Диаграмма состояния металлов и сплавов

Обновлено: 18.04.2024

Сплавами являются твёрдые вещества, получаемые сплавлением двух или более простых веществ, называемых компонентами. В металлическом сплаве основными компонентами являются металлы. Для металлического сплава меняя соотношение компонентов, можно получить бесчисленное множество вариантов сплава, и каждый вариант будет иметь свою структуру и свойства, температуру плавления, затвердения и т.д.

В технике большинство сплавов получают взаимным растворением их составляющих в жидком состоянии, т.е. доводят компоненты до плавления. Однако сплавы могут быть получены в твёрдом состоянии в процессе смешивания и спекания порошков компонентов под давлением при высоких температурах. Расплавленные компоненты при охлаждении и кристаллизации могут образовывать твердые металлические сплавы с различным строением: смеси, твердые растворы, химические соединения.

Наиболее часто встречающиеся сплавы – твёрдые растворы, в которых компоненты в твердом состоянии частично или полностью растворены друг в друге. Можно просто представить понятие твёрдого раствора можно, если, например, заморозить солёную воду. В этом случае лёд уже будет представлять собой твёрдый раствор соли в воде.

Растворение атомов одного из компонентов в кристаллической решётке другого компонента может идти по типу внедрения, когда атомы растворенного элемента располагаются между атомами растворителя (рисунок 1.1), и по типу замещения, когда атомы растворенного элемента замещают атомы растворителя (рисунок 1.2).

Рисунок 1 – Строение твёрдого раствора внедрения и замещения

При образовании твёрдого раствора внедрения его растворимость всегда ограниченная, что связано с ограниченными размерами межатомных промежутков в кристаллической решётке растворителя.

Чем больше концентрация твёрдого раствора, тем больше увеличены межатомные расстояния в решетке. Такие твёрдые растворы возникают при сплавлении металлов с неметаллами, имеющими малый атомный радиус – углеродом, азотом, бором, водородом. Примером твёрдых растворов внедрения, имеющих промышленное значение, являются твёрдые растворы углерода в ОЦК и ГЦК решётке железа – феррит и аустенит.

Информация о состоянии и структуре сплавов просто и сжато может быть представлена в виде диаграммы состояния – графического изображения состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Такие диаграммы также называют структурными с добавлением слова равновесные, что указывает на образование таких фаз и структур, которые соответствуют наименьшему значению свободной энергии системы.

На любой диаграмме состояния можно выделить следующие точки и линии:

Ликвидус – точка, отвечающая началу кристаллизации.

Линия ликвидус – геометрическое место точек ликвидус.

Солидус – точка, отвечающая концу кристаллизации.

Линия солидус – геометрическое место точек солидус.

Фигуративная точка– точка, взятая в пределах диаграммы состояния, которая показывает температуру сплава, его состояние, процентное соотношение компонентов.

Фигуративная линия – линия, проходящая через фигуративную точку параллельно оси температур.

Рассмотрим основные диаграммы состояния двойных сплавов.

Диаграмма состояния I рода (рисунок 2) характерна для сплавов, компоненты которых образуют смеси при незначительной взаимной растворимости. Вдоль оси абсцисс (слева направо) отложена процентная доля компонента В в сплаве. Процентная доля компонента А увеличивается в противоположном направлении вдоль оси абсцисс (на рис. 1.15 она не показана, а подразумевается). По осям ординат (слева и справа) отложена температура, измеряемая в °С. Компоненты А и В для этого типа диаграмм взаимно растворяются только в жидком состоянии, а в твердом – не растворяются и не образуют химических соединений. Линия диаграммы АСВ, выше которой сплавы находятся в жидком состоянии, называется линией ликвидус (от лат. «ликвидус» - жидкий, текучий). Линия диаграммы DСЕ, ниже которой сплавы находятся в твердом состоянии, называется линией солидус (от лат. «солидус» - твердый). Между линиями ликвидус и солидус сплавы переходят из жидкого состояния в твердое.

Сплав двух компонентов, который плавится при минимальной температуре, называется эвтектическим, или эвтектикой (от греч. «эвтектика» - легко плавящийся). Эвтектика представляет собой тонкую механическую смесь компонентов А и В. Состав этого сплава можно определить, опустив перпендикуляр из точки С на ось абсцисс (точка В_э). Левее точки В_э сплавы называются доэвтектическими, а правее – заэвтектическими. У доэвтектических сплавов область ACD содержит компонент А и жидкую фазу Ж, а область ВСЕ – компонент В и жидкую фазу Ж. Ниже линии солидус в области DСВ_эдоэвтектические сплавы в твердом состоянии содержат компонент А и эвтектику (А + В), а в области ЕСВ_э –компонент В и эвтектику (А + В).

