Радел 9. Металлы и сплавы.

9.1. Общие сведения о металлах.

Классификация металлов.

Все металлы (сплавы) принято различным образом классифицировать: по применению, тугоплавкости, плотности и др. показателям.

По применению их разделяют на черные (железо и его сплавы чугун и сталь; цветные (алюминий, медь, магний, никель, титан, олово и др): редкоземельные

вращением. Так, при нагреве чистого металла такое превращение сопровождается
поглощением тепла и происходит при постоянной температуре, что связано с необ-
ходимостью затраты определенной энергии на перестройку кристаллической решетки.
 Аллотропические превращения имеют многие металлы: железо, олово, титан и др.
Например, железо в интервале температур 911-342 С имеет гранецентрированную
кубическую решетку (ГЦК) χ-Fe (рис. 9.2.). В интервалах до 911⁰С
и от 1392 до 1539°С железо имеет объемно-центриро-

ванную кубическую решетку (ОЦК), которое в первом случае называют ά -Fe, а в последнем - δ-Fe.

При аллотропических превращениях происходит изменение свойств металлов, изменение объема металлов.   

Полиморфизм имеет большое практическое значение. Используя это явление, можно упрочнять или разупрочнять сплавы с помощью термической обработки.

 

 

Дефекты в кристаллах.

Рассмотрим это явление на строении реальных металлов. Как известно, из
жидкого металла в лабораторных условиях можно вырастить монокристалл, т.е. кусок металла, представляющий собой один кристалл.            
Металлы, полученные в обычных условиях состоят из большого количества
кристаллов, различно ориентированных в пространстве, их обычно называют зерна­ми так как они имеют неправильную форму. На границах между зернами

Не имеют правильного расположения. Здесь существует переходная область шириной в несколько атомных диаметров, в которой решетка одного зерна переходит в решетку другого зерна с иной ориентировкой. Кроме того здесь скапливаются примеси, включения и др. дефекты. Состояние границ зерён в металлах оказывает большое влияние на их свойства, в частности на прочность. Прочность, например, может либо увеличиваться вследствие искажения кристаллической решетки вблизи границ, либо уменьшаться ввиду наличия примесей и концентрации дефектов.

Изучение строения металлов с помощью ренгеноструктурного анализа и электронной микроскопии позволило установить, что внутреннее кристаллическое строение зерна не является правильным. В кристаллических решетках реальных металлов существуют различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов.

Итак, в кристаллах всегда имеются дефекты (несовершенства) строения, обу­словленные нарушением правильного расположения атомов кристаллической решет­ки. Дефекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим призна­кам на точечные, линейные и поверхностные, которые характеризуются малыми раз­мерами в 3-х, 2-х и 1-ом измерениях соответственно, и представлены на рис

 

Точечные несовершенства представляют собой вакансии (рис. 9.3.а), т.е. места, которые в силу различных причин оказались не заняты атомами. К точечным дефек­там относят также атом, внедренный в междоузлие кристаллической решетки (рис. 9.3. б), а также и замещенный атом , когда место атома одного металла замещается атомом. Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической решетки.

Линейные несовершенства представляют дефекты, которые малы в 2-х измерениях, а в 3-м они значительно большего размера, который может быть соизмерим с длиной кристалла; К линейным дефектам обносят цепочки вакансий , межузельных атомов и дислокации (рис. 9.3.в). Дислокации нарушают дравильное чередование атомных плоскостей, могут представлять экстраплоскость атомов и являются особым видом несовершенств в кристаллической решетке.По своей природе они резко отличаются от других дефектов, в том числе и указанных выше линейных несовершенств.

В настоящее время не только прочность, но и фазовые и структурные превращения, а также целый ряд других явлений рассматриваются с использованием теории дисло­каций. Различают два вида дислокаций: краевые и винтовые. Кристаллическая решетка в зоне дислокаций упруго искажена, поэтому атомы в это зон смещены от­носительно их равновесного состояния. Для дислокаций характерна их легкая под­вижность. Это объясняется тем, что атомы, образующие дислокацию, стремятся переместиться  в равновесное состояние. Дислокации образуются в процессе кристалли­зации металлов, а также при пластической деформации, термической обработке и других процессах.                  

