что такое фазовый состав
Фазовый состав сплавов
Фаза — часть сплава, отделенная поверхностью раздела и отличающаяся непрерывностью химического состава, кристаллической структуры и свойств по всему объему и скачкообразным изменением всех указанных параметров при переходе через границу.
Таким образом, признаками любой фазы (Ф) являются:
• граница раздела, обособляющая фазу сплава от других его фаз.
В твердом состоянии в сплавах различают два вида твердых фаз — твердые растворы и промежуточные фазы (ПФ). В сплавах возможно также наличие специфических смесей фаз, которые образуются одновременно (во время охлаждения или нагревания) при постоянной температуре. Эти фазовые смеси могут состоять из твердых растворов, промежуточных фаз и технически чистых металлов. Они носят название эвтектоидных смесей.
Виды фаз можно выявить с помощью микроструктурного анализа. На рис. 4.1 показана схема микроструктуры сплава с различными промежуточными фазами. Белое поле с границами — это твердый раствор. Промежуточные фазы крупных размеров, образовавшиеся при кристаллизации, обозначены Фперв; промежуточные фазы более мелких размеров, сформировавшиеся при горячей обработке давлением, — Фвтор, а дисперсные частицы промежуточных фаз, образовавшиеся при термообработке, — Фстар. Частицы этих фаз находятся внутри твердого раствора.
Пластинчатые образования в одном из зерен представляют собой эвтектоидную смесь из двух фаз (Фэвт).
В том случае, когда легирующий компонент растворяется в металле-основе, не изменяя его кристаллическую решетку, образуется новая фаза — твердый раствор.
Твердый раствор — фаза сплава, кристаллическая решетка которой не отличается от кристаллической решетки металла-основы, а концентрация легирующих компонентов изменяется в широком диапазоне значений. Твердые растворы занимают основной объем сплава, являясь матричными фазами.
Классифицируют твердые растворы по нескольким признакам, одним из которых служит положение атома легирующего компонента в кристаллической решетке. Согласно этому признаку различают твердые растворы внедрения и замещения.
В твердых растворах внедрения атомы легирующего компонента располагаются в междуузлиях (рис. 4.2, а), в твердых растворах замещения — в узлах кристаллической решетки, замещая атомы основного металла (рис. 4.2, б).
Твердые растворы внедрения образуются в сплавах, содержащих металлоиды — водород, азот, углерод, бор, атомы которых имеют малые радиусы, сравнимые с размером пор и междуузельных пространств в кристаллической решетке металлов. Твердые растворы замещения характерны для сплавов, легированных металлами.
Промежуточные фазы — это химические соединения, которые образуются между технически чистыми компонентами в сплавах при определенном их соотношении. Их частицы отделены от матричного твердого раствора поверхностью раздела.
От твердых растворов ПФ отличаются также типом межатомной связи, которая может быть ковалентной, ковалентно-металлической, ионной. В любом случае эти связи сильнее в сопоставлении с металлической, вследствие чего температура плавления, модуль упругости и твердость ПФ выше, чем твердых растворов.
В сплавах ПФ подразделяют по названию легирующего элемента, образующего соединение с металлом:
— оксиды — соединения с кислородом;
— гидриды — соединения с водородом;
— карбиды — соединения с углеродом;
— нитриды — соединения с азотом;
— бориды — соединения с бором;
— силициды — соединения с кремнием;
— интерметаллиды или интерметаллические фазы — соединения с другим металлом.
В сплавах на основе железа — сталях и чугунах — наибольшее влияние на свойства оказывают карбиды и нитриды. В порядке увеличения карбидообразующей (нитридообразующей) способности легирующие компоненты сталей и чугунов располагаются в ряд:
Карбиды и нитриды элементов с большей карбидообразующей (нитридообразующей) способностью по сравнению с железом — основой сплавов — образуются при повышенных температурах практически на всех технологических этапах изготовления изделий. Эти карбиды обычно называют специальными. К ним относятся следующие фазы:
• TiC, NbC, VC, ZrC, TiN, NbN с общей формулой MeX (МеС, MeN), имеющие ГЦК-решетку;
• карбиды Fе3С, Сr7С3, Сr23С6, Мо6С со сложными кристаллическими решетками.
