§ 6.9. Зв'язок між властивостями сплавів і типом діаграми стану. Фізико-хімічний закон н. С. Курнакова

Фізичні властивості сплавів залежать від фазового стану сплавів. Дослідженнями Н. С. Курнакова, А. А. Бочвара встановлений зв'язок між діаграмами стану сплавів, фізичними і технологічними властивостями сплавів.

На мал. 6.8, а...м приведені чотири основних типи діаграм стану і закономірності зміни властивостей у цих сплавів у залежності від складу, що полягають у наступному.

1. Якщо при сплавці компонентів утвориться механічна суміш фаз, то властивості сплавів зі зміною складу змінюються за законом прямої лінії (аддитивно) (мал. 6.8, а).

2. Якщо компоненти при сплавці утворять необмежені тверді розчини, то властивості змінюються по криволінійному законі з максимумом або мінімумом (мал. 6.8,6).

3. Якщо при сплавці компонентів утворяться обмежені тверді розчини, то в тій частині, де мають місце однофазні області твердих розчинів, властивості змінюються за законом

Рис. 6.8. Зв'язок між діаграмами стану і фізичних властивостей сплавів

кривої лінії. У двухфазных областях властивості змінюються аддитивно (мал. 6.8,в).

4. Якщо компоненти утворять хімічна сполука, то складу хімічної сполуки відповідає максимум або мінімум на кривій зміни властивостей. Ця крапка перелому, що відповідає складу хімічної сполуки, називається сингулярною крапкою (мал. 6.8, г).

Представлена на мал. 6.8, а...м зв'язок між властивостями і видом діаграми стану сплавів є наближеною схемою, тому що тут не враховуються впливи на властивості структури (форми і розмірів кристалів) і температурного фактора, що у багатьох випадках роблять дуже великий вплив на властивості сплавів. Так, зокрема, при утворенні дисперсної механічної суміші фаз дисперсні фази (эвтектические і эвтектоидные структури) можуть досить різко відрізнятися по твердості і міцності від грубокристалличес-ких структур, що приводить до порушення закону аддитивности. Також впливає на властивості наявність у структурах окремих сплавів різної кількості складових з низькою температурою плавлення.

Знання цих закономірностей значно полегшує створення нових сплавів із заданими властивостями і сприяє більш цілеспрямованому використанню існуючих сплавів.

№ 26. Потрібно підібрати сплав для виготовлення реостатного дроту з високим электросопротивлением. Сплави з яким типом діаграми стану найбільше ймовірно підійшли б для цієї мети (мал. 6.8, а...г)?

Відповідь: сплави типу: 1) мал. 6.8, а, див. с. 186; 2) мал. 6.8, б, див. с. 186.

Зв'язок між діаграмами стану і технологічних властивостей сплавів. Діаграми стану дозволяють теоретично прогнозувати, які сплави найбільш придатні для виготовлення деталей- методом лиття, обробки тиском і ін. На діаграмі мал. 6.9 показана залежність пластичності і

ливарних властивостей від складу сплавів. З малюнка видно, що найбільш пластичними є чисті компоненти й однофазні тверді розчини. Пластичність різко знижується з появою двухфазных сумішей. Видно, як змінюються жидкотекучесть і усадочні явища в сплавах у залежності від складу. Узявши це за основу, студент може вирішити приводяться нижче за дачі.

№ 27. Система має діаграму стану, подібну показаний на мал. 6.6. Які сплави можна рекомендувати для виготовлення виробів методом глибокої витяжки?

Відповідь: див. с. 186

Л 28. Якого складу сплави раціонально використовувати для виготовлення деталей методом лиття (див. діаграму мал. 6.6)?

Відповідь: див. с.186

.№ 29. Якщо виготовити виливка зі сплаву V (див. мал. 6.6), то утвориться зосереджена усадочна раковина (мал. 6.9). Як можна одержати виливок без раковини?

Відповідь: 1) застосувати лиття в кокіль, див. с. 186; 2) установити в масивній частині виливка прибуток, див. с. 186.

Зв'язок між діаграмами стану (фазами в сплавах) і конструкційною міцністю матеріалу. Як і

у чистих металах, проблема конструкційної міцності визначається рухливістю і гальмуванням дислокації. Основною фазою в технічних сплавах є тверді розчини. Атоми розчиненого компонента неоднородно розподіляються в зернах металу розчинника.

На розташування розчинених атомів у кристалічних ґратах розчинника впливають взаємодія пружних полів напруг дислокації і примесных атомів. Атоми елемента, розчиненого по способі впровадження, притягаються до області розтягання під краєм экстраплоскости крайової дислокації (див. мал. 3.4). Там же переважно розташовуються атоми, розчинені по способі заміщення, якщо розміри цих атомів більше розмірів атомів основного металу. Якщо розчинені атоми мають розміри менше розмірів атомів розчинника, то вони притягаються до області гідростатичного стиску дислокації і розташовуються над краєм экстра-

Рис. 6.9. Діаграма стану і технологічні властивості сплавів

площини. Енергія зв'язку з крайовою дислокацією впроваджених атомів приблизно 0,2...0,5 ев; для атомів заміщення ця енергія складає 0,05...0,1 ев. Ланцюжка сторонніх атомів уздовж краю экстраплоскости називаються атмосферою Котрелла. З підвищенням температури ці атмосфери розсмоктуються дифузією.

