Фазы и структура в металлических сплавах
Лекция 3
Диаграммы состояния двойных сплавов
Фазы и структура в металлических сплавах
Чистые металлы обычно имеют низкую прочность и невысокие технологические свойства. В технике обычно применяют сплавы.
Cплавомназывается вещество, полученное сплавлением двух и более элементов.
Элементы или химические соединения, образующие сплав, называются компонентами. Компонентами могут быть не только металлы, но и неметаллы. В зависимости от числа компонентов сплавы могут быть двойные, тройные и т. д.
Свойства сплава определяются его фазовым составом и структурой, которые, в свою очередь, зависят от технологии обработки сплава.
Фазойназывается однородная часть сплава, характеризующаяся одинаковыми составом, свойствами и типом кристаллической решетки, отделенная от других частей сплава поверхностью раздела.
Под структуройсплава понимают форму, размеры и характер взаимного расположения фаз в сплаве.
Если в твердом состоянии составляющие сплав компоненты не вступают в химическое взаимодействие и не растворяются друг в друге тогда сплав представляет собой механическую смесь отдельных зерен всех компонентов (рис. 3.1).
Рис. 3.1 Микроструктура механической смеси двухкомпонентного сплава.
Рентгенограмма сплава покажет наличие двух решеток компонентов А и В с параметрами соответствующими параметрам решеток чистых металлов А и В. Значения механических свойств сплавов, представляющих собой механические смеси, - промежуточные между свойствами чистых компонентов.
Составляющие сплав вещества могут вступать в химическое взаимодействие, образуя химические соединения. По структуре они представляют собой однородные твердые тела, имеющие кристаллическую решетку и свойства отличные от исходных элементов. Имеют постоянную температуру плавления (или разложения). В химическом соединении сохраняется определенное соотношение атомов элементов, позволяющее выразить их состав стехиометрической пропорцией в виде простой формулы АnВm, где А и В соответствующие элементы, а n и m - простые числа. Составы этих соединений на диаграммах "состав - свойство" характеризуются особыми сингулярными точками, в которых параметр свойства имеет экстримальное (максимальное или минимальное) значение.
Наиболее часто в сплавах встречаются химические соединения типа фаз внедрения, которыеобразуются в результате взаимодействия металлов с большими атомными диаметрами, такими как Fe, Mn, Cr, W, Mo, с неметаллами с малым атомным диаметром - углеродом, азотом, бором и водородом с образованием соответственно карбидов, нитридов, боридов и гидридов.
В жидком состоянии большинство металлических сплавов представляет собой однородные жидкости, т. е. жидкие растворы. При переходе в твердое состояние во многих таких сплавах однородность сохраняется, т. е. образуется твердый раствор.
В отличие от механической смеси твердый раствор является однофазным, т. к. состоит из одного вида кристаллов (рис. 3.2) и имеет одну кристаллическую решетку;в отличие от химического соединения твердый раствор существует не при определенном соотношении компонентов, а в интервале концентраций.
Рис. 3.2 Микроструктура твердого раствора (схема)
При образовании твердого раствора сохраняется решетка одного из элементов и этот элемент называется растворителем.
Разделяют твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения.
В растворах замещения растворение компонента В в растворителе А происходит путем частичного замещения атомов А атомами В в решетке основного металла. При этом атомы растворенного вещества искажают и изменяют средние размеры элементарной ячейки растворителя. Если атом растворенного элемента больше атома растворителя, то элементарная ячейка решетки увеличивается, если меньше, то сокращается. В первом приближении это изменение размеров элементарной ячейки пропорционально концентрации растворенного компонента, выраженной в атомных процентах (рис. 3.3). Например, для решетки железа эта зависимость имеет вид (рис. 3.3 в).
Рис. 3.3 Параметр решетки (нм) твердых растворов замещения, образующихся при растворении различных элементов в железе (в)
Изменение параметров решетки во всех случаях приводит к упрочнению растворителя, причем уменьшение параметра решетки ведет к большему упрочнению, чем ее расширение. В этой связи из вида графика рис. 3.3в можно заключить, что никель, хром, марганец упрочняют железо слабо, а вольфрам, молибден и кремний сильно, причем кремний, сжимающий решетку, упрочняет сильнее вольфрама и молибдена, расширяющих решетку железа.
Твердые растворы замещения бывают ограниченные и неограниченные. При неограниченной растворимости любое количество атомов А может быть заменено атомами В. Условием образования неограниченного ряда твердых растворов является наличие у обоих компонентов одинаковых решеток, т. е. условие изоморфности, и достаточно малое различие атомных размеров компонентов.