Такие промежуточные фазы, как нитриды FeN, Fe2N, Fe4N, CrN, AlN, образуются при специальной обработке поверхности — азотировании.
Твердость карбидов и нитридов в сталях, например, в несколько раз выше, чем в твердых растворах, а модуль упругости более чем в 2 раза превышает модуль упругости высокопрочных сталей. Эти соединения влияют на свойства сплавов; их используют для упрочнения объема сплава и поверхности.
Промежуточные фазы типа интерметаллидов оказывают существенное влияние на свойства цветных сплавов. Такие фазы обычно обозначают строчными буквами греческого алфавита. Количество групп и типов этих соединений в сплавах чрезвычайно велико. В машиностроительных сплавах практическое значение имеют четыре группы интерметаллидов: фазы Лавеса (Л), сигма-фазы (о), фазы типа Ni3Аl(у’), электронные соединения (b, е, у).
Фазовый состав сплавов
Фазовый состав сплавов
Его получают плазменным напылением, кристаллизацией из пара в вакууме, электролизом и др. 11 чисто металл или неметалл, и металл и сплав металла или неметалла использованы для фактической индустрии. В сплавах элементы взаимодействуют по-разному, образуя кристаллические фазы различного химического состава, связей и структур. Эти кристаллы можно разделить на 2 основных типа: твердый раствор и
промежуточная фаза, в зависимости от атомной структуры кристалла. Людмила Фирмаль
Твердым раствором называют Кристалл, в котором 1 кристаллическая решетка одного растворяющего элемента является retained. In на промежуточной стадии формируется кристаллическая решетка нового типа, которая отличается от решетки образующих ее элементов. Поэтому, помимо классификации кристаллов по типу связи, используется классификация по типу кристаллической решетки. Данная классификация позволяет прогнозировать характер изменения свойств сплавов в зависимости от их состава.
Твердый раствор. Такие растворы представляют собой кристаллические фазы с различным составом. Атомы растворенного элемента в находятся в кристаллической решетке растворителя-элемента а, вытесняя атомы из узла решетки или проникая в поры растворителя. gap. In в первом случае кристалл называется замещающим твердым раствором, а во втором-интерстициальным твердым раствором(рис.1.15).Число замещенных атомов, а также число интерстициальных атомов могут варьироваться в широком диапазоне, растворимость твердого раствора изменяется.
Если разница в атомном радиусе не превышает 15%, то атомы растворителя а могут быть заменены атомами растворенного элемента В. Это условие называется размером factor. In твердые растворы, растворенные атомы обычно распределены статистически в решетке растворителя. Вокруг атомов растворенного вещества, происходит локальное искажение пространственной решетки. Эти искажения изменяют характеристики и изменяют средний период решетки. Вследствие растворения элемента, атомный радиус которого меньше атомного
радиуса растворителя, средний период решетки уменьшается, и чем больше радиус, тем больше он увеличивается. Людмила Фирмаль
Образование твердого раствора всегда сопровождается увеличением электрического сопротивления и снижением температурного коэффициента электрического сопротивления. Обычно твердый раствор менее пластичен*и всегда тверже и прочнее, чем чистый металл. 1. исключительный твердый раствор на основе меди. Растворимость элемента в твердом состоянии уменьшается по мере увеличения разности между атомным радиусом и валентностью расплавленного элемента. При образовании замещающих твердых растворов также возможна неограниченная растворимость элементов в твердом состоянии.
