Металлы и сплавы (стр. 13 из 24)

Твердые растворы внедрения образуются 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. Растворяющийся компонент не имеет своей кристаллической решетки. Раствор внедрения представляет собой одну фазу.

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.

Интерметаллидные соединения- химические соединения между металлами. Выделение их в отдельную группу по сравнению с обычными химическими соединениями целесообразно из-за их особой роли в процессах дисперсионного упрочнения металлов и сплавов при термообработке. Упрочняющими мелкодисперсными интерметаллидными фазами могут быть, например, интерметаллиды СиZn₂, СиВе, Ni₃Al, Ni₃Mo и др.

Гетерогенные структуры

Механические смеси могут состоять из чистых компонентов, твердых растворов, химических соединений и т.д. При образовании механической смеси кристаллические решетки фаз не изменяются. Кристаллиты механической смеси связываются между собой только общими границами. Различают эвтектическую и эвтектоидную механические смеси.

Эвтектическая механическая смесь образуется при строго определенной постоянной температуре из жидкого раствора строго определенного химического состава.

Эвтектоидная механическая смесь также образуется при строго определенной постоянной температуре, но только при распаде твердого раствора строго определенного химического состава.

Правило фаз Гиббса

Процессы, происходящие в металлах и сплавах при их фазовых превращениях, подчинены общему закону равновесия, который называется правилом фаз Гиббса. С помощью правила фаз можно определить количественную зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и фаз в условиях равновесия.

В общем виде правило фаз выражается следующим уравнением:

С = К - Ф + n,

где С – число степеней свободы. Под числом степеней свободы подразумевается количество независимых переменных, изменение которого не приводит к изменению состояния равновесия системы, т.е. к изменению числа фаз, находящихся в равновесии. К независимым переменным относятся концентрации каждого компонента в каждой фазе и внешние факторы – температура и давление;

К – количество компонентов, образующих систему;

Ф – число фаз, находящихся в равновесии;

n – количество внешних факторов (температура и давление). Учитывая, что все превращения в сплавах происходят при постоянном давлении, для металлических систем переменным внешним фактором будет только температура, т.е. n = 1.

При С = 0 система не имеет ни одной степени свободы (система нонвариантна), т.е. фазы находятся в равновесии при строго определенной температуре и концентрации.

Если С = 1, то это значит, что система при данных условиях имеет одну степень свободы (система моновариантна), т.е. если изменить внешний фактор (температуру), то изменится концентрация жидкой и твердой фаз, но равновесие не нарушится.

При С = 2 система при данных условиях имеет две степени свободы, т.е. существует область, в которой можно изменить температуру и концентрацию сплава, не нарушая равновесия.

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. Расплавленный металл помещают в калориметр и медленно охлаждают с постоянным теплоотводом. Так как фазовые превращения в металлах и сплавах сопровождаются тепловыми эффектами, то на кривых охлаждения в координатах "температура-время" можно наблюдать либо остановки (площадки) - тогда фазовые превращения происходят при постоянных температурах, либо перегибы за счет изменения скорости охлаждения - тогда фазовые превращения протекают в интервале температур.

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.

Такой тип диаграммы имеют, например, сплавы: свинец-сурьма, серебро-свинец, алюминий-олово, свинец-барий, кадмий-висмут, олово-цинк.

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. 5.1).

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. 5.1. Построение диаграммы состояния «свинец-сурьма» по кривым охлаждения

На оси концентраций крайние точки соответствуют чистым компонентам: левая ордината – 100% Pb, правая – 100% Sb. Каждая точка этой оси характеризует сплав определенной концентрации. Проводим ординаты сплавов, для которых построены кривые охлаждения, и переносим на них критические точки. оединив линией точки начала кристаллизации сплавов, олучим линию АСВ - линию ликвидус.

Линией ликвидус называется геометрическое место точек наала 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. 5.2) ли фаз. Она имеет постоянный состав и наименьшую температуру плавления. Затвердеваниеэвтектики происходит при постоянной температуре.

Рис. 5.2. 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. 5.3).

Рис. 5.3. Микроструктура доэвтектического сплава, х250 (Pb – 94%, Sb – 9%).

Первичные кристаллы свинца и эвтектика

В заэвтектических сплавах ниже линии СВ кристаллизуется сурьма (рис. 5.4).

Рис. 5.4. 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. 5.1) проводится горизонтальный отрезок влево и вправо до пересечения с линиями диаграммы. Этот отрезок (ав) называется конодой.

Имея коноду, можно ответить на следующие вопросы:

1. Какие фазы существуют в данной точке (N)? - В точке N существуют те фазы, которые находятся в равновесии на концахконоды (жидкость в точке «а» и кристаллы чистого компонента Sb в точке «в»).

2. Каков состав соответствующих фаз? -Состав их таков, каков он в точках на концах коноды (жидкость в точке N имеет состав точки «а», а твердая фаза Sb– состав точки «в»).

3. Каково количественное соотношение фаз? - Если всю конодупринять за 100%, то соотношение отрезков аN и Nв дает соотношение фаз. Здесь действует правило обратной пропорциональности. Отрезок, прилегающий к жидкой фазе (аN), показывает количество твердой фазы, а отрезок, прилегающий к твердой фазе (Nв), – количество жидкой фазы.

Например, количество жидкой фазы в точке N

,