Поверхностные дефекты представляют собой границы раздела между отдельными кристаллами (рис. 9.3. г). На границе раздела атомы кристалла расположены менее правильно, чём в его объеме. Кроме того, по границам раздела скапливаются дислокации и вакансии, а также концентрируются примеси, что еще больше нарушает порядок расположения атомов. При этом сами кристаллы-разориентированы.

Прочность металла может либо увеличиваться вследствие искажений кристалличе­ской решетки вблизи границ, либо уменьшаться из-за наличия примесей и концентрации дефектов. Поверхностные дефекты имеют небольшую толщину при значительных размерах в двух других измерениях.                                                   

Объемные дефекты соизмеримы с размерами кристалла. В качестве этих де­фектов могут быть газовые пузыри, крупные инородные включения и др.

Все дефекты в кристаллах существенно влияют на свойства металлов.

9.1.4. Кристаллизация.

 

При переходе аморфного тела из твердого состояния в жидкое и из жидкого в твердое никаких качественных изменений в строении материала не происходит и графики нагрева и охлаждения представляют плавные кривые (рис. .)

При нагреве и охлаждении всех кристал­лических тел, в том числе металлов, всегда наблюдается четкая граница перехода из твердо­го состояния в жидкое и наоборот, что видно из рис. 9.5. образованием горизонтальных ступенек. Кристаллизация металла происходит не строго при температуре кристаллизации, а несколько ниже т.е. при некотором переохлаждении Dti.

 

Аналогичное явление происходит при расплавлении, когда расплавление происходит не при температуре расплавления, а несколько выше, т.е. при некотором перенагреве . Величина Dt зависит от природы самого металла, от степени его загрязнения примесями и от скорости охлаждения (нагрева).

Образование кристаллической решетки сопровождается уменьшением запаса внутренней энергии тела (рис. 9.6.)

Согласно второму закону термодина-мики, всякая система стремится к минимальному значению свободной энергии.

F = U-TS                         

где F- свободная энергия;                  

U - внутренняя энергия системы;  Т-абсолютная температу

S - энтропия        

Степень переохлаждения DТ ⁼ Тпл — T₁             

Чем чище жидкий металл, тем он

более склонен к переохлаждению. При увеличении скорости охлаждения степень пе­реохлаждения возрастает, а зерна металла становятся мельче, что улучшает его каче­ство. Для "большинства металлов степень переохлаждения при кристаллизации в про­изводственных условиях составляет от 10-до30°С:

Процесс кристаллизации состоит из двух стадий: зарождения кристаллов (зародышей или центров кристаллизации роста кристаллов из этих центров. При переохлаждении сплава на многих- участках жидкого металла (рис. 9.7. а, б) образуются способные к росту кристаллические зародыши. Сначала образовавшиеся кристаллы растут свободно и имеют более или менее правильную геометрическую форму (рис, 9.7. в, г, д). Затем при соприкосновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, так как в этих участках рост граней прекращается.

В результате кристаллы, имевшие сначала геометрически правильную форму, после затверде­вания получают неправильную форму, вследствие чего их называют кристаллитами или зернами (рис. 9.7.е).

Величина зерна зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов: Чем больше центров кристаллизации, тем мельче зерно.

9.1.5. Строение металлического слитка.

Форма растущих кристаллов определяется не только условиями их касания друг с другом но и составом сплава, наличием примесей и режимом охлаждения. Обычно механизм образования кристаллов носит дендритный (древовидный) харак­тер. Дендритная кристаллизация характеризуется тем, что рост зародышей происхо­дит с неравномерной скоростью. После образования зародышей их развитие идет в тех плоскостях и направлениях решетки, которые имеют наибольшую плотность упа­ковки атомов и минимальное расстояние между ними. В этих направлениях образуются длинные ветви будущего кристалла, в дальнейшем от них начинают расти дру­гие ветви, т. е. приобретают древовидный характер (рис. 9.8)