То есть о количественном соотношении элементов синтеза, когда все разнородные атомы расположены на участке общей пространственной решетки. Неограниченная растворимость наблюдается, когда размерные факторы и элементы имеют одинаковый тип кристаллической решетки. В сплавах меди и золота, меди и никеля, Германия и кремния неограниченная растворимость в твердом состоянии составляет observed. In полиморфный металл, неограниченная растворимость происходит в пределах 1 изменения пространственной решетки. Например, февраля предоставляет
неограниченные твердые растворы (ОЦК решетка), содержащих хром, и Фэй обеспечивает твердые растворы, содержащие неограниченное серии никеля (ГЦК решетка). Многие твердые замещающие растворы при относительно низких температурах могут находиться в упорядоченном состоянии. То есть вместо статистического распределения неоднородных атомов в узлах пространственной решетки атомы одного металла и другого полностью расположены в определенном порядке. Такой твердый раствор называют упорядоченным. Также используется термин»надстройка». Переход
из неупорядоченного состояния в упорядоченное происходит при определенной температуре или определенном диапазоне температур. Температура твердого раствора p Он совершенно неупорядочен, называется точкой Курнакова и обозначается 9К. обычно упорядочение происходит только тогда, когда твердый раствор медленно охлаждается из диапазона температур, превышающего 9К. Упорядоченные твердые растворы находятся в системах со значительной или неограниченной растворимостью в твердом
теле state. In в этом случае полный порядок возникает при концентрации твердого раствора, что соответствует простому атомному соотношению типа AB или AB3 components. In состав близок к тому, что указано, наблюдается полупорядок. На рисунке показано расположение атомов в упорядоченном твердом растворе 2 медно-золотых сплавов и составов, соответствующих концентрациям AuCu3 и AuCu. 1.16. Появление и исчезновение порядка в расположении атомов твердых растворов сопровождается изменением свойств. Когда вы приказываете, электрическая проводимость, коэффициент температуры электрического
сопротивления, твердость и прочность увеличат. Пластичность сплава составляет reduced. In ферромагнитные сплавы, магнитные свойства изменяются. Например, у пермаллоя (Ма> — никелевый сплав железа и никеля) проницаемость уменьшается в несколько раз за время заказа. Некоторые •о’о’о’о’о’ О, да. Хм… Рис. 1.16.Кристаллическая решетка сплава меди и золота： В нарушений решение 1спальная секунд; б-упорядоченный твердый раствор (состав сплава AuCu); » — приказал жесткий растр (состав сплава AuCu） (Перенаправлено с ) Один. Ф Зет.•• * О Компании J е)
торические сплавы в неупорядоченном состоянии являются парамагнитными, а после упорядочения, например, сплав гадлера (Mn-Cu-Ai) становится ферромагнитным. Твердое решение для развертывания. Такой твердый раствор возникает при легировании переходных металлов неметаллами, имеющими малый атомный радиус-H, K, C, B. Главным условием определения возможности растворения путем инкорпорации является размерный коэффициент. Размер интерстициальных атомов должен быть равен или немного больше размера пор. Растворимость интрузивных твердых растворов всегда ограничена и возникает в основном тогда, когда растворитель
имеет решетку hcp или fcc с порами радиусом 0,41 К. в решетке bcc растворимость из-за включения мала, потому что диаметр пор не превышает 0,29 K. Примером промышленного интрузивного твердого раствора является ВЭД с FCC решеткой, углеродный твердый раствор СЭЗ, который нагревается до 2,14% (по массе) carbon. No, в решетке bcc углерод почти не растворяется. Максимальная растворимость составляет около 0,02% (вес). Искажение решетки,
возникающее при образовании интерстициального твердого раствора, превышает искажение решетки, возникающее при образовании замещающего твердого раствора, поэтому характеристики изменяются сильнее abruptly. By при увеличении концентрации растворенных элементов в твердом растворе заметно повышаются электрическое сопротивление, коэрцитивная сила, твердость и прочность, но заметно снижаются пластичность и вязкость. Для сплавов, содержащих более 3 элементов, один и тот же растворитель может быть растворен как замещением, так
и инкорпорацией. Поэтому при легировании железа марганцем и углем Марганец растворяется путем замещения, а углерод растворяется путем включения в твердый раствор. В заключение следует подчеркнуть, что твердый раствор сохраняет тип кристаллической решетки и связи, следовательно, он является кристаллом по своим свойствам наиболее близким к solvent. In в частности, твердые растворы на металлической основе отличаются отличной технической пластичностью.