Рисунок 2 – Диаграмма состояния I рода

Диаграмма состояния II рода характерна для сплавов с неограниченной растворимостью компонентов друг в друге, имеющих одинаковые типы кристаллических решеток. Диаграмма (рисунок 3) содержит область жидкой фазы (выше линии ликвидус АСВ), двухфазную область α + Ж, расположенную между линиями АСВ и АDВ, область твердой фазы α (ниже линии солидус АDВ). Фаза α представляет собой твердый раствор компонентов А и В, азерна этой фазы имеют общую кристаллическую решетку.

Рисунок 3 – Диаграмма состояния II рода

Диаграмма состояния III рода характерна для сплавов с ограниченной растворимостью компонентов друг в друге. На диаграмме (рисунок 4) линия АDВ является линией ликвидус, а линия АСDЕВ – линией солидус. Фаза α является твердым раствором компонента В в компоненте А, а фаза β – твердым раствором компонента А в компоненте В. Эвтектика для рассматриваемой диаграммы представляет собой смесь мелкозернистых фаз α и β. Эвтектика кристаллизуется при наименьшей для данной системы температуре, т.е. на линии СЕ.

Линия СF показывает предельную растворимость компонента В в компоненте А, а линия ЕК – предельную растворимость компонента А в компоненте В. Ниже линии СF из α-фазы начинают выделяться атомы компонента В, образуя вторичные кристаллы β_IIβ-твер-дого раствора. Аналогично ниже линии ЕК из β-фазы выделяются атомы компонента А, образуя вторичные кристаллы α_IIα-твердого раствора. Структура доэвтектических сплавов ниже линии СЕ состоит из первичных зерен α-фазы, эвтектики (α + β) и зерен вторичной β_II-фазы. А структура заэвтектических сплавов состоит из первичных зерен β-фазы, эвтектики (α + β) и зерен вторичной α_II-фазы.

Рисунок 4 – Диаграмма состояния III рода

Диаграмма состояния IV рода (рисунок 5) относится к сплавам, в которых сплавляемые компоненты образуют устойчивое химическое соединение А_тВ_п. Поэтому в данном случае химическое соединение выступает в роли самостоятельного компонента, способного образовывать сплавы с каждым из исходных компонентов.

Химическое соединение А_тВ_п образует с компонентами А и В сплавы, которые характерны для диаграммы состояния I рода.

Рисунок 5 – Диаграмма состояния IV рода

Тип диаграммы состояния предопределяет характер изменения свойств сплава. Впервые закономерности изменения физико-механических свойств сплавов в зависимости от типа диаграммы состояния установил академик Н.С. Курнаков. При отсутствии растворимости в твердом состоянии (диаграмма состояния I рода) твердость и электрическое сопротивление сплавов изменяются по прямолинейному закону от компонента А к компоненту В (рисунок 6,а). Для сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии (диаграмма II рода) эти свойства изменяются по криволинейному закону с наличием максимума (рисунок 6,б). В результате твердость и электрическое сопротивление у твердых растворов могут быть выше, чем у чистых компонентов. Для диаграммы состояния IIIрода в области однофазных твердых растворов свойства изменяются по криволинейному закону, а в области механической смеси твердых растворов - по прямолинейному закону (рисунок 6,в).

Рисунок 6 – Изменение твёрдости и электрического сопротивления в зависимости от рода диаграммы

Для сплавов и компонентов, образующих химическое соединение, максимальные значения твердости и электрического сопротивления наблюдаются при концентрации компонентов, соответствующих химическому соединению (рисунок 6,г).

Таким образом, если известны характер взаимодействия между компонентами и тип диаграммы состояния, то возможен выбор состава сплава, обеспечивающего заданные физико-химические свойства.

1. Что такое сплав? Что является компонентами для металлического сплава? Сколько компонентов должно присутствовать, чтобы вещество можно было назвать сплавом?

2. Способы получения сплава.

3. Типы растворения твёрдых растворов. Показать на рисунке. Какой тип растворения способствует увеличению межатомных расстояний.

4. Что такое диаграмма состояния?

5. Ликвидус как точка и как линия (определения).

6. Солидус как точка и как линия (определения).

7. Фигуративная точка, фигуративная линия (определения).

8. Диаграммы состояний I, II, III, IV рода. Для каких сплавов характерна каждая из диаграмм, особенности диаграмм. Уметь показать на каждой из диаграмм ключевые точки и линии (солидус, ликвидус и др.)

9. Диаграммы изменения твёрдости и электрического сопротивления. Уметь изобразить – как изменяются эти свойства для каждого рода диаграмм.