Рассмотрим реальный процесс получения стального слитка. Стальные слитки получают охлаждением в металлических формах (изложницах) или на установках не­прерывной разливки. В изложнице сталь не может затвердевать одновременно во всем объеме из-за невозможности создания равномерной скорости отвода тепла. По­этому процесс кристаллизации стали начинается у холодный стенок и дна изложницы, а затем распространяется внутрь жидкого металла (рис. 9.8.а)

При соприкосновении жидкого металла со стенками

изложницы 1 в начальный момент образуется

зона мелких равноосных кристаллов 2.
Так как объем твердого металла меньше жидкого,
между стенкой изложницы и застывшим металлом
образуется воздушная прослойка и сама стенка
нагревается от соприкосновения с металлом, поэто­-
му скорость охлаждения металла снижается и крис­-
таллы растут в направлении отвода теплоты. При
этом образуется зона 3, состоящая из древовидных
или столбчатых кристаллов. Во внутренней зоне
слитка 4 образуются равноосные, неориентированные
сталлы больших размеров в результате замедлен-
ного охлаждения. В верхней части слитка (рис. 9.8.6)
которая затвердевает в последнюю очередь, образует­ся

 усадочная раковина-6 вследствие уменьшения объ­-
ема металла при охлаждении. Под усадочной ракови­-
ной металл в зоне 5  получается рыхлым из-за боль-
шого количества усадочных пор. Для получения
изделий используют  только часть слитка, удаляя
усадочную раковину и рыхлый металл слитка для
последующего переплава.                                                            .             

Слиток имеет неоднородный химический состав, который тем больше, чем крупнее слиток. Например, в стальном слитке концентрация серы и фосфора .увели­чивается от поверхности к центру и снизу вверх. Химическую неоднородность слитка по отдельным зонам называют зональной ликвацией. Она отрицательно влияет на механические свойства металла.

9.2. Строение и характеристика металлических сплавов.

9.2.1. Основные сведения о сплавах.

Чистые металлы из-за низких показателей механических свойств во многих отраслях техники применяются редко. Главным образом применяют их сплавы. Сле­дует отметить, имеются и такие отрасли техники, где чистые металлы являются опре­деляющими ,более того, в ряде случаев требуются особо чистые металлы.

Металлическим сплавом называют сложное вещество, полученное сплавлени­ем (или спеканием) нескольких металлов или металлов с неметаллами. При этом улучшаются эксплуатационные и технологические свойства металлического мате­риала.

К основным понятиям в теории сплавов относятся: система, компонент, фаза.

Компонентами называют вещества, образующие систему, взятые в наимень­
шем количестве. Фазой называют однородную часть системы, имеющую одинаковый состав и 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.

Системой называется совокупность фаз, находящихся в равновесии при опре­деленных внешних условиях (температуре и давлении).

Сплавы характеризуются его структурой. Сплав называется 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.

 В любой системе количество фаз, находящихся в равновесии зависит от внут­ренних и внешних условий. Закономерности всех изменений, происходящих в систе­ме, описывается законом, который называется правилом фаз или законом Гиббса.

Правило фаз выражает зависимость между числом степеней свободы - С, чис­лом компонентов - К и числом, фаз - f, находящихся в равновесии.

C = K-f+2                                                          (9-2)

где 2 - число переменных внешних факторов равновесия (температура и давление)

Число степеней свободы системы - это число независимых переменных, кото­рые можно изменять в определенных пределах, не изменяя числа фаз, находящихся в равновесии.

При образовании сплавов в процессе их затвердевания возможно различное взаимодействие его компонентов, в результате они могут составлять: механические смеси, твердые растворы и химические соединения (рис. 9.9.).

Однородные жидкие растворы (рис. 9.9.а).характерны почти для всех металлов, растворяющихся друг в друге в жидком состоянии в любых соотношениях. В однородном жидком растворе атомы 1 растворимого металла (компонента) А равно­мерно распределены среди атомов 2 металла В -растворителя. В процессе кристаллизации и затвердевания сплавов взаимодействие компо­нентов может быть различным.