Они хорошо деформируются в горячем состоянии, а многие-в холодном. Твердые растворы составляют основу большинства промышленных конструкционных сплавов и специальных сплавов. Промежуточная фаза. Кристаллы со своим видом кристаллической решетки, которые образованы различными элементами и отличаются от решетки
составляющих элементов, называются мезофазами. В зависимости от свойств элементов промежуточной фазы могут существовать всевозможные связи. Связывание сначала определяет свойства кристалла, особенно его электрические свойства (см. раздел 17.1). Расположение атомов (или ионов) в решетке может быть неупорядоченным, или может быть полностью или частично ordered. As в случае твердых растворов упорядочение вызывает резкое изменение свойств-появление сверхпроводимости. Промежуточной фазой, такой как твердый раствор, является кристалл, состав которого изменяется в определенном диапазоне концентраций, а в некоторых
случаях он очень мал. Переменного состава объясняется наличием мелких межподрешеточное»лишних»атомов (или ионов) в кристаллической решетке промежуточной фазы или отсутствие атома в узле кристаллической решетки(рис. 1.17). Промежуточная стадия, подобно твердому раствору, обозначается буквами греческого алфавита. Однако допускается химическое обозначение. ns формула, в которую заключен состав (стехиометрия), в котором кристалл имеет дефекты-интерстициальные атомы и вакансии. Рис. 1.17.Кристаллическая решетка ГСО с недостатком металла Ионный. На сегодняшний день нет полной классификации большого
количества разнообразных промежуточных стадий. Отметим, что структура промежуточной фазы зависит от 3 факторов: относительного размера атомов, валентности и положения в периодической системе элемента, определяющего электронную структуру. Система не заглохнет-м ларьке. Участок с ионным скреплением любимчика. К ним относятся простые оксиды металлов и двойные оксиды металлов. Простой оксид железа FeO имеет пространственную решетку плоского сердца (см. Рисунок 1.14).Все кислородные узлы решетки заполнены, но некоторые металлические
узлы свободны. Таким образом, оксиды FeO имеют структуру с большим дефицитом ионов металлов, что определяет появление полупроводниковых свойств(см. раздел 17.2). Оксид железа E3O4 представляет собой двойной оксид FeO x Fe2O3 (рис. 1.18).Кристаллическая решетка оксидов шпинели содержит ионы двухвалентного и трехвалентного железа, которые находятся в зазоре ионов кислорода.
Сочетание двух типов ионов железа и ионного типа придает оксиду особое магнитное свойство в высокочастотном поле. Несмотря на незначительный недостаток ионов железа, высокая плотность упаковки ионов в решетке способствует их высокой стойкости к химической коррозии. Фаза ионного ковалентного типа. Такие этапы формируются взаимодействием Металлы I-Iff группы и неметаллы подгруппы B V-VI
группы (например, некоторые сульфиды и фосфиды, ZnS и A IP).Эти фазы имеют полупроводниковые характеристики. Фаза со связью металлического типа. При взаимодействии переходного металла с C, N, B и N образуется фаза, в которой доминирует связь металлического типа. Эти фазы называются карбидами, нитридами и боридами соответственно. Я идрилами. Кристаллическая структура этих соединений зависит от относительного размера неметаллических атомов L | 1M и атомов металла Lm.
При соотношении 0,59 карбиды включают глиальные карбиды (называемые цементитами в стали), карбид марганца и карбид хрома (например, отношение Rc / Rte = 0,605 в карбиде железа).Карбид железа Fe3C и карбид хрома Cr23C6 и Cr7C3
являются наиболее важными промежуточными фазами для конструкционных и инструментальных сталей, но их свойства значительно influenced. In в последних карбидах имеется определенная доля ковалентных связей, но преобладают металлические связи. Эти промежуточные фазы характеризуются высокой твердостью и хрупкостью, а также、Они несговорчивы, но уступают Характер карбида быть этапом проникания.