Основы теории сплавов

Чистые металлы характеризуются низким пределом прочности, поэтому в машиностроении применяют главным образом их сплавы. Металлическим сплавом называют сложное вещество, полученное сплавлением (или спеканием) нескольких металлов или металлов с неметаллами. При этом улучшаются эксплуатационные и технологические свойства металлического материала.

Компонентами называют вещества, образующие систему. Чистый металл представляет собой однокомпонентную систему, сплав двух металлов — двухкомпонентную систему и т.д. Фазой называют однородную часть системы, имеющую одинаковый состав, одно и то же агрегатное состояние и отделенную от остальных частей системы поверхность раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяются скачкообразно. Совокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (давлении, температуре), называют системой.

Сплав называют однородным (гомогенным), если его структура однофазна, и разнородным (гетерогенным), если его структура состоит из нескольких фаз.

Под структурой сплава понимают видимое в микроскоп взаимное расположение фаз, их форму и размеры. Твердые растворы образуются в результате перехода в твердое состояние однородных жидких растворов. Твердые растворы бывают следующих типов: твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения. Независимо от типа твердые растворы однофазны.

Химические соединения образуются при сплавлении различных металлов или металла с неметаллом. Химическое соединение — однородное кристаллическое тело, имеющее кристаллическую решетку с упорядоченным расположением атомов, которая отлична от решеток элементов, образующих это соединение.

Механическая смесь двух компонентов А и В образуется тогда, когда при кристаллизации компоненты сплава неспособны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. Рентгенограмма сплава отчетливо показывает наличие двух решеток компонентов А и В.

Температуры, при которых изменяется строение металлов и сплавов, называют критическими точками. При плавлении и затвердевании чистые металлы имеют одну критическую точку, а сплавы — две. В интервале между этими двумя точками в сплавах существуют две фазы — жидкий сплав и кристаллы.

2. Диаграмма состояний для случая неограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии

Диаграмма состояния — графическое изображение фазового состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Рассмотрим диаграмму состояния сплавов системы «медь — никель», которая является диаграммой для случая неограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии (рис. 3).

Температура плавления меди 1083°С, никеля — 1445°С. Чистые металлы имеют одну критическую точку — температуру затвердевания (кристаллизации), а сплавы — две, т.е. сплавы, в отличие от чистых металлов, кристаллизуются в интервале температур. Например, кристаллизация сплава начинается при температуре t1, при этой температуре из жидкого сплава начинают выпадать первые кристаллы твердого раствора, а заканчивается кристаллизация при температуре t3. При этой температуре затвердевает последняя капля жидкого сплава. Разная температура конца кристаллизации сплавов свидетельствует о том, что состав твердой фазы непрерывно изменяется.

Для построения диаграммы состояния рассматриваемой системы на оси абсцисс сетки в координатах температура — концентрация откладывают составы пяти сплавов и восстанавливают из каждой точки вертикальные линии. После этого переносят на эти вертикальные линии с кривых охлаждения сплавов критические точки, а на левой и правой ординатах температур отмечают температуры кристаллизации чистых металлов — меди (100%) и никеля (100%). Соединив плавными кривыми температуры начала и конца кристаллизации всех сплавов, получают диаграмму состояния сплавов системы «медь — никель» с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

Верхняя линия на диаграмме обозначает начало затвердевания при охлаждении или конец расплавления при нагреве, нижняя — соответственно конец затвердевания или начало плавления. Эта диаграмма состояния сплава меди и никеля имеет три области. Область существования жидкого расплава

(1) лежит выше верхней линии, соединяющей точки плавления меди и никеля, а область существования кристаллических твердых растворов (2) — ниже нижней линии. Между этими линиями находится двухфазная область (3), в которой одновременно существуют расплав и кристаллы твердого раствора. Верхнюю границу этой области называют линией ликвидус, а нижнюю — линией солидус («ликвидус» в переводе с латинского означает жидкий, «солидус» — твердый). По диаграмме состояния можно определить концентрации твердой и жидкой фаз в сплаве при его кристаллизации.

3. Диаграмма состояний сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов

Диаграммы состояния — показатели фазового состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Диаграммы состояния строят для условий равновесия, т.е. такого состояния сплава, которое достигается при очень малых скоростях охлаждения или длительном нагреве. Диаграммы состояния сплавов в равновесном состоянии являются теоретическими диаграммами, так как истинное равновесие в практических условиях достигается редко.

Рассмотрим диаграмму состояний одного из сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов, системы «висмут — кадмий» (рис. 4).