Твердые растворы образуются в резу­-
льтате перехода в твердое состояние однородных
жидких растворов (рис. 9.9.6). В твердом растворе
одно из веществ, входящих в состав сплава
сохраняет присущую ему кристаллическую решет-
ку, а другое в виде отдельных атомов распределя­-
ется в кристаллической решетке первого вещества.
Твердые растворы бывают: двух типов: твердые растворы замещения 3 (часть атомов в решетке замещены другими), и твердые рас­творы внедрения 4 (атомы растворимого компонента внедряются в межатомное про­странство кристаллической решетки растворителя).

Химические соединения (рис.9.9.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 имеют постоянную температуру плавления и, как правило, обладают большой твердостью и значительной хрупкостью.

Механическая смесь (рис. 9.9.г) двух компонентов А и В образуется тогда, ко­гда при кристаллизации компоненты сплава не способны к взаимному растворению в твердом состоянии я не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. Механическая смесь может состоять из зерен двух насыщенных твердых растворов или зерен твердого раствора и химического соединения. В этом случае сплав состоит из кристаллов А и В, которые если они достаточно крупны, отчетлива выявляются на микроструктуре.

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.

9.2.2. Диаграммы состояния.

Для изучения сплавов существуют диаграммы состояния. Чаше всего приме­няют диаграммы двойных сплавов, которые строятся на плоскости; реже применяют­ся диаграммы тройных сплавов, которые строятся в пространственной системе коор­динат.

Диаграммы состояния представляют графическое изображение фазового со­стояния любого сплава изучаемой- системы в зависимости от его концентрации и температуры. Диаграммы состояния показывают равновесные устойчивые состоя­ния, т.е. такие, которые при данных условиях обладание минимальной свободной энергией.

 Существует бесчисленное множество диаграмм состояния двойных сплавав, однако качественно их можно свести к следующим основным типам:

 

• диаграмма состояния сплавов для случая  неограниченной растворимости ком­понентов в твердом состоянии;

• диаграмма состояния сплавав, образующих механические смеси из чистых компонентов;
• диаграмма состояния сплавов для случая ограниченной растворимости компо­нентов в твердом состоянии:
• диаграмма состояния сплавов, образующих химическое соединение.
  Диаграмму состояния строят графическим путем на основании графиков ох­лаждения ряда сплавов данной системы. По остановкам и перегибам на этих графиках охлаждения, вызванных тепловым эффектом превращений, определяют критиче­ские точки, которые используют для построения, диаграмма состояния в координатах температура - химсостав.

Рассмотрим указанные выше типы диаграмм.

Диаграмма состояния сплавов для случая
неограниченной растворимости компонентов в
твердом состоянии. Рассмотрим эту диаграмму
состояния на конкретном примере, так этой диа-
граммой описываются сплавы системы медь-
никель (рис. 9.10.) Медь и никель, соединяясь в любых

пропорциях, образуют непрерывный ряд твердых

растворов, так как атомы никеля способны заме-

стить в кристаллической решетке все атомы меди.

 

Рассмотрим кривые охлаждения (рис.9.10.а) сплавов системы медь-никель для пяти составов следующей концентрации: 1 - 100% Сu; 2 - 80% Сu + 20% Ni; 3 - 60% Сu + 40% Ni; 4- 20% Сu + 80% Ni; 5 - 100% Ni. 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 раствора, а заканчивается кристаллизация при температуре t₃, (точка b₁). При этой температуре затвердевает последняя капля жидкого сплава. Разная температура начала и конца кристаллизации сплавов свидетельствует о том, что состав твердой фазы непрерывно меняется.

Для построения диаграммы состояния (рис. 9.10.6) 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. 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 - АmВ, а нижнюю солидус - АnВ (что в перевод, с латинского -соответственно означает жидкий и 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.

Диаграмма состояния сплавов, образующих механические смеси из чистых ком­ понентов. Рассмотрим, например, диаграмму состояния сплавов системы висмут-кадмий (рис. 9.11.). Область существования жидкого сплава ограничена сверху лома­ной линией, соединяющей точки плавления висмута А и кадмия В

 

через точку Е. В точке Е сплав (40% Bi и 60% Cd) имеет одинаковые температуры ликвидуса и солидуса. Все остальные сплавы системы затвердевают и плавятся в пределах температурно­го интервала, который снизу ограничен горизонтальной линией солидуса CED. Сплав в точке Е имеет смесь очень мелких кристаллов висмута и кадмия, находящих­ся в определенном взаимном расположении. Этот сплав называется эвтектикой (что в переводе с греческого «легкоплавкая»). Эвтектикой называют механическую смесь двух видов кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкого сплава посто­янной концентрации при постоянной температуре. Твердые сплавы, лежащие левее точки Е, называют

 

доэвтектическими, а справа- заэвтектическими. Доэвтектические сплавы состоят из смеси кристаллов висмута и эвтектики, а заэвтектические - из смеси кристаллов кад­мия с эвтектикой. Внизу под диаграммой приведены виды структур в различных уча­стках диаграммы.

Диаграмма состояния сплавов для случаев ограниченной растворимости компонентов в состоянии. Одна из таких диаграмм показана на рис. 9.12. содержит три фазы - жидкий раствор, твердый раствор компонента В в компоненте А (назовем его а) и твердый раствор компонента А в компонент β (назовем его в). Линия диаграммы KCD - линия ликвидуса, линия KECFD -линия солидуса. Кристаллы α выделяются из жидкого сплава по линии ликвидуса КС, а кристаллы β по линииСD.

Рис.9.12.Диаграмма состояния сплавов для случаев ограниченной растворимости компонентов в тверд.состоянии

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 по 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 справа - заэвтектическими.

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.

В сплавах, состав которых находится между точками S и Е, образовавшиеся при- затвердевании кристаллы а при понижении температуры ниже линии ES пере­сыщены компонентом В и поэтому из них происходит выделение избыточных кри­сталлов β.

Диаграммы состояния сплавов, образующих химические соединения. Сплавы. имеющие химическое соединение (рис, 9.13.) компонентов А и В, имеют сложную диаграмму состояния. Химическое соединение обоз­начают A_mB_n. Это указывает на то, что в данном соеди­нении на m.атомов компонента А приходится n атомов компонента В. Число фаз в данной системе три -жидкий раствор, твердый раствор компонента В в компоненте А (фаза α) и твердый раствор компонента А в компоненте В (фаза β).

Данная диаграмма как бы составлена из диаграмм двух систем: компонент А - химическое соединение АmВn. В сплавах левее точки С компонента А имеется больше, чем входит в химическое соединение АmВn.

Следовательно в этих сплавах ле­вее точки С образуется эвтектика α+ АmВn. В сплавах правее тонки С компонента В больше, чем может входить в химическое соединение АmВn,Следовательно, в этих сплавах образуется эвтектика AmBn+β.

Линия ликвидус для этой диаграммы будет АD A_mB_nFB, линия солидус AKDCCFTВ.Точки D и-F - точки образования эвтектик.

                                            9.2.3. Диаграммы свойства- с остав.

Между составом и структурой сплава (рис.9.14.), определяемой типом диаграммы состояния и свойствами сплава, имеется определенная зависимость, установленная в начале XX века академиком Н.С.Куркановым. механических смесях свойства (твердость Н, электропроводность Е и др.) изменяются линейно (рис.9.14.а). В твердых растворах свойства изменяются по криволинейной зависимости (рис.9.14.6). В химических

соединениях свойства изменяются по лома­ной зависимости (рис.9.14.в). При концентрации соответствующей химическому соединению, отмечается характерный перелом по кривой свойств. Это объясняется тем, что химические соединения обладают инди­видуальными свойствами, обычно резко отличающимися от свойств образующих и компонентов.

По диаграммам состояния и свойства-состав можно определять и технологи­ческие свойства сплавов, что облегчает выбор материала для изготовления изделий. Так, твердые растворы имеют низкие литейные свойства (плохую жидкотекучесть, склонны к образованию пористости и трещин). В свою очередь эвтектические сплавы имеют хорошую жидкотекучестъ.

                    9.3. Железоуглеродистые с плав ы.

                     Диаграмма состояния железо-углерод.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: