліворуч від точки С, почина­ється з випадання кристалів а-твердого розчину. Тому між лі­ніями ліквідує і солідус ліворуч від точки С сплави складають­ся з кристалів а-твердого розчину і рідини, а праворуч від неї — з кристалів компонента В і рідини.

Сплави ліворуч від точки D остаточно затвердівають від­повідно до лінії АD з утворенням твердого розчину компонента В в компоненті А.

Розчинність компонента В в А визначається лінією GD яку називають лінією граничної розчинності. Сплави, розташовані ліворуч від точки G (наприклад, сплав /), не зазнають ніяких перетворень при охолодженні після твердіння до кімнатної температури і складаються з зерен α-твердого розчину. Криста­лізація сплавів, що містяться в зоні змінної розчинності компо­нентів— між точками G, D (наприклад, сплав //), починається в точці 1 і закінчується в точці 2 утворенням однофазної струк­тури з зерен α-твердого розчину. При температурі, що відпові­дає точці 3, α-твердий розчин стає пересиченим, тому з нього по­чинає виділятися компонент В, який у таких умовах називають надлишковим і позначають В_// на відміну від первинного В_/, що виділяється безпосередньо з рідкого сплаву.

Сплави праворуч від точки D затвердівають відповідно до розглянутої діаграми стану для випадку повної нерозчинності компонентів. При цьому компонентами сплавів слід вважати чистий компонент В і α-твердий розчин. Тому структура евтек­тичного сплаву складатиметься з суміші зерен α-твердого роз­чину і компонента В, доевтектичного (сплав III) — з зерен а-твердого розчину (з украпленнями надлишкового компонента В_//) і евтектики, а заевтектичного (сплав IV) — з зерен компо­нента В_/ і евтектики.

Обмежена розчинність спостерігається в багатьох металів, а також металів і неметалів, тому цей тип діаграми стану дуже поширений. Відповідно до цієї діаграми тверднуть, наприклад, сплави алюмінію з кремнієм, алюмінію з міддю та ін.

Діаграма стану для випадку, коли компоненти утворюють стійку хімічну сполуку. Хімічна сполука в сплавах є самостій­ним компонентом. Це дає можливість будувати і розглядати діаграму стану сплавів з компонентів А і В в діапазоні концен­трацій компонента В не від 0 до 100%, а до концентрації, при якій він утворює з компонентом А хімічну сполуку А_пВ_т, на­приклад: у сплавах заліза з вуглецем — сполуки Fе₃С при кон­центрації вуглецю 6,67%.

На закінчення розгляду основних типів діаграм стану спла­вів слід зазначити, що на практиці звичайно застосовують сплави, які складаються не тільки з двох, а й з більшого числа компонентів. У цьому випадку для відтворення їх складу на діаграмі використовують не лінію, а площину, у зв’язку з чим такі діаграми мають складніший, просторовий вигляд.

Слід також зауважити, що діаграми стану, відтворюючи залежність структури сплавів від їх концентрації і температури, показують також характер зміни їх властивостей, тобто між діаграмами стану сплавів і їх властивостями існує тісний зв’я­зок, що набагато підвищує практичну цінність діаграм.

Інформаційні джерела:

1. Технологія конструкційних матеріалів./За ред. А.М. Сологуба. - К.: Вища школа, 1993 –

300 с.

2. Большаков В.І., Береза О.Ю., Харченко В.І. Прикладне матеріалознавство: Підручник. Дніпропетровськ: РВА „Дніпро VAL”.2000 – 290 с.

3. Технология конструкционних материалов. /Г.А. Прейс, М.А. Сологуб, И.А. Рожнецкий/ - К.: Вища школа 1991 – 391 с.

4. Дальский А.М. и др. Технология конструкционных материалов, М.: Машиностроение. 1990 - 351 с.