|
|
ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВСтудент должен Знать: · Классификацию сплавов и основные определения; · Диаграммы состояния сплавов; · Понятия о ликвации; · Диаграмму состояния железо-цементит; · Критические точки диаграммы железо-цементит; · Классификацию железоуглеродистых сталей и сплавов; Уметь: · Находить критические точки диаграммы
Физические свойства. К физическим свойствам металлов относят цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расширение, теплоемкость, электропроводность, магнитные свойства и др. Цветом называют способность металлов отражать световое излучение с определенной длиной волны. Например, медь имеет розово-красный цвет, алюминий - серебристо-белый. Плотность металла характеризуется его массой, заключенной в единице объема. По плотности все металлы делят на легкие (менее 4500 кг/м3) и тяжелые. Плотность имеет большое значение при создании различных изделий. Например, в самолето- и ракетостроении стремятся использовать более легкие металлы и сплавы (алюминиевые, магниевые, титановые), что способствует снижению массы изделий. Температурой плавления называют температуру, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. По температуре плавления различают тугоплавкие металлы (вольфрам 3416°С, тантал 2950°С. титан 1725°С, и др.) и легкоплавкие (олово 232°С, свинец 327°С, цинк 419,5°С, алюминий 660°С). Температура плавления имеет большое значение при выборе металлов для изготовления литых изделий, сварных и паяных соединений, термоэлектрических приборов и других изделий. В единицах СИ температуру плавления выражают в градусах Кельвина (К). Теплопроводностью называют способность металлов передавать тепло от более нагретых к менее нагретым участкам тела. Серебро, медь, алюминий обладают большой теплопроводностью. Железо имеет теплопроводность примерно в три раза меньше, чем алюминий, и в пять раз меньше, чем медь. Теплопроводность имеет большое значение при выборе материала для деталей. Например, если металл плохо .проводит тепло, то при нагреве и быстром охлаждении (термическая обработка, сварка) в нем образуются трещины. Некоторые детали машин (поршни двигателей, лопатки турбин) должны быть изготовлены из материалов с хорошей теплопроводностью. В единицах СИ теплопроводность имеет размерность Вт/ (м·К). Тепловым расширением называют способность металлов увеличиваться в размерах при нагревании и уменьшаться при охлаждении. Тепловые расширения должны учитываться при сварке, ковке и горячей объемной штамповке, изготовлении литейных форм, штампов, прокатных валков, калибров, выполнении точных соединений и сборке приборов, при строительстве мостовых ферм, укладке железнодорожных рельс. Теплоемкостью называют способность металла при нагревании поглощать определенное количество тепла. В единицах СИ имеет размерность Дж/К. Теплоемкость различных металлов сравнивают по величине удельной теплоемкости - количеству тепла, выраженному в больших калориях, которое требуется для повышения температуры 1 кг металла на 1°С (в единицах СИ - Дж/(кг-К). Способность металлов проводить электрический ток оценивают двумя взаимно противоположными характеристиками - электропроводностью и электросопротивлением. Электрическая проводимость оценивается в системе СИ в сименсах (См), а удельная электропроводность — в См/м, аналогично электросопротивление выражают в омах (Ом), а удельное электросопротивление - в Ом/м. Хорошая электропроводность необходима, например, для токонесущих проводов (медь, алюминий). При изготовлении электронагревателей приборов и печей необходимы сплавы с высоким электросопротивлением (нихром, константан, манганин). С повышением температуры металла его электропроводность уменьшается, а с понижением - увеличивается. Магнитные свойства характеризуются абсолютной магнитной проницаемостью или магнитной постоянной, т. е. способностью металлов намагничиваться. В единицах СИ магнитная постоянная имеет размерность Гн/м. Высокими магнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт и их сплавы, называемые ферромагнитными. Материалы с магнитными свойствами применяют в электротехнической аппаратуре и для изготовления магнитов. Химические свойства. Химические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться окислению или вступать в соединение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, щелочей и др. Чем легче металл вступает в соединение с другими элементами, тем быстрее он разрушается. Химическое разрушение металлов под действием на их поверхность внешней агрессивной среды называют коррозией. Металлы, стойкие к окислению при сильном нагреве, называют жаростойкими или окалино-стойкими. Такие металлы применяют для изготовления деталей, которые эксплуатируются в зоне высоких температур. Сопротивление металлов коррозии, окалино-образованию и растворению определяют по изменению массы испытуемых образцов на единицу поверхности за единицу времени. Химические свойства металлов обязательно учитываются при изготовлении тех или иных изделий. Особенно это относится к изделиям или деталям, работающим в химически агрессивных средах. Ликвация - неоднородность химического состава сплавов, возникающая при их кристаллизации, обусловлена тем, что сплавы в отличие от чистых металлов кристаллизуются не при одной температуре, а в интервале температур. Чем шире температурный интервал кристаллизации сплава, тем сильнее развивается ликвация, причем наибольшую склонность к ней проявляют те компоненты сплава, которые наиболее сильно влияют на ширину температурного интервала кристаллизации (для стали, например, сера, кислород, фосфор, углерод). Механические свойства Способность металла сопротивляться воздействию внешних сил характеризуется механическими свойствами. Поэтому при выборе материала для изготовления деталей машин необходимо прежде всего учитывать его механические свойства: прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость, твердость и выносливость. Эти свойства определяют по результатам механических испытаний, при которых металлы подвергают воздействию внешних сил (нагрузок). Внешние силы могут быть статическими, динамическими или циклическими (повторно-неременными). Нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию. Напряжение — величина нагрузки, отнесенная к единице площади поперечного сечения испытуемого образца. Деформация - изменение формы и размеров твердого тела под влиянием приложенных внешних сил. Различают деформации растяжения (сжатия), изгиба, кручения, среза (рис. 1.15). В действительности материал может подвергаться одному или нескольким видам деформации одновременно.
Рис. 1.15 . Виды деформаций: а - сжатие, б - растяжение, в - кручение, г – срез, д - изгиб
Прочность - способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок оценивается пределом прочности и пределом текучести. Важным показателем прочности материала является также удельная прочность - отношение предела прочности материала к его плотности. Упругость- способность материала восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки. Пластичность, т. е. способность материала принимать новую форму и размеры под действием внешних сил не разрушаясь, характеризуется относительным удлинением и относительным сужением. Относительное удлинение (после разрыва) δ — это отношение приращения (lк—lо) расчетной длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине 1о, выраженное в процентах: δ=[(1к—1о)/l0] 100%. Относительное сужение (после разрыва) φ — это отношение разности начальной и минимальной площадей (F0—Fк) поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади Fo поперечного сечения, выраженное в процентах: φ =[(Fо— Fк)/Fo] 100%. Чем больше значения относительного удлинения и сужения для материала, тем он более пластичен. У хрупких материалов эти значения близки к нулю.- Хрупкость конструкционного материала является отрицательным свойством. Ударная вязкость, т. е. способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам Определение ударной вязкости особенно важно для некоторых металлов, работающих при минусовых температурах и проявляющих склонность к хладноломкости. Чем ниже порог хладноломкости, т. е. температура, при которой вязкое разрушение материала переходит в хрупкое и больше запас вязкости материала, тем больше ударная вязкость материала.Хладноломкость - снижение ударной вязкости при низких температурах. Циклическая вязкость — это способность материалов поглощать энергию при повторно-переменных нагрузках. Материалы с высокой циклической вязкостью быстро гасят вибрации, которые часто являются причиной преждевременного разрушения. Например, чугун, имеющий высокую циклическую вязкость, в некоторых случаях (для станин и других корпусных деталей) является более ценным материалом, чем углеродистая сталь. Усталостью называют процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению. Усталость металла обусловлена концентрацией напряжений в отдельных его объемах, в которых имеются неметаллические включения, газовые пузыри, различные местные дефекты и т. д. Выносливость - свойство материала противостоять усталости. Предел выносливости — это максимальное напряжение, которое может выдержать металл без разрушения заданное число циклов нагружения. Основные сведения о сплавах. Чистые металлы характеризуются низким пределом прочности, поэтому в машиностроении применяют главным образом их сплавы. Металлическим сплавом называют сложное вещество, полученное сплавлением (или спеканием) нескольких металлов или металлов с неметаллами. Например, мягкая медь с добавлением олова превращается в более твердую бронзу. При этом улучшаются эксплуатационные и технологические свойства металлического материала. Для изучения процессов, происходящих в сплавах при их превращениях, а также для описания строения сплавов в металловедении используют понятия: компонент, фаза, система. Компонентами называют вещества, образующие систему. Чистый металл представляет собой однокомпонентную систему, сплав двух металлов - двухкомпонентную систему и т. д. Компонентами могут быть металлы и неметаллы, а также устойчивые, т. е. не диссоциирующие на составные части в рассматриваемых интервалах температур вещества - химические соединения. Так, для цветных металлических сплавов компонентами могут быть металлы (например, медь с цинком образует латунь), а для железоуглеродистых - металлы с небольшим содержанием неметаллов (железо с углеродом - чугун, сталь). Фазой называют однородную часть системы, имеющую одинаковый состав одно и то же агрегатное состояние и отделенную от остальных частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяются скачкообразно. Совокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (давлении, температуре), называют системой. Например, однородная жидкость (расплавленный металл) является однофазной системой, при кристаллизации чистого металла система состоит из двух фаз: жидкой (расплавленный металл) и твердой (зерна закристаллизовавшегося металла). Другой пример: механическая смесь двух видов кристаллов образует двухфазную систему, так как •каждый кристалл отличен от другого по составу или строению и отделен один от другого поверхностью раздела. Сплав называют однородным (гомогенным), если его структура однофазна, и разнородным (гетерогенным), если его структура состоит из нескольких фаз. Под структурой сплава понимают видимое в микроскоп взаимное расположение фаз, их форму и размеры. Компоненты в сплавах могут составлять (рис. 1.16) жидкие и твердые растворы, химические соединения и механические смеси.
Рис. 1.16. Структура и строение элементарной ячейки различных сплавов из двух металлов А и В: 1 -атомы металла А, 2 - атомы металла В, 3 - твердый раствор замещения. 4 — твердый раствор внедрения
Однородные жидкие растворы, (рис. 1.16,а) характерны почти для всех металлов, растворяющихся друг в друге в жидком состоянии в любых соотношениях. В однородном жидком растворе атомы растворимого металла (компонента) А равномерно распределены среди атомов 2 металла В — растворителя. Лишь немногие металлы растворяются в жидком состоянии ограниченно. И только очень немногие металлы из-за большой разницы в размерах своих атомов не растворяются друг в друге в жидком состоянии. В процессе кристаллизации и затвердевания сплавов взаимодействие компонентов может быть различным. Твердые растворы образуются в результате перехода в твердое состояние однородных жидких растворов. В твердом растворе одно из веществ, входящих в состав сплава, сохраняет присущую ему кристаллическую решетку, а другое в виде отдельных атомов распределяется в кристаллической решетке первого вещества. Твердые растворы бывают двух типов: твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения. Независимо от типа твердые растворы однофазны. В твердых растворах замещения часть атомов в кристаллической решетке одного из компонентов замещена атомами другого (рис. 1.16 6). Твердые растворы замещения образуются, например, в сплавах железа с хромом, никелем и с другими элементами. Твердые растворы замещения называют неупорядоченными твердыми растворами, поскольку атомы растворимого элемента могут замещать атомы растворителя в любых узлах решетки. В твердых растворах внедрения атомы растворенного компонента внедряются в межатомное пространство кристаллической решетки другого компонента-растворителя (см. рис. 1.16 6). Твердые растворы внедрения образуются, например, в сплавах железа с водородом, азотом, бором. Химические соединения (рис. 1.16 в) образуются при сплавлении различных металлов или металла с неметаллом. Соотношение чисел атомов элементов химического соединения может быть выражено формулой вида АnВm. Химическое соединение - однородное кристаллическое тело, имеет кристаллическую решетку с упорядоченным расположением атомов, которая отлична от решеток элементов, образующих это соединение. Химические соединения, как и чистые металлы, имеют постоянную температуру плавления и, как правило, обладают большой твердостью и значительной хрупкостью. Механическая смесь (рис. 1.16 г) двух компонентов А и В образуется тогда, когда при кристаллизации компоненты сплава не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. Механическая смесь может состоять из зерен двух насыщенных твердых растворов или из зерен твердого раствора и химического соединения. В этом случае сплав состоит из кристаллов А и В, которые, если они достаточно крупны, отчетливо выявляются на микроструктуре. Рентгенограмма сплава отчетливо показывает наличие двух решеток компонентов А и В. Температуры, при которых изменяется строение металлов и сплавов, называют критическими точками. При плавлении и затвердевании чистые металлы имеют одну критическую точку, а сплавы — две. В интервале между этими двумя точками в сплавах существуют две фазы — жидкий сплав и кристаллы. Диаграммы состояния представляют собой графическое изображение фазового состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Диаграммы состояния строят для условий равновесия, т. е. такого состояния сплава, которое достигается при очень малых скоростях охлаждения или длительном нагреве. Диаграммы состояния сплавов в равновесном состоянии являются теоретическими диаграммами, так как истинное равновесие в практических условиях достигается редко. В большинстве случаев сплавы находятся в метастабильном состоянии, т. е. в состоянии с ограниченной устойчивостью. Диаграмма состояния сплавов для случая неограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии. Рассмотрим диаграмму состояния сплавов системы медь — никель (рис. 1.16). Медь и никель, соединяясь в любых пропорциях, образуют непрерывный ряд твердых растворов, так как атомы никеля способны заместить в кристаллической решетке все атомы меди. Температура плавления меди составляет 1083°С, никеля 1445°С. Рассмотрим кривые охлаждения (рис. 1.17, а) сплавов системы медь— никель для пяти составов следующей концентрации, %: 100Cu, 80Cu + 20Ni, 60Cu+40Ni, 20Cu + 80Ni, 100Ni.
Рис. 1.17. Диаграмма состояния сплавов медь никель
Чистые металлы (кривые 1 и 5) имеют одну критическую точку - температуру затвердевания (кристаллизации), а сплавы (кривые 2, 3, 4) - две, т. е. сплавы в отличие от чистых металлов кристаллизуются в интервале температур. Например, кристаллизация сплава 3 начинается при температуре t1 (точка a1), при этой температуре из жидкого сплава начинают выпадать первые кристаллы твердого α-раствора, а заканчивается кристаллизация при темепратуре t3 (точка b1). При этой температуре затвердевает последняя капля жидкого сплава. Разная температура конца кристаллизации сплавов свидетельствует о том, что состав твердой фазы непрерывно изменяется. Для построения диаграммы состояния (рис. 1.17) на оси абсцисс сетки в координатах температура - концентрация откладывают (отмечают точками) составы пяти сплавов и восстанавливают из каждой точки вертикальные линии. После этого переносят на эти вертикальные линии с кривых охлаждения сплавов критические точки, а на левой и правой ординатах температур отмечают температуры кристаллизации чистых металлов — меди (100%) и никеля (100%). Соединив плавными, кривыми температуры начала и конца кристаллизации всех сплавов, получают диаграмму состояния сплавов системы медь-никель с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Сплавы меди и никеля кристаллизуются и затвердевают в некотором температурном интервале. В пределах этого температурного интервала одновременно существуют две фазы: жидкий сплав и кристаллы твердого раствора меди и никеля. На диаграмме этот интервал ограничен двумя линиями, соединяющими (точки плавления чистых меди и никеля. Верхняя линия обозначает начало затвердевания при охлаждении или конец расплавления при нагреве, нижняя соответственно конец затвердевания или начало плавления. Рассмотренная диаграмма состояния сплава меди и никеля имеет три области. Область существования жидкого расплава лежит выше верхней линии, соединяющей точки плавления меди и никеля, а область существования кристаллических твердых растворов — ниже нижней линии. Между этими линиями находится двухфазная область, в которой одновременно существуют расплав и кристаллы твердого раствора. Верхнюю границу этой области называют линией ликвидус, а нижнюю - солидус («ликвидус» в переводе с латинского означает жидкий, «солидус» - твердый). По этой же диаграмме состояния можно определить концентрации твердой и жидкой фаз в сплаве при его кристаллизации. Например, для сплава 3 при температуре t2 концентрация фаз определяется горизонтальной линией mn1 проведенной до пересечения с линиями солидус и ликвидус. Точка n1 показывает концентрацию твердой фазы, а точка m - концентрацию жидкой фазы. При температуре t3 концентрация твердой фазы определяется точкой b1 на диаграмме состояния, а концентрация жидкой фазы - точкой m1. В процессе кристаллизации непрерывно изменяется состав фаз: жидкой по линии ликвидус и твердой по линии солидус. Кристаллы твердого раствора, выпадающие из жидкого при разной температуре, имеют переменный состав. Выросшие в первый момент кристаллизации, оси кристаллов обычно обогащаются тугоплавким компонентом (никелем), а междуосные пространства заполняются позже к обогащаются более легкоплавкие компонентом (медью). Такую неоднородность отдельных кристаллов какого-либо сплава называют внутрикристаллической, или дендритной ликвацией. Дендритная ликвация тем больше, чем больше расстояние между линиями ликвидус и солидус. Обычно это явление нежелательно и дендритную ликвацию предотвращают последующим длительным нагревом для выравнивания состава сплава, вследствие происходящего в нем диффузионного процесса. К твердым растворам относят также сплавы систем Сu-Аu, Ag-Аu, Ni-Аu, Fe-Сг, Fe-V, Bi-Sb и др., кристаллизующиеся по рассмотренному типу диаграммы состояния, когда оба компонента неограниченно растворимы в жидком и твердом состояниях и не образуют химических соединений. Диаграмма состояния сплавов образующих механические смеси из чистых компонентов. Рассмотрим например, диаграмму состояния сплавов системы висмут - кадмий (рис. 1.18). Область существования жидкого расплава ограничена сверху ломаной линией, соединяющей точки плавления висмута и кадмия через точку Е. В точке Е сплав (40% висмута и 60% кадмия) имеет одинаковые температуры ликвидуса и солидуса. Все остальные сплавы системы затвердевают и плавятся в пределах температурного интервала, который снизу ограничен горизонтальной линией солидуса.
Рис. 1.18. Диаграмма состояния сплавов висмут-кадмий: 1 -жидкий сплавы, 2- линия ликвидуса, 3 -линия солидуса, 4 - механическая смесь кристаллов висмута и кадмия; Е - эвтектика Сплав в точке Е имеет очень мелкие кристаллы висмута и кадмия, находящиеся в определенном взаимном расположении. Этот сплав называется эвтектикой («эвтектика» в переводе с греческого означает легкоплавкая).Эвтектикой называют механическую смесь двух (или более) видов кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкого сплава. Твердые сплавы, лежащие левее эвтектической точки Е, и сплавы, содержащие до 40% висмута, называют доэвтектическими, а лежащие правее точки Е и содержащие более 40% висмута — заэвтектическими. Доэвтектические сплавы состоят из смеси кристаллов висмута и эвтектики (кристаллы висмута + кристаллы кадмия) заэвтектические — из смеси кристаллов кадмия с эвтектикой. По этому типу диаграммы состояния кристаллизуются также сплавы системы Zn—Sn, Pb—Ag, Ni—Cr, Cr—Mn, Cu—Bi, Al- Si Диаграмма состояния сплавов для случая ограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии. Одна из таких диаграмм показана на рис. 1.19, а. Система содержит три фазы жидкий раствор, твердый раствор компонента в компоненте А (назовем его α) и твердый раствор компонента А в компоненте В (назовем его β). Линия диаграммы АCВ — линия ликвидуса, линия KECDN - линия солидуса.
Рис. 1.19 Диаграмма состояния сплавом для случая ограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии
Кристаллы α выделяются из жидкого сплава по линии ликвидуса КС, а кристаллы β - по линии CD. Затвердевание сплавов происходит по линии солидуса КЕ с образованием кристаллов α и по линии DF - с образованием кристаллов β. Одновременная кристаллизация α и β-фаз с образованием механической смеси кристаллов этих фаз происходит на линии солидуса ECF. Сплав состава точки С после затвердевания называется эвтектическим, поскольку он состоит только из одной эвтектики α+ β. Составы сплавов, лежащих левее эвтектической точки С на линии ЕС после затвердевания, называются доэвтектическими сплавами и имеют структуру α+ эвтектика (α + β). Составы сплавов, лежащих правее точки С на линии CF после затвердевания, называются заэвтектическими сплавами и имеют структуру β + эвтектика (α+β). Линия ES показывает ограниченную растворимость в твердом состоянии компонента В в компоненте А, уменьшающуюся с понижением температуры. Линия FM показывает растворимость компонента А в В, не изменяющуюся с понижением температуры. Предельная растворимость компонента В в А характеризуется точкой Е. а А в В - точкой F. При кристаллизации сплавов, состав которых находится левее точки S (или правее точки М), при любой температуре в твердом состоянии все количество компонента В (или А) находится в твердом растворе и структура таких сплавов состоит из зерен α (или β). В сплавах, состав которых находится между точками S и Е' (за пределами растворимости В в А), образовавшиеся при затвердевании кристаллы а при понижении температуры ниже линии ES пересыщены компонентом В и поэтому из них происходит выделение избыточных кристаллов. Этими кристаллами являются кристаллы β концентрации точки М. называемые вторичными (βII). Такие сплавы после полного охлаждения имеют структуру, состоящую из кристаллов а состава точки S и кристаллов βII, т. е. α+. βII В сплавах состава линии ЕС. имеющих после затвердевания структуру α + эвтектика (α+β), из кристаллов α выделяются кристаллы β и после полного охлаждения структура будет α+эвтектика (α+β) + βII - |
|