Область существования жидкого расплава ограничена сверху ломаной линией, соединяющей точки плавления висмута и кадмия через точку Е. В точке Е сплав (40% висмута и 60% кадмия) имеет одинаковые температуры ликвидуса и солидуса. Все остальные сплавы системы затвердевают и плавятся в пределах температурного интервала, который снизу ограничен горизонтальной линией солидуса. Сплав в точке Е имеет очень мелкие кристаллы висмута и кадмия, находящиеся в определенном взаимном расположении. Этот сплав называется эвтектикой, что в переводе с греческого означает легко плавящийся. Эвтектика — это механическая смесь двух (или более) видов кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкого сплава. Твердые сплавы, лежащие левее эвтектической точки Е, и сплавы, содержащие до 40% висмута, называют доэвтектическими, а лежащие правее точки Е и содержащие более 40% висмута — заэвтектическими. Доэвтектические сплавы состоят из смеси кристаллов висмута и эвтектики (кристаллы висмута + кристаллы кадмия), а заэвтектические — из смеси кристаллов кадмия с эвтектикой.

По этому типу диаграммы состояния кристаллизуются также сплавы систем Zn—Sn, Pb—Ag, Ni—Cr, Cr—Mn, Cu—Bi, Al—Si.

4. Диаграмма состояния сплавов для случая ограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии

Эта диаграмма состояний содержит три фазы — жидкий раствор, твердый раствор компонента В в компоненте А () и твердый раствор компонента А в компоненте В (α). Линия диаграммы KCD — линия ликвидуса, линия KECFD — линия солидуса (рис. 5). Кристаллы α выделяются из жидкого сплава (ж. с.) по линии ликвидуса КС, а кристаллы β — по линии CD. Затвердевание сплавов происходит по линии солидуса КЕ с образованием кристаллов α и по линии DF — с образованием кристаллов β. Одновременная кристаллизация α- и β-фаз с образованием механической смеси кристаллов этих фаз происходит на линии солидуса ECF.

Сплав состава точки С после затвердевания называется эвтектическим, поскольку он состоит только из одной эвтектики α + β. Составы сплавов, лежащих левее эвтектической точки С на линии ЕС после затвердевания, называются доэвтектическими сплавами и имеют структуру α + эвтектика (α + β). Составы сплавов, лежащих правее точки С на линии CF после затвердевания, называются заэвтектическими сплавами и имеют структуру β + эвтектика (α + β).

Предельная растворимость компонента В в А характеризуется точкой Е, а А в В — точкой F. При кристаллизации сплавов, состав которых находится левее точки S (или правее точки М), при любой температуре в твердом состоянии все количество компонента В (или А) находится в твердом растворе, и структура таких сплавов состоит из зерен α (или β).

В сплавах, состав которых находится между точками S и Е′, образовавшихся при затвердевании, кристаллы α при понижении температуры ниже линии ES пересыщены компонентом В, и поэтому из них происходит выделение избыточных кристаллов. Это кристаллы β концентрации точки М, называемые вторичными (β_II). Такие сплавы после полного охлаждения имеют структуру, состоящую из кристаллов α состава точки S и кристаллов β_II, т.е. α + β_II.

В сплавах состава линии ЕС, имеющих после затвердевания структуру α + эвтектика (α + β), из кристаллов α выделяются кристаллы β, и после полного охлаждения структура будет α + эвтектика (α + β) + β_II.

5. Диаграмма состояния сплавов, образующих химические соединения

Сплавы, представляющие собой химическое соединение компонентов А и В, имеют сложную диаграмму состояния. Химическое соединение обозначают АmВn, т.е. в соединении на m атомов компонента А приходится n атомов компонента В. Химические соединения представляют собой сложное соединение с одной точкой плавления, в отличие от сплавов, у которых таких точек две.

В данной системе различают три фазы:

жидкий раствор;
твердый раствор компонента В в компоненте А (фаза α) (рис. 6);
твердый раствор компонента А в компоненте В (фаза β).

Эта диаграмма как бы составлена из диаграмм для двух систем:

компонент А — химическое соединение АmВn;
компонент В — химическое соединение АmВn.

В сплавах левее точки С компонента А больше, чем входит

в химическое соединение АmВn. В этих сплавах левее точки промежуточного состояния образуется эвтектика α + АmВn. В сплавах правее точки С компонента В больше, чем может

входить в химическое соединение АmВn. В этих сплавах образуется эвтектика АmВn+ β.

Между составом и структурой сплава, определяемой типом, диаграммой состояния и свойствами сплава, существует определенная зависимость (правило Н.С. Курнакова). В механических смесях свойства (твердость Н, электропроводность Е, вязкость, хрупкость и др.) изменяются линейно. В твердых растворах свойства изменяются по криволинейной зависимости. В химических соединениях свойства выражаются ломаными линиями.

При концентрации, соответствующей химическому соединению, отмечается характерный перелом на кривой свойств, так как химические соединения обладают индивидуальными свойствами, отличающимися от свойств компонентов. По диаграммам можно определять и технологические свойства сплавов, что облегчает выбор материала для изготовления изделий.

6. Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

Основными компонентами, от которых зависят структура и свойства железоуглеродистых сплавов, являются железо и углерод. Чистое железо — металл серебристо-белого цвета; температура плавления 1539°С. Железо имеет две полиморфные модификации: α и γ. Модификация α существует при температурах ниже 91°С и выше 1392°С; γ-железо — при температуре 911…1392°С. В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие структурные составляющие:

Феррит (Ф) — твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Растворимость углерода в α-железе при комнатной температуре до 0,005%; наибольшая растворимость — 0,02% при 727°С. Феррит имеет незначительную твердость (НВ = 80…100) и прочность (σ_в = 250 МПа), но высокую пластичность (δ = 50%; Ψ = 80%), где σ_в — предел прочности; δ — относительное удлинение; Ψ — относительное сужение.

Аустенит (А) — твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. В железоуглеродистых сплавах он может существовать только при высоких температурах. Предельная растворимость углерода в γ-железе — 2,14% при температуре 1147°С и 0,8% — при 727°С. Аустенит имеет твердость НВ = 160…200 и весьма пластичен (δ = 40…50%).

Цементит (Ц) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C). В цементите содержится 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1600°С. Он очень тверд (НВ » 800), хрупок и практически не обладает пластичностью.
Графит — это свободный углерод, мягкий (НВ = 3) и обладает низкой прочностью. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений различных форм (пластинчатой, шаровидной и др.). С изменением формы графитовых включений меняются механические и технологические свойства сплава.
Перлит (П) — механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,8% углерода. Перлит может быть пластинчатым и зернистым (глобулярным), что зависит от формы цементита и определяет механические свойства перлита. При комнатной температуре зернистый перлит имеет предел прочности σ_в ≈ 800 МПа; относительное удлинение δ =15%; твердость НВ = 160.

Ледебурит (Л) — механическая смесь аустенита и цементита, содержащая 4,3% углерода. Ледебурит образуется при затвердевании жидкого расплава при 1147°С. Ледебурит имеет твердость НВ = 600…700 и большую хрупкость.

Помимо перечисленных структурных составляющих, в железоуглеродистых сплавах могут быть нежелательные неметаллические включения: окислы, нитриды, сульфиды, фосфиды — соединения с кислородом, азотом, серой и фосфором.

7. Диаграмма состояния «железо — цементит»

Диаграмма (рис. 7) показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67%). Сплавы с содержанием углерода 2,14% называют сталью, а от 2,14 до 6,67% — чугуном.

Первичная кристаллизация, т.е. затвердевание жидкого сплава, начинается при температурах, соответствующих линии ликвидуса. Точка А на этой диаграмме соответствует температуре плавления 1539°С (затвердевания) железа, точка D — температура плавления (затвердения) ~ 1600°С цементита.

Линия солидуса AEСF соответствует температурам конца затвердевания. При температурах, соответствующих линии АС, из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а линии CD — цементит, называемый первичным цементитом.

В точке С при 1147°С и содержании углерода 4,3% из жидкого сплава одновременно кристаллизуются аустенит (А) и цементит (Ц) (первичный), образуя эвтектику — ледебурит (Л).

При температурах, соответствующих линии солидуса АЕ, сплавы с содержанием углерода до 2,14% окончательно затвердевают с образованием аустенита. На линии солидуса ECF сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,67% окончательно затвердевают с образованием эвтектики (ледебурита) и структур, образовавшихся ранее из жидкого сплава, а именно: в интервале 2,14…4,3%, С — аустенита, а в интервале 4,3…6,67% С — цементита первичного.

В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода до 2,14% (т.е. в сталях) образуется однофазная структура — аустенит. В сплавах с содержанием углерода более 2,14% (т.е. в чугунах) при первичной кристаллизации образуется эвтектика ледебурита.

Вторичная кристаллизация (превращение в твердом состоянии) происходит при температурах, соответствующих линиям GSE, PSK и GPQ. Превращения в твердом состоянии происходят вследствие перехода железа из одной аллотропической модификации в другую ( в ) и в связи с изменением растворимости углерода в аустените и феррите. С понижением температуры растворимость уменьшается. Избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита. В области диаграммы AGSE находится аустенит.

8. Диаграмма состояния «железо — графит»

Систему «железо — цементит» называют метастабильной, т.е. неустойчивой, так как при определенных условиях цементит распадается на аустенит и свободный углерод в виде графита. При очень медленном охлаждении из расплава в процессе кристаллизации углерод выделяется в виде графита. Систему «железо — графит» называют стабильной.

Процесс кристаллизации графита в сплавах железа с углеродом называют графитизацией. Она может происходить и в твердом состоянии, поскольку цементит при высоких температурах неустойчив. В этом случае графитизация происходит в несколько накладывающихся стадий:

распад цементита и растворение атомов углерода в аустените;
образование центров графитизации в аустените;
диффузия атомов углерода в аустените к центрам графитизации;
рост выделений графита.

На рис. 8 показана совмещенная диаграмма: сплошными линиями изображена метастабильная диаграмма «железо — цементит», штриховыми линиями — стабильная диаграмма. По диаграмме «железо — цементит» в области чугунов получают белые чугуны, а по диаграмме «железо — графит» — серые чугуны.

На диаграмме «железо — графит» горизонтальные линии E′C′F ′ и P ′S′K′ лежат несколько выше, а наклонные линии C′D′ и E′S′ — несколько левее соответствующих линий диаграммы «железо — цементит». На диаграмме «железо — графит» линия AC′D′ — линия ликвидуса. При охлаждении расплава по ветви АС выделяется аустенит, а по ветви C′D′ — графит (первичный).

На линии солидуса E′C′F′ при температуре 1153°С образуется эвтектика, состоящая из графита и аустенита. Ее называют графитной эвтектикой. При понижении температуры в системе «железо — графит» из аустенита будет выделяться графит, который называют вторичным. На линии P′S′K′ при температуре 738°С аустенит, содержащий 0,7% углерода (точка S′), распадается, образуя эвтектоид, состоящий из феррита и графита. Этот эвтектоид называют графитным. После полного охлаждения структура состоит из феррита и графита (эвтектического, вторичного и эвтектоидного).

Металлические сплавы и диаграммы состояния

Лекция №2. Теория сплавов

Рассмотрим ряд основополагающих определений и понятий.

Сплав – вещество, полученное сплавлением двух и более элементов (компонентов). Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называются металлическим сплавом.

По количеству компонентов сплавы соответственно называются двойными, тройными и многокомпонентными.

Структурные составляющие – обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями.

Система – совокупность тел (твердых, жидких) в определенном объеме при определенных внешних условиях, взятых для исследования.

Компонент – простейшая часть (вещество) из образующих систему. В металлических сплавах компонентами являются элементы (металлы и неметаллы) и химические соединения (не диссоциирующие при нагревании)

Фаза – однородная часть системы, имеющая физическую границу раздела (поверхность), при переходе через которую химические состав или структура изменяются скачком.

2.1. Строение сплавов

Чистые металлы находят довольно ограниченное применение. Основными конструкционными материалами являются металлические сплавы. В основном сплавы получают путём кристаллизации жидкого расплава нескольких металлов, но могут быть и другие пути – спеканием, диффузией, осаждением и другие.

Почти все металлы в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях и образуют однородный жидкий раствор с равномерным распределением атомов одного металла среди атомов другого металла.

При образовании сплавов в процессе их затвердевания возможно различное взаимодействие компонентов. По характеру взаимодействия компонентов все сплавы подразделяются на три основных типа: механические смеси, твердые растворы и химические соединения.

Механическая смесь двух компонентов образуется, если они не способны к взаимодействию или взаимному растворению.

Каждый компонент при этом кристаллизуется в свою кристаллическую решетку. Структура механических смесей неоднородная, состоящая из отдельных зерен компонента А и компонента В. Свойства механических смесей зависят от количественного соотношения компонентов.

Если механическая смесь образуется при первичной кристаллизации, она называется эвтектической, если в результате вторичной – эвтектоидной.

Твердые растворы образуются, когда один компонент растворяется в другом. Тогда в твердом состоянии атомы одного компонента входят в кристаллическую решетку другого. Если атомы кристаллической решетки одного компонента А частичного замещаются атомами другого В, образуются твердые растворы замещения, рис. 2.1а. Твердые растворы замещения образуются элементами, атомные радиусы которых отличаются не более чем на 8 – 15%, но и в этом случае кристаллическая решетка растворителя искажается, не утрачивая своего строения.

Если атомы растворимого компонента В внедряются в пустоты решетки растворителя А, то образуются твердые растворы внедрения (рис. 2.1б). Следовательно, атомы растворимого элемента должны быть соизмеримы с пустотами кристаллической решетки растворителя. Концентрация твердых растворов внедрения не может быть высокой – не более 1…2%.

Рис. 2.1. Схемы твердых растворов замещения (а) внедрения (б)

Твердый раствор имеет однородную структуру и одну кристаллическую решетку. Обозначают твердые растворы буквами греческого алфавита α, β, γ, δ и т.д.

Химическое соединение образуется, если компоненты сплава А и В вступают в химическое взаимодействие. Химическое соединение имеет свою кристаллическую решетку, которая отличается от кристаллических решеток компонентов. При этом сохраняется кратное соотношение компонентов, что позволяет выразить состав химического соединения формулой А _n В _m .

