2.2. Металеві сплави

Металевим сплавом називається матеріал, отриманий сплавом двох або більше металів або металів з неметалами, і володіє металевими властивостями. Речовини, які утворюють сплав називаються компонентами. Фазою називають однорідну частину сплаву, що характеризується певними складом, будовою і відокремлену від інших частин сплаву поверхнею розділу. Під структурою розуміють форму розмір і характер взаємного розташування фаз в металах і сплавах. Структурними складовими називають відокремлені частини сплаву, які мають однакову будову з притаманними їм характерними особливостями.

Види сплавів за структурою. За характером взаємодії комкомпонентів всі сплави поділяються на три основних типи: механічні суміші, хімічні сполуки і тверді розчини.

Механічна суміш двох компонентів А і В утворюється, якщо вони не здатні до взаємодії або взаємного розчинення. Кожен компонент при цьому кристалізується в свою кристалічну решітку. Структура механічних сумішей неоднорідна, складається з окремих зерен компонента А і компонента В. Властивості механічних сумішей залежать від кількісного співвідношення компонентів: чим більше в сплаві даного компонента, тим ближче до його властивостей властивості суміші.

Хімічна сполука утворюється коли компоненти сплаву А і В вступають в хімічну взаємодію. При цьому при цьому співвідношення чисел атомів у з'єднанні відповідає його хімічній формулі А_mВ_n. Хімічна сполука має свою кристалічну решітку, яка відрізняється від кристалічних решіток компонентів. Хімічні сполуки мають однорідну структуру, що складається з однакових за складом і властивостями зерен.

При утворенні твердого розчину атоми одного компонента входять в кристалічну решітку іншого. Тверді розчини заміщення утворюються в результаті часткового заміщення атомів кристалічної решітки одного компонента атомами другого (рис. 6, б).

Тверді розчини впровадження утворюються коли атоми розчиненого компонента впроваджуються в кристалічну решітку компонента-розчинника (рис. 6, в). Твердий розчин має однорідну структуру, одну кристалічну решітку. На відміну від хімічної сполуки твердий розчин існує не при строго визначеному співвідношенні компонентів, а в інтервалі концентрацій. Позначають тверді розчини малими буквами грецького алфавіту: α, β, γ, δ і т. д.

Діаграма стану. Діаграма стану показує будову сплаву в залежності від співвідношення компонентів і від температури. Вона будується експериментально по кривих охолодження сплавів (рис. 8). На відміну від чистих металів сплави кристалізуються не при постійній температурі, а в інтервалі температур. Тому на кривих охолодження сплавів є дві критичні точки. У верхній критичній точці, що називають точкою ліквідус (t_л), починається кристалізація. У нижній критичній точці, яка називається точкою солідус (t_c), кристалізація завершується. Крива охолодження механічної суміші (рис. 8, а) відрізняється від кривої охолодження твердого розчину (рис. 8, б) наявністю горизонтальної ділянки. На цій ділянці відбувається кристалізація евтектики. Евтектикою називають механічну суміш двох фаз, що одночасно кристалізуються з рідкого сплаву. Евтектика має певний хімічний склад і утворюється при постійній температурі.

Рис. 8. Криві охолодження сплавів а – механічної суміші, б – твердого розчину.

Діаграму стану будують в координатах температура-концентрація. Лінії діаграми розмежовують області однакових фазових станів. Вид діаграми залежить від того, як взаємодіють між собою компоненти. Для побудови діаграми стану використовують велику кількість кривих охолодження для сплавів різних концентрацій. При побудові діаграми критичні точки переносяться з кривих охолодження на діаграму і з'єднуються лінією. У отриманих на діаграмі областях записують фази або структурні складові. Лінія діаграми стану на якій при охолодженні починається кристалізація сплаву називається лінією ліквідус, а лінія на якій кристалізація завершується - лінією солідус.

Види діаграм стану. Діаграма стану сплавів, що утворюють механічні суміші (рис. 9), характеризується відсутністю розчинення компонентів у твердому стані. Тому в цьому сплаві можливе утворення трьох фаз: рідкого сплаву Ж, кристалів А і кристалів В. Лінія АСВ діаграми є лінією ліквідус: на ділянці АС при охолодженні починається кристалізація компонента А, а на ділянці СВ - компонента В. Лінія DСЕ є лінією солідус, на ній завершується кристалізація А чи В і при постійній температурі відбувається кристалізація евтектики Е. Сплави концентрація яких відповідає точці С діаграми називаються евтектичними, їх структура представляє собою чисту евтектику.

Сплави, розташовані на діаграмі лівіше евтектичного, називаються до евтектичні, їх структура складається із зерен А й евтектики. Ті сплави які на діаграмі розташовані правіше евтектичного, називаються заевтектичними, їх структура представляє собою зерна В, оточені евтектикою.

Вміст В, %

Рис. 9 Діаграма стану сплавів, що утворюють механічні суміші.

Діаграма стану сплавів з необмеженою розчинністю компонентів в твердому стані зображена на рис. 10. Для цього сплаву можливе утворення двох фаз: рідкого сплаву і твердого розчину α. На діаграмі є всього дві лінії, верхня є лінією ліквідус, а нижня - лінією солідус.

Діаграма стану сплавів з обмеженою розчинністю компонентів в твердому стані показана на рис 11. У цьому сплаві можуть існувати три фази - рідкий сплав, твердий розчин α компонента В у компоненті А і твердий розчин β компонента А в компоненті В. Дана діаграма містить в собі елементи двох попередніх. Лінія АСВ є лінією ліквідус, лінія АDСЕВ - лінією солідус. Тут також утворюється евтектика, є евтектичні, доевтектичні і заевтектичні сплави. По лініях FD і EG відбувається виділення вторинних кристалів α_II і β_II (внаслідок зменшення розчинності з пониженням температури). Процес виділення вторинних кристалів з твердої фази називається вторинною кристалізацією.

