Рекомендована література
[1. с. 143 – 150; 2. с. 111 – 115; 3. с. 5 – 7; 4. с. 5 – 20; 5. с. 97 – 107; 8. с. 12 – 14]
Поняття про сплави, умови їх утворення та способи одержання
Тривалий період у своєму розвитку людське суспільство використовувало для своїх потреб (знаряддя праці та полювання, начиння, прикраси та ін.) обмежене коло матеріалів: дерево, камінь, волокна рослинного і тваринного походження, обпалену глину, скло, бронзу, залізо.
Промисловий переворот 18 ст. і подальший розвиток техніки, особливо створення парових машин і поява в кінці 19 ст. двигунів внутрішнього згоряння, електричних машин та автомобілів, ускладнили вимоги до матеріалів їх деталей, які стали працювати при складних знакозмінних навантаженнях, підвищених температурах і ін.
Основою конструкційних матеріалів, стали металеві сплави на основі заліза (чавуни і сталі), міді (бронзи і латуні), свинцю і олова.
Металеві сплави представляють собою поєднання двох або кількох компонентів (металів і неметалів), в яких зберігаються металеві властивості.
Більшість сплавів одержують в рідкому стані шляхом сплавляння, проте можуть бути одержані і шляхом спікання, електролізу, конденсації тощо.
Металеві сплави – це складні з’єднання (суміші) на основі металів, що зберігають високу електро- і теплопровідність, ковкість і інші властивості. Сплави можуть складатися з декількох металів або металів і неметалів. У техніці метали і їхні сплави звичайно відносять до однієї групи матеріалів – до металів.
У рідкому стані більшість сплавів однорідні і у фізико-хімічному розумінні представляють одну фазу. Після затвердіння в сплаві може утворитися декілька фаз. Кількість фаз і їх природа визначаються характером взаємодії компонентів сплаву при затвердінні. В залежності від характеру взаємодії компонентів розрізняють сплави: механічні суміші, тверді розчини та хімічні сполуки. Всі ці сплави утворюються при різних умовах, що визначаються характеристиками складових компонентів сплаву.
Переваги сплавів, як конструкційних матеріалів, перед чистими металами
Потрібно відмітити, що для виробництва конструкцій в основному використовуються сплави, а не чисті метали. Чисті метали, як правило, мають низькі механічні властивості: міцність, твердість, зносостійкість, а також суттєво піддаються корозії.
Сплави за своїми властивостям можуть суттєво відрізнятися від властивостей елементів, з яких він складається. Крім того, змінюючи вміст елементів сплаву можна направлено змінювати його властивості відповідно до вимог експлуатації конструкції. Тому розуміння будови сплавів, умов їх утворення та складу, їх механічних властивостей відіграє важливу роль в раціональному використанні їх при виборі матеріалу для виготовлення деталей машин, створенні зварних конструкцій тощо.
Використання сплавів обумовлене ще й тим, що крім наявності у них специфічних властивостей або їх поєднання, властивості сплавів можна змінювати при допомозі пластичної деформації, термічної або термомеханічної обробки значно сильніше, ніж металів.
Будова сплавів: механічні суміші та їх характеристики
Якщо при затвердінні компоненти сплаву не взаємодіють між собою, то утворюється механічна суміш зерен кожного із компонентів. Сплав – механічна суміш може складатися із двох і більшого числа фаз.
При цьому кожна із фаз зберігає свій тип кристалічної ґратки. Сплави – механічні суміші – неоднорідні і можуть мати змінний відсотковий вміст компонентів у широких межах. Такі суміші можуть утворюватися при значній різниці атомних радіусів елементів і температур їх плавлення.
Рисунок 3.1 – Схема мікроструктури сплаву-механічної суміші, що складається з компонентів А (світлі зерна) і В (темні зерна)
Будова сплавів: тверді розчини та їх характеристики
Твердим розчином двох (або більше) компонентів називають однорідне тверде тіло, що має певний тип кристалічної ґратки (ОЦК, ГЦК, ГЩУ та ін.). Тверді розчини представляють собою однофазні сплави змінного хімічного складу, в яких зберігається кристалічна решітка одного з компонентів. Речовина, кристалічна решітка якої зберігається у твердому розчині, називається розчинником. Розрізняють тверді розчини заміщення та тверді розчини впровадження.
Тверді розчини заміщення. В цьому випадку атоми розчиненого компонента займають частину вузлів кристалічної ґратки розчинника – заміщують його атоми (рисунок 3.2, а). Такі розчини утворюються при умові різниці атомних радіусів компонентів не більше як на 8...15 % і тому є обмеженими. Цей вид твердих розчинів може мати постійну і змінну взаємну розчинність компонентів при зміні температури.
Тверді розчини впровадження утворюються між металами і неметалами (вуглець, азот, водень, бор), які характеризуються малими атомними радіусами порівняними за розмірами з порами у кристалічній гратці металів. Як правило, утворюються тверді розчини впровадження на базі перехідних металів (Fe, Co, Mn та ін.). Атоми розчиненого компонента “розсовують” атоми розчинника – параметри його кристалічної ґратки збільшуються (рисунок 3.2, б).
Рисунок 3.2 – Розташування атомів в твердих розчинах:
а) твердий розчин заміщення; б) твердий розчин впровадження
Розчинність у твердому стані може бути обмеженою і необмеженою. При утворенні твердих розчинів властивості сплавів можуть змінюватись плавно (в залежності від складу елементів) і відрізняються від властивостей чистих металів, з яких вони утворені. При необмеженій розчинності компонентів кристалічна решітка компонента розчинника по мірі збільшення концентрації розчиненого в ньому компонента плавно переходить в кристалічну гратку розчиненого компонента.
Мікроструктура твердого розчину – однорідне тіло, утворене зернами однієї фази з компонентів А і В, що розчинені один в одному (рисунок 3.3).
Рисунок 3.3 – Схема мікроструктури твердого розчину
Хімічні сполуки – це поєднання компонентів у їх строгому масовому співвідношенні, що виражається відповідною формулою AmBn (розташування атомів компонентів у кристалічній решітці суворо впорядковане). Атоми сплаву – хімічної сполуки утворюють нову упаковку кристалічної решітки, що відрізняється від кристалічних решіток елементів, що сплавляються.
Сплави – хімічна сполука мають постійну температуру плавлення. Прикладом хімічної сполуки може бути поширена фаза в системі залізо-вуглець – карбід заліза (Fe3C), який називають цементитом.
Лекція 4 Поняття про діаграми стану бінарних сплавів
Мета: Сформувати у курсантів компетентність про діаграми стану сплавів і методів їх побудови, основних типів діаграм стану бінарних сплавів, взаємозв’язку відповідних діаграм та властивостей цих сплавів.
Поняття про діаграми стану, методи їх побудови та, одержувані з їх допомогою, відомості про будову і властивості сплавів.
Характеристика діаграми стану сплавів, компоненти яких у твердому стані утворюють механічні суміші.
Характеристика діаграми стану сплавів, компоненти яких у твердому стані обмежено та необмежено розчинюються один в одному.
Характеристика діаграми стану сплавів, компоненти яких утворюють стійкі хімічні сполуки.
Характеристика діаграм склад – властивість.