15. Техническая и теоретическая прочность металлов

Прочность – это свойство твердых тел сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы под воздействием внешних сил. Техническая прочность металлов значительно меньше теоретической. Фактическая прочность уменьшается главным образом вследствие наличия в металле несовершенств.

После термической обработки (закалки) стали ее твердость увеличивается в 2,5-3 раза.

Методы повышения  прочности металлических материалов:

* Легирование;

* Термическая обработка;

* Химико-термическая обработка;

* Пластическое деформирование;

* Термомеханическая обработка;

* Композиционные и многослойные материалы;

* Порошковые и гранулированные материалы.

Для упрочнения сплавов в последнее время используют такие методы, как ультразвуковая обработка, магнитная обработка, облучение частицами высокой энергии, лазерная обработка, высокие давления и т.д. Одним из путей повышения прочности является получение композиционных и многослойных материалов, а также получение материалов методами порошковой металлургии. Техническая прочность, определяемая при разрыве, зависит от объема деформируемого материала ( образца): чем больше объем, тем больше вероятность нахождения в йем наиболее опасных дефектов структуры, тем ниже прочность, и наоборот. 

Техническая прочность - это реально достигнутая прочность, оценивается обычно по пределу прочности при растяжении. 

Теоретическая прочность металлов, определяемая силами межатомной связи в кристаллической решетке, в сотни и тысячи раз превышает их техническую ( реальную) прочность. 

Теоретическую прочность металлов определяют из условий деформации или разрушения в упругой области идеальной решетки монокристалла, в которой действию внешней нагрузки противостоит межатомная связь. 

16. Основные определения теории спалавов. Построение диаграмм состояния сплавов. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых не растворяются друг в друге

Сплавом называется вещество, полученное сплавлением или спеканием двух или более компонентов.

Компонентаминазываются химические элементы или устойчивые химические соединения, входящие в состав сплава. Компоненты мо­гут образовывать одну или несколько фаз.

Фазой называется простейшая структурная составляющая часть сплава, отделенная от других частей границами раздела, при пере­ходе через которые наблюдается резкое изменение свойств

Структурной составляющей сплава называется структурно обособленная часть сплава, имеющая под микроскопом однородное строение. Структурная составляющая может быть многофазной.

Системойсплавов называется совокупность всех возможных сплавов на основе двух или более компонентов, например система «железоцементит».

Чистые компоненты выделяются из жидкой фазы в виде кристал­лов различной величины в тех случаях, когда компоненты совершен­но не растворяются друг в друге в твердом состоянии, например, в сплавах свинец-сурьма, серебро-свинец, олово-цинк и др.

Твердым раствором называется однофазная структура с кристаллической решеткой, образованной атомами компонентов, входящих в состав сплава

Различают два основных типа твердых растворов: замещения и внедрения (рис. 5.1).

Твердые растворы замещенияобразуются путем замещения ато­мами растворенного вещества атомов растворителя в его кристалли­ческой решетке. Твердые растворы могут состоять из двух и более компонентов, но в сплаве такой твердый раствор представляет собой одну фазу.

Твердые растворы обычно обозначаются буквами ,  и т.д. Твердые растворы замещения могут быть с ограниченной и неогра­ниченной растворимостью компонентов друг в друге.

Рис. 5.1. Искажения кристаллической решетки при образовании твердых растворов замещения и внедрения:

а – твердый раствор замещения: атомный радиус растворяемого металла больше атомного радиуса металла-растворителя;

б– твердый раствор замещения: атомный радиус растворяемого металла меньше атомного радиуса металла-растворителя; в - твердый раствор внедрения

Твердые растворы внедренияобразуются путем внедрения от­дельных атомов растворенного вещества в свободные поры кристал­лической решетки растворителя. Эти твердые растворы характери­зуются ограниченной растворимостью растворяющегося компонента, который, как правило, имеет значительно меньший атомный радиус.

Химические соединения разнообразные фазы, характеризую­щиеся тем, что они имеют свои свойства, кристаллическую решетку и температуру плавления, в соединении сохраняется простое крат­ное соотношение атомов компонентов, которое можновыразить фор­мулой А_mВ_n. Образование химических соединений сопровождается определенным тепловым эффектом. Наиболее часто встречаются сле­дующие химические соединения: карбиды, нитриды, оксиды, сульфи­ды, бориды и др.

