Связь между структурой и свойствами сплавов
Между составом и структурой сплава, определяемой типом диаграммы состояния, и свойствами сплава существует определенная зависимость.
При образовании твердого раствора предел прочности, текучести и твердость повышаются при сохранении достаточно высокой пластичности. При образовании твердого раствора внедрения прочность во много раз больше, чем при образовании твердого раствора замещения той же концентрации.
Сочетание повышенной прочности и хорошей пластичности позволяет использовать твердые растворы как основу конструкционных сплавов.
Благодаря высокой пластичности сплавы — твердые растворы легко деформируются, но плохо обрабатываются резанием. Такие сплавы имеют низкие литейные свойства.
При образовании твердых растворов значительно увеличивается электросопротивление. Поэтому сплавы — твердые растворы широко применяют для изготовления проволоки электронагревательных элементов и реостатов.
Для получения высоких литейных свойств концентрация компонентов в сплавах должна превышать их предельную растворимость в твердом состоянии и приближаться к эвтектическому составу. Эвтектические сплавы обладают хорошей жидкотекучестью. Но при появлении в структуре сплава эвтектики сильно снижается его пластичность. Поэтому в деформируемых сплавах содержание компонентов не превышает величины предельной растворимости при эвтектической температуре.
Химические соединения, образующиеся в сплавах, обладают свойствами, резко отличающимися от свойств исходных компонентов. Они имеют очень высокую твердость, но хрупки. Химические соединения имеют большое значение в качестве твердых структурных составляющих в сплавах.
18.
Диаграммы состояния сплавов
Для определения количества фаз в сплаве, их состава пользуются диаграммами фазового равновесия — диаграммами состояния. Диаграмма состояния — графическое изображение фазового состава сплава в состоянии равновесия или близком к нему в зависимости от содержания компонентов в сплаве и от температуры.
Температуры, при которых изменяются строение и свойства (происходят фазовые превращения) металлов и сплавов, называют критическими точками. Чистые металлы имеют одну критическую точку, которой является температура плавления (кристаллизации). Они плавятся и затвердевают при одной и той же постоянной температуре. В отличие от чистых металлов сплавы плавятся и кристаллизуются в интервале температур, т. е. они имеют две критические точки — температуру начала кристаллизации (полного расплавления) и температуру полного затвердевания (начала плавления) при охлаждении расплава (при нагревании сплава).
В расплавленном состоянии металлы обычно неограниченно растворимы друг в друге. В твердом состоянии их взаимная растворимость может изменяться.
19.
Рассмотрим диаграмму состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (рис. 6).
Система состоит из двух компонентов А и В, полностью растворимых друг в друге в твердом состоянии. Ось абсцисс показывает изменение концентрации растворенного компонента В от 0 до 100 %, ось ординат — температуру, при которой рассматривается состояние системы.
Вертикальная линия, соответствующая чистому компоненту А (0 % В), является диаграммой состояния компонента А. При нагревании чистого компонента А он находится в твердом состоянии до температуры ТА, которая является температурой плавления (соответственно и температурой кристаллизации). При этой температуре компонент А плавится и выше этой критической точки находится в жидком состоянии.
Вертикальная линия, соответствующая чистому компоненту В (100 % В), является диаграммой состояния компонента В. Критическая точка — температура плавления Тв.
Сплав с содержанием 50 % В (вертикальная линия I), так же как и другие сплавы системы, имеет две критические точки Ts — температура начала плавления (конца кристаллизации) и TL — температура конца плавления (начала кристаллизации). Интервал температур от Ts до TL — это интервал плавления (кристаллизации) сплава.
Выше температуры TL сплав находится в расплавленном состоянии, представляет собой однофазную систему. Линия, соответствующая температурам, выше которых сплав полностью расплавлен, называется линией ликвидус (линия TATLTB на рис. 6).
Ниже температуры Ts сплав представляет собой твердый раствор L, система однофазна. Линия, соответствующая температурам, ниже которых сплав находится полностью в твердом состоянии, называется линией солидус (линия TATSTB на рис. 6).
В интервале кристаллизации TL — Ts сплав представляет собой двухфазную систему: часть сплава находится в жидком состоянии (расплав), остальной сплав в твердом состоянии (кристаллы L — твердого раствора).
20.
Рассмотрим диаграмму состояния компонентов с ограниченной растворимостью друг в друге в твердом состоянии (рис. 7).
ТА И ТВ — температуры плавления компонентов А и В соответственно. Линия ТАСТВ — линия ликвидус. Линия TAECDTB — линия солидус.
Предельная растворимость компонента В в компоненте А соответствует точке F, компонента А в компоненте В — точке G. В интервале концентраций, соответствующих точкам Fn G, компоненты А и В друг в друге нерастворимы. После кристаллизации сплавы таких концентраций представляют собой двухфазную систему, состоящую из α и β — твердых растворов.
Сплав, соответствующий проекции точки С, является самым легкоплавким и называется эвтектическим. Этот сплав кристаллизуется (плавится) при постоянной температуре, при этом из расплава кристаллизуются одновременно две твердые фазы (α и β-растворы). Такой процесс называется эвтектическим превращением.
Эвтектика — это механическая смесь нескольких твердых фаз, одновременно кристаллизующихся при постоянной температуре из расплава.
Сплавы, относящиеся к области левее точки С до точки Е, называются доэвтектическими, правее точки С до точки D — заэвтектическими.
21.
Связь между структурой и свойствами сплавов
Между составом и структурой сплава, определяемой типом диаграммы состояния, и свойствами сплава существует определенная зависимость.
При образовании твердого раствора предел прочности, текучести и твердость повышаются при сохранении достаточно высокой пластичности. При образовании твердого раствора внедрения прочность во много раз больше, чем при образовании твердого раствора замещения той же концентрации.
Сочетание повышенной прочности и хорошей пластичности позволяет использовать твердые растворы как основу конструкционных сплавов.
Благодаря высокой пластичности сплавы — твердые растворы легко деформируются, но плохо обрабатываются резанием. Такие сплавы имеют низкие литейные свойства.
При образовании твердых растворов значительно увеличивается электросопротивление. Поэтому сплавы — твердые растворы широко применяют для изготовления проволоки электронагревательных элементов и реостатов.
Для получения высоких литейных свойств концентрация компонентов в сплавах должна превышать их предельную растворимость в твердом состоянии и приближаться к эвтектическому составу. Эвтектические сплавы обладают хорошей жидкотекучестью. Но при появлении в структуре сплава эвтектики сильно снижается его пластичность. Поэтому в деформируемых сплавах содержание компонентов не превышает величины предельной растворимости при эвтектической температуре.
Химические соединения, образующиеся в сплавах, обладают свойствами, резко отличающимися от свойств исходных компонентов. Они имеют очень высокую твердость, но хрупки. Химические соединения имеют большое значение в качестве твердых структурных составляющих в сплавах.
22.
Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов
Железоуглеродистые сплавы могут иметь следующие структурные составляющие.
Феррит (Ф) — твердый раствор внедрения углерода и других элементов в α-железе. Имеет объемно-центрированную кубическую решетку. Растворимость углерода в феррите очень мала: при комнатной температуре до 0,005 %; наибольшая растворимость 0,02 % при 727°С. Феррит высокопластичен и мягок, хорошо обрабатывается давлением в холодном состоянии.
Аустенит (А) — твердый раствор углерода и других элементов в у-железе. Существует только при высоких температурах. Предельная растворимость углерода в γ-железе 2,14 % при температуре 1147°С и 0,8 % при 727°С. Эта температура является нижней границей существования аустенита в железоуглеродистых сплавах. Аустенит высокопластичен, но более тверд, чем феррит.
Цементит (Ц) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C). В цементите содержится 6,67 % углерода. Температура плавления цементита около 1600°С. Имеет сложную кристаллическую решетку. Самая твердая и хрупкая составляющая железоуглеродистых сплавов. Цементит неустойчив и в определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита по реакции:
Fe3C → 3Fe + С.
Чем больше цементита в железоуглеродистом сплаве, тем выше его твердость.
Графит — аллотропическая модификация углерода. Графит мягок, прочность его очень низкая. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений различных форм. Форма графитовых включений влияет на механические и технологические свойства сплава.
Перлит (П) — механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,8 % углерода. Образуется при перекристаллизации (распаде) аустенита при температуре 727°С. Этот распад называется эвтектоидным, а перлит — эвтектоидом. Перлит обладает высокими прочностью, твердостью и повышает механические свойства сплава.
Ледебурит — механическая смесь аустенита и цементита, содержащая 4,3 % углерода. Образуется в результате эвтектического превращения при температуре 1147°С. При температуре 727°С аустенит превращается в перлит, и после охлаждения ледебурит представляет собой смесь перлита с цементитом. Ледебурит имеет высокую твердость и большую хрупкость. Содержится во всех белых чугунах
23.