Свойства химического соединения резко отличаются от свойств образующих его компонентов при этом они, как правило, обладают большой твердостью и хрупкостью (карбиды, нитриды и др.). Химическое соединение имеет однородную структуру, состоящую из одинаковых по составу и свойствам зерен, и может играть роль компонента в сплавах.

2.2. Диаграммы состояния двойных сплавов

Диаграмма состояния – графическое изображение состояния сплава изучаемой системы в зависимости от концентрации в нем компонентов и температуры. Диаграмма состояния показывает равновесные, устойчивые состояния сплава, т.е. такие, которые при данных условиях обладают минимальной свободной энергией.

Построение диаграмм состояния осуществляют различными экспериментальными методами. Наиболее часто используется метод термического анализа. Он заключается в том, что составляют несколько сплавов с различной концентрацией компонентов, расплавляют их и медленно охлаждают, фиксируя время охлаждения и температуру.

По полученным данным строят серию кривых охлаждения в координатах: время (τ, сек) – температура (t,°С), на которых наблюдают точки перегибов и температурные остановки – критические точки фазовых переходов (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Кривая охлаждения сплава

В отличие от чистых металлов сплавы кристаллизуются не при постоянной температуре, а в интервале температур, поэтому на кривых охлаждения сплавов есть две критические точки. В верхней критической точке, называемой точкой ликвидус (t_л), начинается кристаллизация. В нижней критической точке - солидус (t_с) кристаллизация завершается.

Диаграмму строят в координатах температура – концентрация. Линии диаграммы разграничивают области одинаковых фазовых состояний. Для построения диаграммы состояния используют большое количество кривых охлаждения для сплавов различных концентраций. При построении диаграммы критические точки переносятся с кривых охлаждения на диаграмму (оси температура – концентрация) и соединяются линией. В получившихся на диаграмме областях записывают фазы или структурные составляющие. Линия начала кристаллизации сплавов на диаграмме называется линией ликвидус, а линия окончания кристаллизации – солидус.

Вид диаграммы зависит от того, как взаимодействуют между собой компоненты.

Диаграмма состояния сплавов,

образующих механические смеси чистых компонентов (1 тип)

Рассмотрим кривые охлаждения нескольких сплавов системы А – В, имеющих различный состав (рис. 2.3). Кристаллизация чистого компонента А (100%) начинается в т.1 и заканчивается в т.1*, протекая при постоянной температуре. Выше этой температуры компонент А находится в жидком состоянии, ниже – в твердом. Аналогично происходит кристаллизация чистого компонента В.

Кривая охлаждения сплава (60% А + 40%В) аналогична кривым охлаждения чистых компонентов. На ней имеется также только одна температурная остановка 2-2*, т.е. кристаллизация происходит при постоянной температуре. Особенность кристаллизации этого сплава заключается в том, что происходит одновременная кристаллизация обоих компонентов – появляются и растут кристаллы, образуя мелкокристаллическую механическую смесь обоих компонентов (А+В).

Механическая смесь двух или более разнородных кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкости, называется эвтектикой (от эвтэо (греч.) – легкоплавкий). Сплав, отвечающий составу эвтектики, называют эвтектическим сплавом. Он имеет постоянную и минимальную температуру плавления (кристаллизации) для сплавов данной системы и постоянный химический состав.

Рис. 2.3. Диаграмма состояния сплавов, образующих механические смеси

чистых компонентов, состав сплавов: 1 – 100%А, 2 – 80%А+20%В,

3 – 60%А+40%В, 4 – 20%А+80%В, 5 – 100%В

Кристаллизация сплава (80%А + 20%В) происходит иначе. На кривой имеются две кристаллические точки: точка перегиба 1 и температурная остановка 2-2*. Выше т.1 сплав находится в жидком состоянии, в т.1 появляются первые зародыши кристаллов компонента А – начало кристаллизации. Выделение и рост зерен А продолжается до т.2. При этой температуре жидкий сплав, вследствие удаления из расплава компонента А в виде твердых кристаллов, приобретет эвтектический состав (60%А + 40%В) и при постоянной температуре, равной эвтектической, произойдет одновременная кристаллизация обоих компонентов (А+В), т.е. произойдет эвтектическое превращение.

Сказанное в равной степени относится и к сплаву (20%А + 80%В), отличие состоит лишь в том, что на участке 1–2 происходит образование и рост зерен компонента В. Для этих сплавов характерной особенностью является то, что кристаллизация на участке 1–2 происходит в интервале температур.