Правила построения диаграмм состояния

Диаграммой состояния называется график зависимости темпера­тур фазовых превращений от концентраций сплавов.

Диаграммы состояния строят на основе термического анализа, в результате которого получают кривые охлаждения.

Температуры начала и конца фазовых превращений, которые определяются по кривым охлаждения, называются критическими, а соответствующие им точки на кривых охлаждения критическими точками.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых не растворяются друг в друге в твердом состоянии

Сплавы, затвердевающие в соответствии с данной диаграммой, характеризуются тем, что их компоненты:

 в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых со­отношениях;

 в твердом состоянии совершенно не растворяются один в другом;

 не образуют между собой химических соединений;

не имеют аллотропических превращений.

Рассмотрим построение диаграммы состояния "свинецсурьма" (PbSb). Для этого берут чистые свинец и сурьму и на их ос­нове готовят ряд сплавов с различным содержанием компонентов. Сплавы расплавляют и при медленном охлаждении с постоянным теплоотводом записывают кривые охлаждения (рис. 5.2).

Начальные точки каждой кривой охлаждения соответствуют ну­левому отсчету времени и отвечают жидкой фазе. Точки излома и горизонтальные площадки являются критическими точками. Чистый свинец (кривая 1) имеет только одну критическую точку при тем­пературе плавления (327С). Чистая сурьма (кривая 6) также имеет одну критическую точку, которая соответствует 631°С. Сплав, содержащий 13%сурьмы и 87%свинца (эвтектический сплав), имеет также одну критическую точку, выраженную горизонтальной площадкой при температуре 246°С (кривая 3). Все остальные сплавы (кривые 2, 4, 5) имеют по две критические точки.

Температуры начала кристаллизации у этих сплавов различны, а температура конца кристаллизации у всех сплавов одна и та же и равна 246°С.

Построение диаграммы состояния проводится в координатах "температураконцентрация компонентов".

Рис. 5.2. Построение диаграммы состояния «свинецсурьма»

по кривым охлаждения

.

Линией ликвидус называется геометрическое место точек на­чала кристаллизации. Выше этой линии все сплавы данной системы находятся в жидком состоянии.

Соединив точки конца кристаллизации, получим линию ДСЕ линию солидус.

Линией солидус называется геометрическое место точек конца кристаллизации. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. Линия солидус на диаграммах данного типа является ли­нией эвтектического превращения, так как на ней происходит крис­таллизация эвтектики.

Эвтектика представляет собой мелкодисперсную механическую смесь компонентов (свинца и сурьмы) (рис. 5.3) или фаз. Она имеет постоян­ный состав и наименьшую температуру плавления. Затвердеваниеэвтектики происходит при постоянной температуре.

Рис. 5.3. Микроструктура эвтектического сплава, х250

(Pb – 87%, Sb – 13%)

Сплавы левее точки С называются доэвтектическими, а правее заэвтектическими. При кристаллизации сплавов, отличающихся по составу от эвтектического, в первую очередь ниже линии ликвидус кристаллизуется избыточный по сравнению с эвтектическим соста­вом компонент. В доэвтектических сплавах ниже линии АС кристал­лизуется свинец (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Микроструктура доэвтектического сплава, х250

(Pb – 94%, Sb – 9%).

Первичные кристаллы свинца и эвтектика

В заэвтектических сплавах ниже линии СВ кристаллизуется сурьма (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Микроструктура заэвтектического сплава, х250

(Pb – 70%, Sb – 30%)

Первичные кристаллы сурьмы и эвтектика

Для анализа фазового состава в любой точке двухфазной об­ласти через эту точку (например N, рис. 5.2) проводится гори­зонтальный отрезок влево и вправо до пересечения с линиями диаг­раммы. Этот отрезок (ав) называется конодой.

1 7. Правило фаз и отрезков. Определение структурного и фазового состава сплавов. Диаграмма состояния сплавов , компоненты которых неограниченно растворяются друг в друге Правило фаз Гиббса и правило отрезков.  Состояние сплава зависит от внешних условий (температуры и давления) и характеризуется числом и концентрацией образовавшихся фаз. Закономерность изменения числа фаз в гетерогенных системах определяется правилом Гиббса. Правило фаз устанавливает зависимость между числом степени свободы, числом компонентов и числом фаз. С = К + 2 – Ф, где к – число компонентов, с – число степеней свободы, ф –число фаз, 2 – внешние факторы, т.е. изменяющаяся температура и давление, для сплавов принята несколько иная форма зависимости с = к -ф + 1 при условии постоянства давления. Под числом степени свободы понимают зависимость изменения температуры, давления и концентрации без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.

Если С =0, то система безвариантна, то, очевидно, нельзя изменять внешние и внутренние факторы системы без того, чтобы это не вызвало изменения числа фаз. Если С = 1 – моновариантная система, то возможны изменения одного из перечисленного фактора (давления или темп), и это не вызовет изменения числа фаз. При С = 2 система бивариантная. Имея диаграмму состояния, можно проследить за фазовым превращением любого состава и указать состав и конечное соотношение фаз при любой температуре при помощи двух простых правил:

1) правило определения состава:

Через данную точку проводим горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область. Проекции точек пересечения на горизонтальную ось диаграммы покажут состав жидкой фазы и твердой фазы.

2) правило определения количества фаз ( правило отрезков) :

для того чтобы определить количество фаз через заданную точку проводят горизонтальную линию до пересечения с линией, ограничивающей эту область. Отрезки между заданной точкой и точками с соответствующим составом фаз обратно пропорциональны их количеству.

3) поверхностные дефекты – границы зерен, межфазовые границы, дефекты упаковки;

Если под микроскопом наблюдать микроструктуру металла, то видно, что металл состоит из отдельных зерен, т.е. имеет место зеренное строение. Наиболее дефектные участки в структуре – границы зерен, т.е. места стыка зерен. По границе, помимо примесей, концентрируются и дефекты кристаллической решетки: вакансии и дислокации. Однако зерно само по себе не является совершенным. Оно состоит как бы из мозаики отдельных блоков 10^-5…10^-6 см. Это так называемые блоки мозаики.

Неограниченные твердые растворы замещения в твердом состоянии обра­зуют компоненты с однотипной кристаллической решеткой, имеющие небольшую разницу в параметрах решетки и близкие по физическим свойствам. К таким сплавам относятся системы: медьникель, медьзолото, медьплатина, золотосеребро, железоникель, железова­надий и др.

Построение диаграммы состояния неограниченных твердых раст­воров проводится так же, как и построение диаграмм состояния эвтектического типа по кривым охлаждения (рис.5.6).

Рис. 5.6. Построение диаграммы состояния «никельмедь»

по кривым охлаждения

Кривые охлаждения 1 и 5 характеризуют кристаллизацию никеля и меди при постоянной температуре, равной температуре их плавления. Кристаллизация всех других сплавов (кривые 2, 3, 4) протекает при переменной температуре, и характер кривых охлаждения для всех сплавов будет один и тот же.

Перенеся критические точки с кривых охлаждения на ордина­ты с соответствующим составом сплавов и соединив одноименные точки линиями, получим верхнюю, слегка выпуклую, линию линию начала кристаллизации (ликвидус) и нижнюю, слегка вогнутую, линию линию конца кристаллизации (солидус).

На этой диаграмме выше линии ликвидус все сплавы представ­ляют собой жидкий раствор компонентов, между линиями ликвидус и солидус жидкий и твердый () растворы, а ниже линии солидус все сплавы однофазны и состоят из -твердого раствора.

Кристаллизация сплавов данной системы начинается ниже линии ликвидус и заключается в выделении из жидкого раствора кристаллов твердого раствора. Состав жидкой фазы при понижении температуры будет изменяться по линии ликвидус, состав твердой фазы – по линии солидус. В момент окончания процесса кристаллизации при достаточной скорости диффузии концентрация твердого раствора должна быть равна исходной концентрации сплава.