Глава 4

СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ И ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ

1. Общие сведения

Чистые металлы обычно имеют низкую прочность и невысокие тех­нологические свойства. В технике обычно применяются сплавы. Сплавами называют вещества, полученные сплавлением несколь­ких элементов.

Элементы или химические соединения, образующие сплав, на­зывают компонентами. Компонентами металлических сплавов мо­гут быть не только металлы, но и неметаллы. В зависимости от числа компонентов сплавы могут быть двойные, тройные и т, д. В зависимости от физико-химического взаимодействия компонен­тов в сплавах образуются фазы, число и тип которых характери­зуют состояние сплава.

Фазой называют однородную часть сплава, характеризующуюся определенным составом, свойствами, типом кристаллической ре­шетки и отделенную от других частей сплава поверхностью раз­дела.

В сплавах возможно образование следующих фаз: 1) жидких растворов; 2) твердых чистых металлов; 3) твердых растворов; 4) химических соединений. В зависимости от количества фаз сплавы могут быть одно-, двух- и многофазными.

В жидком состоянии компоненты сплава обычно неограниченно растворимы друг в друге, образуя жидкие растворы. В твердом состоянии компоненты могут образовывать: 1) механические смеси, представляющие собой смесь двух или нескольких чистых компонентов; 2) химические соединения, когда компоненты всту­пают в химические взаимодействия; 3) твердые растворы, когда один компонент растворяется в другом, который называется рас­творителем.

Механические смеси образуются при кристаллизации многих двойных сплавов, например Рb-Sb, Аl-Сu. При металлографи­ческом анализе на шлифе видны кристаллиты разных компонен­тов, образующих механическую смесь. Химический анализ пока­зывает также разные элементы. Рентгеноструктурный анализ показывает два типа кристаллических решеток, образующих такую смесь.

Свойства химических соединений отличаются от свойств обра­зующих их элементов. Они имеют постоянную температуру плав­ления. Рентгеноструктурный анализ показывает различие кри­сталлических решеток химического соединения и исходных эле­ментов. В химическом соединении сохраняется определенное соот­ношение атомов элементов, позволяющее выразить их состав про­стой формулой типа А_nВ_m.

Химический анализ твердого раствора показывает несколько элементов, а металлографический и рентгеноструктурный — одно­родные зерна и один тип решетки, как у чистого металла.

Различают твердые растворы замещения и внедрения. Твердый раствор замещения образуется замещением части атомов раство­рителя в его кристаллической решетке атомами растворенного компонента (рис. 64, а).

Учитывая различие в размерах атомов, при замещении атомов одного компонента атомами другого компонента происходит иска­жение кристаллической решетки. Это искажение тем больше, чем больше разница в размерах атомов и строении их кристаллических решеток. При чрезмерном искажении решетки дальнейшая раство­римость становится невозможной. Наступает предельная раство­римость, при которой дополнительно вводимые атомы не могут войти в решетку и образуют самостоятельную фазу. Если же оба компонента имеют однотипные кристаллические решетки, а атом­ные диаметры отличаются не более, чем на ±8 %, то возможна неограниченная растворимость, например в случае сплава Fе-Сг.

Твердый раствор внедрения образуется путем внедрения ато­мов растворенного компонента в междоузлия (пустоты) кристал­лической решетки (рис. 64, б). В решетке ГЦК такая пустота находится в центре куба и образует сферу диаметром 0,41d, где d - диаметр атомов растворителя.

В решетке ОЦК пустота находится в центре грани и образует сферу диаметром 0,29d.

Твердый раствор внедрения характерен для сплавов металлов с элементами 1 и 2 периодов, имеющими малые атомные диаметры (С, В, N. Н, О). Концентрация элементов в твердом растворе внедрения обычно невысока и редко превышает 1-2 %.

К урс металловедения тесно связан с изучением диаграмм со­стояния. Диаграмма состояния сплава представляет собой гра­фическое изображение состояния сплава и показывает превраще­ния, протекающие в сплавах в зависимости от температуры и концентрации элементов. Диаграмма состояния показывает устой­чивые, равновесные состояния сплава, обладающие при данных условиях минимальной свободной энергией. Поэтому диаграмму эту иногда называют диаграммой фазового равновесия.

Диаграмма состояния позволяет установить режимы термиче­ской обработки, оптимальные температурные интервалы литья, обработки давлением и т. д.

Диаграммы состояния, как правило, строят экспериментально. Для их построения обычно используют термический метод, с по­мощью которого получают кривые затвердевания и охлаждения сплавов. По остановкам и перегибам на этих кривых, обусловлен­ных тепловыми эффектами превращений, определяют темпера­туру превращений.

В дополнение к термическому методу применяют исследования микроструктуры с помощью металлографического и электронного микроскопов, рентгеноструктурный анализ, изучение изменений физических свойств сплавов и т. д. Данные, полученные различ­ными методами, положены в основу построения диаграмм со­стояния.

По горизонтали диаграммы состояния откладывается концен­трация, по вертикали - температура. Каждая точка диаграммы соответствует сплаву определенного состава, находящемуся при определенной температуре в условиях равновесия. Обычно строят­ся диаграммы состояния двойных сплавов, реже - тройных сплавов.

С помощью диаграмм состояния определяют температуру плав­ления и полиморфных превращений в сплавах, сколько фаз и какие фазы имеются в сплаве данного состава при данной темпе­ратуре, а также количественное соотношение этих фаз в сплаве.