Система заполнена l l-met a l. при плавлении металлов может образовываться промежуточная фаза со связью металлического типа. К ним относятся электронная фаза, благоприятный тюк и фаза С. Электронная фаза. Это фазы переменной configuration. As как можно больше! Более высокое содержание валентных металлов характеризуется совершенно четким значением концентраций электронов 3/2, 21/13,
7/4, то есть отношением числа валентных электронов к числу атомов. Фазы с указанными значениями электронной концентрации обычно обозначаются соответственно p-фазой, y-фазой и c-фазой. Указанная концентрация электронов обусловлена соответствующей химической формулой. Например, в медно-цинковом сплаве, в котором Moiyr образует массу фазы при заданной концентрации, такими уравнениями являются CuZn, Cu, ZnB, CuZn3 соответственно. В большинстве сплавов, есть решетки ОЦК Р-фазы и γ-фазы есть сложную кубическую решетку с 52 атомами в элементарной решетке, и в C-фазе есть решетки ГПУ. Свойства электронного соединения,
особенно его механические свойства, во многом зависят от степени упорядоченности атомного расположения компонентов в кристаллической решетке электронного соединения. Поэтому Р-фазы с ОЦК решеткой во всех системах с высокой температурой не являются регулярными, в этом состоянии их свойства близки к характеристикам твердого раствора, то есть они не отличаются высокой твердостью и обладают хорошими ductility. At низкие температуры, неупорядоченная Р-фаза неустойчива.
Они разлагаются на 2-фазные смеси или упорядочиваются, например, в системе Cu-Zn. Упорядоченная P’фаза гораздо более нестабильна и хрупка, y-фаза почти всегда упорядочена, и до точки плавления она хрупка во всех системах. Фазы всегда представляют собой беспорядочную структуру. Электронные соединения присутствуют в структуре многих сплавов на основе меди. Латунь (Ку-ЗН), бронза (Ку-Ал, Ку-СН, ЕТК.).Они являются фазой усиления (см. раздел 9.4). Фаза лавеса. Эти промежуточные фазы почти постоянного состава AB2 образуются при взаимодействии металлов Различные группы периодической
таблицы элементов. Их формирование определяется размерным коэффициентом. Атомный радиус элемента B на 20-30% меньше атомного радиуса элемента A. Фаза Lovess представляет собой сложный куб или шестиугольную сетку. up. In магнитное поле, оно ведет себя как диамагнитное вещество. Линяющая фаза, образованная переходными металлами (NbFe2, MoFe2, TiFej, TiCrJ), присутствует в структуре некоторых жаропрочных сплавов и способствует их упрочнению (см. раздел 14.3). Сигма фаза. Эти фазы переменного состава образуются при плавлении переходных металлов вблизи атомных размеров. в o-фазе имеется сложная решетка, частично упорядоченная. В сплавах железа, содержащих более 20% Cr, которые
используются в качестве коррозионно-стойких конструкционных материалов, кристаллы с-фазы образуются за счет очень медленного охлаждения из области твердого раствора или изотермической выдержки при 800-600°C, что приводит к резкому повышению твердости и хрупкости.
Образовательный сайт для студентов и школьников
Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.
© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института
Что такое фазовый состав
СТРУКТУРА и СВОЙСТВА СПЛАВОВ
Многие считают, что для оценки свойств сплавов достаточно знать их химический состав. Но это не совсем так. Например, многие сплавы после термообработки становятся намного прочнее, хотя химсостав при этом не меняется. И, наоборот, небольшое изменение химического состава сплава может вызвать непропорционально большое изменение его механических или технологических свойств.
На самом деле важно знать, каким образом составляющие компоненты присутствуют в сплаве, а для этого надо знать его фазовый состав. Можно считать, что химический состав определяет возможные свойства, а фактические свойства определяются фазовым составом.
1. Фазовый состав и микроструктура
3. Структурные составляющие сплавов
4. Диаграммы состояний
5. Фазовые превращения
6. Фазовый состав и свойства сплавов
7. Примеси в металлах и сплавах
8. Фазовый состав медных сплавов
1. ФАЗОВЫЙ СОСТАВ и МИКРОСТРУКТУРА
Чистые металлы после кристаллизации всегда состоят из кристаллитов одного типа, т.е. из зерен одинакового химического состава. Совокупность зерен (кристаллитов) одинакового химического состава называется фазой. Все чистые металлы являются однофазными.