Крім атмосфер Котрелла встановлені й інші види розміщення розчинених атомів як біля крайових, так і гвинтові дислокації (атмосфери Сузуки), що вміщають більшу кількість розчинених атомів, чим атмосфери Котрелла.

Атмосфери, що утворяться, блокують дислокації й утрудняють їхній рух. При нормальних умовах дислокації можуть відриватися від атмосфер, для чого, однак, вимагаються більш високі напруги.

Зміцнення при утворенні твердих розчинів можна визначити по формулі, отриманої Моттом і Набарро:

про^ПРО^З,

де Від — границя текучості; ОБ — модуль зрушення; е — параметр, що залежить від розходження розмірів атомів розчиненого компонента м і розчинника го( е == ^м ~^г"); С— атомна концентрація

розчиненого компонента.

Зміцненням при утворенні твердого розчину досягаються значення Від Зё Ю^О.

Найбільше зміцнення досягається створенням двох- або багатофазних сплавів, що складаються з твердих розчинів і включень інших фаз, переважно у виді хімічних соедине--ний, що гальмують рух дислокації 'і підвищують границю текучості матеріалу. На мал. 6.10, а показаний рух дислокації в таких сплавах при їх нагружении.

1. Коли відстань / між включеннями М досить велико, що рухається дислокація починає обгинати включення (мал. 6.10, а). При цьому збільшується довжина дислокації, і виникають сили, що прагнуть відновити прямолінійну форму дислокації. Для проштовхування дислокації між включеннями М, відстань між якими /, необхідна напруга Тпр= == ОЬ/1, де ОБ — модуль зрушення, Ь — вектор Бюргерса дислокації. При діючій напрузі т»Тпр дислокація вигинається між частками; ділянки її за ними стуляються, утворити дисло-

- , ,, - ' кационные петлі (мал. 6.10,6). до^ії⁶^ ^"Вус^з^ = При русі нові дислокації цах М утворяться нові кільця і торб-

марная довжина дислокації й енергія решітк росте, що додатково утрудняє проштовхування нові дислокації.

2. Коли відстань / між частками дуже мало, можливе перерізання дислокацією часток включень (мал. 6.10, в). У силу цього усередині частки виникає зрушення на величину вектора Бюргерса дислокації, що приводить до збільшення поверхні між матрицею і перерізаною часткою, завдяки чому додатково зростає опір руху дислокації.

№ 30. Які з матеріали, що приводиться, є найбільш міцними? Відповідь: сплави, що складаються з: 1) твердих розчинів, див. с. 187; 2) твердих

розчинів з мелкодисперсными включеннями хімічних сполук, див. с. 187. Нижче приводяться основні положення, якими варто керуватися

при створенні або виборі сплавів для того або іншого призначення.

1. Найкращими конструкційними матеріалами, від яких потрібно висока міцність при достатній пластичності, є тверді розчини з дисперсними включеннями іншої фази. Випливає по можливості уникати двухфазных сплавів, коли інша фаза виділяється навколо зерен основної фази сплаву. Такі сплави відрізняються високою крихкістю. Дуже високоміцними є сплави, зміцнені нитковидними монокристаллами направленно зростаючих эвтектик (композити).

2. Найкращими матеріалами для дуже зносостійких інструментів є сплави, основу яких складають высокотвердые хімічні сполуки, зцементовані грузлою фазою твердого розчину.

3. Як підшипникові матеріали найбільш підходящими є сплави, що складаються із суміші різних фаз, коли основу сплаву складає м'яка фаза або структурна складова, у яку вкраплені більш тверді кристали.

4. Як легкоплавкі сплави і припоев застосовуються эвтектические або близькі до них сплави.

Поняття про діаграми стану потрійних сплавів. Роль подвійних сплавів у техніку порівняно мала. Значно частіше застосовуються сплави більш складного складу, діаграми стану яких також більш складні, чим діаграми стану подвійних сплавів.

Так, діаграми стану потрійних сплавів є просторовими фігурами (мал. 6.11, а). Для відображення концентрації потрійного сплаву звичайно використовується частина площини у виді рівностороннього трикутника, що називається концентраційним трикутником (мал. 6.11, г).

Структура концентраційного трикутника наступна. У вершинах трикутника відзначаються компоненти А, У, З, що утворять потрійну систему. Сторони трикутника відповідають подвійним сплавам У, З, С-А. Будь-яка крапка усередині трикутника відповідає цілком визначеному по складу потрійному сплаву.

При визначенні концентрації потрійного сплаву за 100 % складу сплаву приймається довжина сторони трикутника. Професором Ю. А. Геллером запропонований дуже зручний метод визначення концентрації потрійного сплаву за правилом трьох відрізків. Розглянемо визначення концентрації сплаву в крапці про (мал. 6.11, г) по цьому методі. Для цього через крапку про проводять два відрізки, наприклад ор і ог, рівнобіжним двом сторонам

Рис. 6.11. Просторова діаграма стану потрійної системи, компоненти якої у твердому стані взаємно нерозчинна (в); крива охолодження сплаву / (б); проекція лінії потрійної діаграми стану на площину концентраційного трикутника (в); концентраційний трикутник (г)

греугольника Л С и ВР із виходом цих відрізків на третю сторону АВ. Крапки перетинання поділяють сторону АВ на три частини:

Ар, гр і гВ. При цьому довжина відрізка рг, противолежащая вершині З, покаже зміст компонента С. Довжина відрізка гВ, що прилягає праворуч, покаже зміст компонента, розташованого в лівій вершині А. Довжина відрізка Ар, що прилягає ліворуч, показує кількість компонента, розташованого в правій вершині В.

Л 31. Чому дорівнює склад потрійного сплаву РЬ—5п—В1 (див. мал. 6.11, в) у гічці е?

Відповідь: див. с. 186.

На мал. 6.11, а представлена діаграма стану потрійної системи З, коли компоненти у твердому стані практично взаємно нерозчинні.

Діаграма представляє тригранну призму, підставою якої є концентраційний трикутник, гранями — діаграми стану подвійних сплавів У, З і С-А. Зверху діаграму обмежує складна поверхня, що складається з трьох поверхонь ліквідусів А\е\Її^А\, У\е\Її^У\ і З\е<гЕезС\, що примикають відповідно до компонентів А, В и С.

Розглянемо процес кристалізації сплаву / складу крапки о' усередині концентраційного трикутника ЛВС (мал. 6.11, а). При охолодженні сплаву / до температури Т\ (крапка / на кривій охолодження, мал. 6.11, б) прохолоджується рідка фаза. При досягненні температури Т\ (крапка о) на поверхні ліквідус У\е\ЕечВ\ з рідини починають виділятися кристали компонента В. У міру виділення кристалів До складу рідкої фази змінюється по проекції кривій оЬ', що є продовженням відрізка, проведеного через вершину В и крапку о'. При температурі Тч склад рідкої фази відповідає проекції крапки Ь перетинання лінії оЬ з лінією е\Е, що є лінією перетинання поверхонь ліквідусів, що примикають до вершин У\ і А\. Очевидно, починаючи від температури Гд із рідкої фази одночасно кристалізуються компоненти В и А, тобто утвориться подвійна эвтектика Э(А-)-У).

Умова кристалізації подвійний эвтектики відповідає ділянці 2—3 на кривій охолодження (мал. 6.11, б). При зниженні температури в міру кристалізації подвійний эвтектики Э(А + У) склад рідкої фази змінюється по проекції лінії ЬЕ. При температурі Гз склад рідкої фази відповідає проекції крапки Е перетинання трьох поверхонь ліквідусів, що йдуть від вершин А\, У\ і З[. Очевидно, при Гз відбувається остаточна кристалізація рідини, що залишилася, у потрійну эвтектику Э(А+У+З) при постійній температурі, тому що З=3-4+ +1=0. Таким чином, у процесі кристалізації сплаву / утворилася структура, що складається з кристалів У + Э(А -)- У) + +Э(А+У+З), схема якої приведена біля кривої охолодження на ділянці нижче 3—3' (мал. 6.11, б).

Розбір просторових діаграм стану потрійних систем за розглянутою методикою через складну будівлю діаграми не завжди вдається здійснити досить наочно і переконливо. Тому діаграми стану представляються не у виді просторового зображення, як на мал. 6.11, а, а у виді проекції ліній перетинання поверхонь просторової діаграми на площину концентраційного трикутника, як це зроблено для розглянутої діаграми стану на мал. 6.11, в.

Недоліком методу проекції при вивченні потрійних систем є відсутність температурної осі. Однак цей недолік значною мірою усувається, якщо на проекцію діаграми нанесені проекції ліній перетинання поверхонь просторової діаграми ізотермічними площинами, тобто ізотерми. На мал. 6.11, у показані проекції ліній перетинання декількох ізотермічних площин з поверхнями просторової діаграми стану потрійної системи РЬ—8п—В1.

№ 32. З чого складається структура сплаву складу крапки / системи РЬ— §п—В! (мал. 6.11, в)? Відповідь: див. с. 186.

У потрійних системах можуть утворюватися хімічні сполуки — тверді розчини; відбуватися поліморфні перетворення і т.д., що в значній мірі ускладнює вид діаграми.

Для рішення ряду практичних задач широко користуються зображеннями горизонтальних і вертикальних переріз діаграм стану потрійних сплавів.

Вертикальні розрізи особливо широко використовуються для технічних сплавів на залізній основі типу «залізо-вуглець-легуючий елемент». Вони дозволяють установити зміну температур кристалізації і фазових перетворень у твердому стані для серії сплавів, у яких цілеспрямовано змінюють зміст одного компонента (звичайно вуглецю) у складі сплаву. Такі перетини схожі на діаграми стану подвійних сплавів і, аналогічно останнім, є підставою для рішення багатьох важливих питань.