Полученные критические точки перенесем на диаграмму, где координатами будут концентрация и температура. Если затем соединить линией все точки начала кристаллизации (линия АСВ) и точки окончания кристаллизации линия (ДСF), то получим диаграмму состояния системы А – В. Линия АСВ – геометрическое место точек ликвидус, называется линией ликвидус. Линия ДСF – линией солидус. Выше линии ликвидус находится жидкость (расплав), ниже линии солидус – сплавы находятся в твердом состоянии. Сплав, отвечающий составу эвтектики (точка С), как уже указывалось, называется эвтектическим. Сплавы, находящиеся левее точки С, называют доэвтектическими. Их структура – избыточные кристаллы А и эвтектика (А+В). Сплавы, расположенные правее точки С, – заэвтектические, их структура кристаллы – В и эвтектика (А+В). Из этого следует что А, В и эвтектика (А+В) являются структурными составляющими сплавов.

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью

компонентов в твердом состоянии (2 тип)

Для таких сплавов возможно образование двух фаз: жидкого сплава Ж и твердого раствора α. На диаграмме две линии, верхняя – ликвидус и нижняя – солидус (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью

в твердом состоянии (3 тип)

В таких сплавах могут существовать три фазы: жидкий раствор (Ж), твердый раствор компонента В в компоненте А – (α) и твердый раствор компонента А в компоненте В – (β). Эта диаграмма содержит в себе элементы двух предыдущих (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью

компонентов в твердом состоянии

Линия АСВ – линия ликвидус, линия АЕСFВ – линия солидус. Линия ЕСF – линия эвтектики. Таким образом, здесь также образуется эвтектика, доэвтектические и заэвтектические сплавы. Линия РЕ – линия ограниченной растворимости компонента В в компоненте А, по этой линии происходит выделение вторичных кристаллов β _II (вследствие уменьшения растворимости компонента В в компоненте А с понижением температуры). Процесс выделения вторичных кристаллов называется вторичной кристаллизацией.

Диаграмма состояния сплавов, образующих устойчивые химические соединения (4 тип)

Рис. 2.6. Диаграмма 4 типа

Такая диаграмма характеризуется наличием вертикальной линии, соответствующей соотношению компонентов в химическом соединении А_nВ _m (рис. 2.6). Эта линия делит диаграмму на две части, которые можно рассматривать как самостоятельные диаграммы сплавов, образуемых устойчивым химическим соединением и одним из компонентов. На рисунке представлена диаграмма для случая, когда каждый из компонентов образует с химическим соединением механическую смесь.

2.3. Пластическая деформация, наклеп и рекристаллизация

Пластическая деформация – это необратимая деформация, т.е. ее влияние на форму, структуру и свойства тела сохраняются после снятия нагрузки. При пластической деформации зерна деформируются, вытягиваются в направлении деформации, образуется волокнистая структура, увеличивается число дислокаций. При этом прочность и твердость металла повышается, а пластичность и вязкость снижаются. Явление упрочнения металла при пластической деформации называется наклепом, или нагартовкой.

Волокнистое строение и наклеп можно устранить при нагреве металла. Частичное снятие наклепа происходит уже при небольшом нагреве. Снимается искажение кристаллической решетки. Этот процесс называется возвратом (рис. 2.7). Но волокнистая структура при этом сохраняется.

При нагреве до более высоких температур в металле происходит образование новых равноосных зерен. Такой процесс называют рекристаллизацией. Наклеп при этом снимается полностью. Различают рекристаллизацию первичную и собирательную.

Рекристаллизация первичная (участок 1–2 на рис. 2.7) заключается в образовании зародышей и росте новых равновесных зерен с неискаженной кристаллической решеткой.

Собирательная рекристаллизация – вторая стадия процесса, заключающаяся в росте образовавшихся новых зерен. Рост зерен обусловлен стремлением системы к более равновесному состоянию за счет уменьшения внутренней поверхности зерен. Особенность собирательной рекристаллизации – вторичная рекристаллизация – рост отдельных зерен за счет других. Основными факторами, определяющими величину зерен, являются температура, продолжительность выдержки при нагреве и степень деформации.

Рис. 2.7. Схема изменения структуры и свойств наклепанного металла

при возврате (отдыхе) и рекристаллизации

Температура, при которой идет процесс рекристаллизации, называется температурой рекристаллизации. Абсолютная температура рекристаллизации

где а – коэффициент, зависящий от структуры и состава металла. Для особо чистых металлов а = 0,2, для металлов технической чистоты а = 0,3 – 0,4, для сплавов а = 0,5 – 0,6.

На практике наклеп устраняют рекристаллизационным отжигом.

Если деформирование происходит при температуре выше температуры рекристаллизации, то наклепа не происходит. Такая деформация называется горячей. Деформация, которая происходит при температуре ниже температуры рекристаллизации, называется холодной.

Читайте также: