Файл: материалы.doc

Чистые металлы – однофазны, поскольку состоят только из кристаллов чистого металла. Сплавы могут быть и однофазными и многофазными. Однофазные сплавы всегда состоят из кристаллов твердого раствора одного вида (состава).

В многофазных сплавах может одновременно присутствовать несколько структурных составляющих: 1) кристаллы твердого раствора (одного или нескольких составов), 2) кристаллы химических соединений, 3) кристаллы компонент сплава, 4) эвтектики и 5) эвтектоиды.

Первые три структурных составляющих представляют собой кристаллы рассмотренных выше фаз. Аэвтектики и эвтектоиды – это однородныекомпозиции из кристаллов разных фаз. Важно, что кристаллы в них сильно измельчены по сравнению с кристаллами твердого раствора или первичными кристаллами. При рассмотрении в микроскоп они выглядят одинаковыми участками, имеют особые свойства и поэтому являются самостоятельными структурными составляющими.

Эвтектика - это композиция из кристаллов, которые образуются при распаде жидкого раствора (при первичной кристаллизации). В зависимости от состава они обозначаются следующим образом:

Эвт (А+В) – первичные кристаллы чистыхметалловА и В.

Эвт (?+В) – зерна твердого раствора?и кристаллы компоненты В.

Эвт (А_mB_n+?) – кристаллы химического соединения А_mB_n и твердого раствора?и т.д.

Эвтектики имеют важную особенность. Они плавятся при температуре, которая меньше температуры плавления составляющих её фаз.

Другой тип структурной составляющей, внешне похожий на эвтектику – эвтектоид. Он образуется из твердой фазы (при вторичной кристаллизации), поэтому при нагреве эвтектоид не плавится. Пример обозначения: Эвт-д (? + ?) -эвтектоидная смесь состоит из кристаллов твердых растворов ? и ?. Самый известный пример эвтектоида - перлит в углеродистых сталях.

Особой структурной составляющей является мартенсит (чаще всего образуется в сталях).

Большинство сплавов при изменении температуры изменяют свой фазовый состав и, следовательно, микроструктуру. Фотографии микроструктур различных сплавов с описанием их структурных составляющих можно посмотреть на сайте microstructure.ru.Подробно в учебнике.

Диаграммы состояния

Описание любых сплавов всегда начинается с рассмотрения их диаграмм состояний. Поэтому имеет смысл разобраться, что на них изображено и зачем они нужны. Существует с десяток видов диаграмм.

Одна из них показана на рисунке и описывает систему, две компоненты которой (А и В) неограниченно растворимы в жидком состоянии, но ограниченно растворимы в твердом состоянии. По вертикальной оси отложена температура, погоризонтальной – концентрация компоненты В. Такая диаграмма позволяет рассматривать свойства целого семейства сплавов.

Линии KCD и KEпоказывают как зависят от концентрацииВ температуры начала (ликвидус T_L) и окончания кристаллизации (солидусT_S). Величина интервала кристаллизации, (T_L – T_S), в котором растут кристаллы твердого раствораА иВ, зависит от состава сплава.

Линия SE (линия сольвус) характеризует растворимость компонентыВот температуры (в данном случае она уменьшается при охлаждении). Линии солидус и сольвуспересекаются в точке Е. Ей соответствует температура Тэвт, при которой кристаллы твердого раствора, растущие из расплава, становятся насыщенными и поэтому не могут расти дальше.

Поскольку «нормальная» кристаллизация не завершается, отвердение жидкой фазы должно закончиться иначе: при температуре Т_ЭВТ из оставшейся части жидкого раствора образуется эвтектика. Соответствующая температура называется эвтектической, а линия EF – линией эвтектики.

Пересечение линии солидус с линией эвтектики определяет точкуС (точка эвтектики). Ей соответствует состав сплава, называемый эвтектическим. Видно, что эвтектический состав имеет температуру (а не интервал!) плавления Т_ЭВТ, которая ниже температуры плавления компонент, составляющих сплав. Этот факт объясняет происхождение термина: на древнегреческом «эвтектика» означает «легкоплавкая».

Диаграмма состояния позволяет определить:

1. области существования сплавов с однотипной микроструктурой (на рисунке выделены цветом)

2. превращения, которые могут происходить при изменении температуры

3.возможные фазы и структурные составляющие, которые и определяют свойства сплавов.

4. интервалы кристаллизации и температуры проведения различных видов термообработки.

Кристаллизация сплавов.

Кристаллизация сплавов подчиняется тем же закономерностям, что и кристаллизация чистых металлов. Необходимым условием является стремление системы в состояние с минимумом свободной энергии.

Основным отличием является большая роль диффузионных процессов, между жидкостью и кристаллизующейся фазой. Эти процессы необходимы для перераспределения разнородных атомов, равномерно распределенных в жидкой фазе.

В сплавах в твердых состояниях, имеют место процессы перекристаллизации, обусловленные аллотропическими превращениями компонентов сплава, распадом твердых растворов, выделением из твердых растворов вторичных фаз, когда растворимость компонентов в твердом состоянии меняется с изменением температуры.

Эти превращения называют фазовыми превращениями в твердом состоянии.

При перекристаллизации в твердом состоянии образуются центры кристаллизации и происходит их рост.

Обычно центры кристаллизации возникают по границам зерен старой фазы, где решетка имеет наиболее дефектное строение, и где имеются примеси, которые могут стать центрами новых кристаллов. У старой и новой фазы, в течение некоторого времени, имеются общие плоскости. Такая связь решеток называется когерентной связью. В случае различия строения старой и новой фаз превращение протекает с образованием промежуточных фаз.