Вміст В, % Вміст В, %

Рис. 10 Діаграма стану сплавів з Рис. 11 Діаграма стану сплавів з

необмеженою розчинністю. обмеженою розчинністю компонентів

в твердому стані.

Діаграма стану сплавів, що утворюють хімічну сполуку (рис. 12) характеризується наявністю вертикальної лінії, що відповідає співвідношенням компонентів у хімічному з'єднанні А_mВ_n. Ця лінія ділить діаграму на дві частини, які можна розглядати як самостійні діаграми сплавів, утворених одним з компонентів з хімічною сполукою. На рис. 12 зображена діаграма для випадку, коли кожен з компонентів утворює з хімічною сполукою механічну суміш.

Вміст В, %

Рис. 12 Діаграма стану сплавів, що утворюють хімічні з’єднання.

3. Сплави заліза з вуглецем

3.1. Діаграма стану залізовуглецевих сплавів

Діаграма стану залізовуглецевих сплавів дає уявлення про будову основних конструкційних сплавів - сталей і чавунів.

Компоненти, фази і структурні складові сплавів заліза з вуглецем. Залізо - пластичний метал сріблясто-білого кольору з невисокою твердістю (НВ 80). Температура плавління - 1539°С, щільність 7,83 г/см³. Має поліморфні модифікації (див. розділ 2.1.). З вуглецем залізо утворює хімічну сполуку і тверді розчини.

Цементит - це хімічна сполука заліза з вуглецем (карбід заліза) Fe₃С. У ньому міститься 6,67% вуглецю (за масою). Має складну ромбічну кристалічну решітку. Характеризується дуже високою твердістю (НВ 800), вкрай низькою пластичністю і крихкістю.

Феритом називається твердий розчин вуглецю до α-залізі. Вміст вуглецю в фериті дуже невеликий - максимально 0,02% при температурі 727°С. Завдяки настільки малому вмісту вуглецю властивості фериту збігаються з властивостями заліза (низька твердість і висока пластичність). Твердий розчин вуглецю в високотемпературній модифікації Feα (тобто в Feδ) часто називають δ-феритом або високотемпературним феритом.

Аустеніт - це твердий розчин вуглецю в γ-залізі. Максимальний вміст вуглецю в аустеніті складає 2,14% (при температурі 1147°С). Має твердість НВ 220.

Перліт - це механічна суміш фериту з цементитом. Містить 0,8% вуглецю, утворюється з аустеніту при температурі 727°С. Має пластинчасту будова, тобто його зерна складаються з чергуючихся платівок фериту і цементиту. Перліт є евтектоідом. Евтектоід - це механічна суміш двох фаз, що утворюється з твердого розчину (а не з рідкого сплаву, як евтектика).

Ледебурит представляє собою евтектичну суміш аустеніту з цементитом. Містить 4,3% вуглецю, утворюється з рідкого сплаву при температурі 1147°С. При температурі 727°С аустеніт, що входить до складу ледебуриту перетворюється на перліт і нижче цієї температури ледебурит являє собою механічну суміш перліту з цементитом.

Фаза цементиту має п'ять структурних форм: цементит первинний, що утворюється з рідкого сплаву; цементит вторинний, що утворюється з аустеніту; цементит третинний, що утворюється з фериту; цементит ледебуриту; цементит перліту.

Діаграма Fе-Fе₃С. На рис. 13 приведено діаграма стану сплавів заліза з цементитом. На горизонтальній осі концентрацій відкладено вміст вуглецю від 0 до 6,67%. Ліва вертикальна вісь відповідає 100% вмістом заліза. На ній відкладені температура плавлення заліза і температури його поліморфних перетворень. Права вертикальна вісь (6,67% вуглецю) відповідає 100% змісту цементиту. Літерне позначення точок діаграми прийнято відповідно до міжнародного стандарту і зміні не підлягає.

Лінія АВСД діаграми є лінією ліквідус. На ній починається кристалізація: на ділянці АВ - фериту, ВС - аустеніту і СД - первинного цементиту. Лінія AHJECF є лінією солідус діаграми.

Рис. 13 Діаграма стану сплавів заліза з цементитом.

Сплави заліза з вуглецем в залежності від вмісту вуглецю діляться на технічне залізо (до 0,02% С), сталь (від 0,02 до 2,14% С) і чавун (від 2,14 до 6,67% С). Сталь, що містить до 0,8% С називається доевтектоїдною, 0,8% С - евтектоїдною і понад 0,8% С - заевтектоідною. Чавун, що містить від 2,14 до 4,3% С називається доевтектоїдним, рівно 4,3% - евтектичним і від 4,3 до 6,67% С - заевтектичних.

Структура технічного заліза являє собою зерна фериту або ферит з невеликою кількістю третинного цементиту. Обов'язковою структурної складової сталі є перліт. Структура доевтектоїдної сталі, складається з рівномірно розподілених зерен фериту і перліту. Евтектоїдна сталь складається тільки з перліту. Структура заевтектоідної стали являє собою зерна перліту, оточені суцільною або переривчастою сіткою вторинного цементиту. Для чавуну характерна наявність ледебуріта в структурі. Структура доевтектичного чавуну складається з перліту, вторинного цементиту і ледебуриту, евтектичного - з ледебуриту і заевтектичних - з ледебуриту та первинного цементиту.

Значення діаграми залізо - цементит полягає в тому, що вона дозволяє пояснити залежність структури і, відповідно, властивостей сталей і чавунів від вмісту вуглецю та визначити режими термічної обробки для зміни властивостей сталей.