Нарушение когерентности и обособления кристаллов наступает, когда они приобретут определенные размеры.

Процессы кристаллизации сплавов изучаются по диаграммам состояния.

Диаграмма состояния.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от концентрации и температуры (рис. 4.5)

Рис. 4.5. Диаграмма состояния

Диаграммы состояния показывают устойчивые состояния, т.е. состояния, которые при данных условиях обладают минимумом свободной энергии, и поэтому ее также называют диаграммой равновесия, так как она показывает, какие при данных условиях существуют равновесные фазы.

Построение диаграмм состояния наиболее часто осуществляется при помощи термического анализа.

В результате получают серию кривых охлаждения, на которых при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба и температурные остановки.

Температуры, соответствующие фазовым превращениям, называют критическими точками. Некоторые критические точки имеют названия, например, точки отвечающие началу кристаллизации называют точками ликвидус, а концу кристаллизации – точками солидус.

По кривым охлаждения строят диаграмму состава в координатах: по оси абсцисс –концентрация компонентов, по оси ординат – температура.

Шкала концентраций показывает содержание компонента В. Основными линиями являются линии ликвидус (1) и солидус (2), а также линии соответствующие фазовым превращениям в твердом состоянии (3, 4).

По диаграмме состояния можно определить температуры фазовых превращений, изменение фазового состава, приблизительно, свойства сплава, виды обработки, которые можно применять для сплава.

Диаграмма состояния сплавов с отсутствием растворимости в твердом состоянии (I типа)

Диаграмма состояния сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов (I рода)

Исходные данные: оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, а в твердом состоянии нерастворимы и не образуют химических соединений.

Компоненты: химические элементы А, В (К = 2).

Фазы: жидкость Ж, кристаллы А, В (Ф = 3).

Примером диаграмм этого типа является диаграмма состояния сплавов системы Pb-Sb. Диаграмма Pb-Sb строится на основе использования кривых охлаждения, полученных методом термического анализа (рис. 1).

Система сплавов Pb-Sb включает в себя составы со 100 % РЬ и 0 % Sb, т. е. чистый свинец, и со 100 % Sb и 0 % РЬ, т. е. чистую сурьму. Кривые охлаждения для этих чистых металлов имеют по одному горизонтальному участку, характеризующему температуру кристаллизации: соответственно для свинца 327 °С и для сурьмы 631 °С. На диаграмме состояния эти температуры находятся на осях ординат, где содержатся соответственно чистый свинец и чистая сурьма. Структура чистых металлов представляет собой однородные зерна.

Рис. 1. Диаграмма состояния, кривые охлаждения и схемы структур сплавов системы Pb—Sb при полном охлаждении до комнатной температуры

Сплав, содержащий 13 % Sb и 87 % РЬ, также имеет один горизонтальный участок, т. е. одну критическую точку (245 °С) -температуру затвердевания этого сплава. Этот сплав характеризуется тем, что в нем происходит одновременнаякристаллизация из жидкой фазы кристаллов РЬ и Sb (в общем случае компонентов А и В) с образованием механической смеси. Такая механическая смесь двух (или более) видов кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкости, называется эвтектикой. Сам сплав с 13 % Sb и 87 % РЬ является эвтектическим, а его микроструктура представляет собой попеременно чередующиеся выделения сурьмы в свинцовой основе (рис. 1). Принято эвтектическую реакцию записывать так: Ж —> Pb + Sb, или в общем виде Ж —> А + В.

Кристаллизация любого сплава, имеющего 0 % < Sb < 13 %, начинается с выделения кристаллов РЬ. Эти сплавы затвердевают в интервале температур, и на кривых охлаждения имеются две критические точки, соответствующие началу и концу затвердевания (например, сплав с 5 % Sb, рис. 1). Все они называются до эвтектическими сплавами, претерпевают эвтектическое превращение при охлаждении ниже температуры 245 °С и имеют после окончательного охлаждения структуру РЬ + Э(РЬ + Sb), рис. 1. В этой структуре имеется две структурные составляющие: кристаллы РЬ и эвтектика Э(РЬ + Sb), которые получаются на базе двух фаз: кристаллов РЬ и кристаллов Sb.

Кристаллизация любого сплава с концентрацией 100 % > Sb >> 13 % начинается с выделения кристаллов Sb. Эти сплавы также

затвердевают в интервале температур - начала и конца затвердевания (например, сплав с 40 % Sb, рис. 5.1). При охлаждении ниже температуры 245 °С в них протекает эвтектическое превращение. Эти сплавы называются заэвтектическими и имеют после охлаждения окончательную структуру Sb + Э(РЬ + Sb), рис. 1. Структура заэвтектических сплавов также является двухфазной (кристаллы Sb и РЬ) и состоит из двух структурных составляющих: кристаллов Sb и эвтектики Э (Pb + Sb).

На диаграмме можно выделить три характерные зоны: область, где существует только жидкая фаза, - выше системы линий, ограниченной точками: температура 327 °С - эвтектическая точка 245 °С - температура 631 °С; область, где существует только твердая фаза (кристаллы РЬ и Sb), - ниже эвтектической линии (вся горизонтальная линия на уровне температуры 245 °С с концами в месте ее пересечений с ординатами со 100 % РЬ и 100 % Sb); область, где одновременно сосуществует жидкая и твердая фаза (область с жидко-твердой фазой) - между линиями, ограничивающими соответственно жидкое и твердое состояние сплавов.

Линия, ограничивающая на диаграмме область жидкой фазы сплавов, называется линией ликвидус. Линия, ограничивающая область полностью затвердевшего сплава от остальной области на диаграмме состояний, называется линией солидус.