В отличие от чистых металлов процесс образования сплавов намного сложнее. Результат кристаллизации редко бывает однозначным, поскольку определяется несколькими факторами: взаимной растворимостью компонент, условиями охлаждения, последующей термообработкой. Если сплав состоит из зерен одного химического состава, то он является однофазным (гомогенным). Если образуются кристаллы разного химического состава, то сплав считается многофазным (гетерогенным), а разновидности образующихся кристаллов определяют его фазовый состав.
Зерна разных фаз могут по-разному сосуществовать друг с другом. Невооруженным глазом зёренное строение не видно, оно доступно только при микроскопическом исследовании полированных, предварительно протравленных шлифов. Строение сплава, наблюдаемое через микроскоп, называется микроструктурой (на практике очень часто говорят просто «структура»).
Участки микроструктуры, которые одинаково выглядят при рассмотрении через микроскоп, называются структурными составляющими. Они имеют однообразную форму, дисперсность (размеры) и взаимное расположение зерен. Структурные составляющие могут состоять из а) кристаллов одной фазы или б) из зерен нескольких фаз.
Свойства сплавов определяются их микроструктурой, т.е. видом и составом структурных составляющих, которые, в свою очередь, определяются фазовым составом.
2. ВОЗМОЖНЫЕ ФАЗЫ в СПЛАВАХ
Кратко рассмотрим фазы, которые могут существовать в сплавах.
2.1. Твердый раствор
Твердый раствор это кристаллическое образование, состоящее из атомов разного сорта, которые образовали общую кристаллическую решетку. Важно, что эта решетка того же типа, что и решетка основного металла (растворителя), хотя имеет искажения, степень которых возрастает с увеличением доли растворенной компоненты. Свойства твердого раствора изменяются по отношению к свойствам основного металла пропорционально доле атомов, вошедших в раствор. В частности, увеличивается прочность. По этой причине сплавы на основе твердого раствора всегда прочнее «базового» металла.
По степени концентрации растворенной компоненты твердый раствор может быть ненасы-щенным, насыщенным и пересыщенным.
Чаще всего растворимость одного металла в другом не только ограничена, но и зависит от температуры. Например, максимальная растворимость хрома в меди при 1072 о С составляет 0.65%, а при 400 о С только 0.05%. Если концентрация хрома в сплаве меньше 0.05%, то всегда образуются кристаллы ненасыщенного твердого раствора.
При большей концентрации возможны варианты. Медленное охлаждение приведет к тому, что при комнатной температуре будут существовать кристаллы насыщенного твердого раствора с предельной концентрацией хрома 0.05%, а остальная часть хрома выделится в виде избыточных кристаллов хрома. При быстром же охлаждении (закалка) образуются зерна пересыщенного твердого раствора (с концентрацией хрома выше предельной). Кристаллы пересыщенного раствора содержат больше растворенной компоненты, чем кристаллы насыщенного раствора. Поэтому закаленный сплав имеет большую прочность, чем медленно охлажденный, при этом уровень пластичности сохраняется (если же закалка приводит к мартенситному превращению, например в сталях, то упрочнение сопровождается снижением пластичности).
Ненасыщенный раствор устойчив к изменениям температуры, являясь стабильной фазой. Пересыщенный раствор является метастабильной, т.е. неустойчивой фазой. При определенных условиях он распадается на насыщенный раствор и избыточные кристаллы растворенной компоненты (или химического соединения, образованного компонентами сплава). Этот процесс лежит в основе термоупрочнения сплавов с переменной растворимостью.
Твердый раствор, образованный основным металлом сплава, называется ? -твердым раствором ( ? -фаза). В многокомпонентных сплавах в ? -раствор могут входить не одна, а несколько компонент. Обычно введение одной компоненты изменяет растворимость другой.
Твердый раствор может образоваться и на основе легирующей компоненты, а также на основе некоторых химических соединений (см. ниже).
2.2. Чистые металлы
2.3. Химические соединения
Особое место занимают, так называемые, электронные соединения. Это название связано с тем, что для них имеются определенные соотношения между числом атомов Na и числом валентных электронов N e . Каждому такому соотношению соответствует определенный тип кристаллической решетки и устоявшееся название:
3. СТРУКТУРНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ СПЛАВОВ
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. А эвтектики и эвтектоиды – это однородные композиции 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.
Эвт (А+В) – первичные кристаллы чистых металлов А и В.
Эвт (?+В) – зерна твердого раствора ? и кристаллы компоненты В.
Эвтектики имеют важную особенность. Они плавятся при температуре, которая меньше температуры плавления составляющих её фаз.
Особой структурной составляющей является мартенсит (чаще всего образуется в сталях).
4. 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, по горизонтальной – концентрация компоненты В. Такая диаграмма позволяет рассматривать свойства целого семейства сплавов.
Линии KCD и KE показывают как зависят от концентрации В температуры начала (ликвидус TL ) и окончания кристаллизации (солидус TS ). Величина интервала кристаллизации, ( TL – TS ), в котором растут кристаллы твердого раствора А и В, зависит от состава сплава.
Поскольку «нормальная» кристаллизация не завершается, отвердение жидкой фазы должно закончиться иначе: при температуре ТЭВТ из оставшейся части жидкого раствора образуется эвтектика. Соответствующая температура называется эвтектической, а линия EF – линией эвтектики.
Пересечение линии солидус с линией эвтектики определяет точку С (точка эвтектики). Ей соответствует состав сплава, называемый эвтектическим. Видно, что эвтектический состав имеет температуру (а не интервал!) плавления ТЭВТ , 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.
5. ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ в СПЛАВАХ
Сразу отметим, что диаграммы состояния отражают изменения, которые происходят только при медленном понижении температуры. Однако они помогают рассмотривать и быстропротекающие процессоы. Покажем это на примере приведенной диаграммы.
1. Сплавы типа (1). Концентрация В Bmin .
После завершения кристаллизации сплав состоит из одной фазы (твердый раствор В в А) при любых температурах. Фаза А(В) называется ? -фазой или ? -раствором. В таких сплавах фазовый состав не меняется с температурой и не зависит от скорости охлаждения.
2. Сплавы типа (2). Концентрация B min B max .
Сразу после кристаллизации сплав состоит из зерён ? -раствора, т.е. является однофазным. Но после охлаждения до Т2, соответствующей пределу растворимости для данной концентрации, кристаллы твердого раствора уже не могут содержать столько компоненты В, сколько её содержится в сплаве. Поэтому после охлаждения твердый раствор будет иметь состав, соответствующий минимальной растворимости компоненты В, а её избыточная часть выделится из ? -раствора в виде вторичных кристаллов В 2 (или кристаллов химического соединения). Такой процесс называется распадом твердого раствора (вторичная кристаллизация). Насыщенный раствор обозначим ? s .
Следовательно, ниже температуры Т 2 сплав становится двухфазным: ? s + B2 . Количество вторичных кристаллов в сплавах тем больше, чем ближе концентрация к B maх . Описанный процесс происходит только при медленном охлаждении.
При быстром охлаждении (закалка) получается однофазный сплав: вторичные кристаллы не успевают выделиться, и получается пересыщенный твердый раствор. Это второй вариант существования сплава с такой концентрацией.
Если сплав с фазой пересыщенного твердого раствора нагреть выше Т2, выдержать при этой температуре (старение), а затем медленно охладить, то получится сплав с мелкодисперсными выделениями вторичных кристаллов. Это приводит к увеличению пределов текучести и прочности. Это третий вариант существования сплава той же концентрации.
3. Сплавы типа (3). Концентрация B max B ЭВТ – «доэвтектические» сплавы.
После полного охлаждения сплав состоит в основном из ? s и Эвт. Кристаллы твердого раствора ? s успели сформироваться в ходе «обычной» кристаллизации, а эвтектика образовалась из «недокристаллизовавшейся» части жидкого раствора.
4. Сплавы типа (4). Концентрация В> B ЭВТ – «заэвтектические» сплавы.
«Обычная» кристаллизация прерывается при ТЭВТ и жидкая часть кристаллизуется в виде эвтектики. После полного охлаждения сплав состоит из двух структурных составляющих: В и Эвт.
5. Сплав (5). Концентрация В= B С – эвтектический сплав.
Для сплава с таким составом кристаллизация происходит не в интервале температур, а при эвтектической температуре с образованием одной лишь эвтектики, состоящей из мелких кристаллов обеих компонент: Эвт(А+В). При больших скоростях кристаллизации чисто эвтектическую структуру будут иметь сплавы, отличающиеся по составу от эвтектического.
Даже из рассмотренного частного случая можно сделать важные выводы:
1) небольшие количественные изменения химического состава могут качественно изменить фазовый состав и микроструктуру сплава.
2) для многих сплавов фазовый состав и микроструктура зависят от скорости охлаждения после кристаллизации или последующей термообработки.
6. ФАЗОВЫЙ СОСТАВ и СВОЙСТВА СПЛАВОВ
Механические, технологические и другие свойства, в конечном счете, определяются фазовым составом и структурными составляющими. Этим объясняется целесообразность существования большого количества сплавов, часто «незначительно» отличающихся по своему химическому составу. Существует определенная связь между фазовым составом и свойствами сплавов.
1. Однофазные сплавы на основе ненасыщенного ? -раствора имеют высокую пластичность при низких и высоких температурах, поэтому хорошо поддаются и холодной и горячей деформации. Отсутствие фазовых превращений при изменении температуры исключает возможность их термоупрочнения, поэтому они упрочняются только холодной деформацией.
2. Многофазные сплавы с малопластичными или хрупкими фазами имеют пониженную пластичность. Обычно они ограниченно поддаются обработке давлением (например, только в «горячем» или «холодном» состоянии) или вообще не деформируются.
3. Сплавы, имеющие в своем составе компоненты с переменной растворимостью, допускают термоупрочнение (путем закалки и последующего старения).
4. Сплавы с составом, близким к эвтектическому, имеют повышенные литейные свойства (из-за отсутствия крупных первичных кристаллов применяются доэвтектические сплавы).
Сплавы, допускающие горячую и (или) холодную обработку давлением (прессование, волочение, прокатка, ковка) относятся к деформируемым сплавам. Сплавы с хорошими литейными свойствами называются литейными. Такое деление часто условное, т.к. многие сплавы используются и как деформируемые и как литейные.
По способу упрочнения сплавы делят на термоупрочняемые и упрочняемые давлением. Многие сплавы допускают упрочнение и термообработкой и давлением.
7. ПРИМЕСИ в МЕТАЛЛАХ и СПЛАВАХ
В заключение вкратце рассмотрим влияние примесей. Они неизбежно присутствуют в металлах и сплавах, в той или иной степени ухудшая их свойства. Сначала рассмотрим влияние примесей на «чистые» металлы.
1. Примесь растворима в металле.
В этом случае она образует с металлом твердый раствор малой концентрации. При этом самостоятельная структурная составляющая не образуется. Такие примеси слабо влияют на механические свойства металлов, но сильно изменяют их физико-химические свойства – ухудшают коррозионную стойкость, тепло- и электропроводность.
2. Примесь нерастворима в металле.
В этом случае примесь входит в металл в составе эвтектики, которая выпадает по границам зерен основного металла. Нерастворимые примеси могут влиять на механические и технологические свойства металлов даже в малых концентрациях.
В частности, нерастворимые легкоплавкие примеси приводят к красноломкости. Это относится, например, к примесям Pb, Bi и Sb в меди. Висмут, не растворяясь в меди, присутствует в ней в составе эвтектики. Она состоит практически из чистого висмута (0.2% Cu +99.8% Bi ) и плавится при 270 о С. При нагреве эвтектика плавится, образуя межкристаллитные прослойки жидкой фазы, что ведет к снижению пластичности при температурах 300-400 о С (красноломкость). Тугоплавкие примеси образуют тугоплавкие эвтектики и к красноломкости не приводят.
3. Примесь образует с основным металлом химическое соединение.
Например, кислород образует с медью закись меди Cu2O. Её кристаллы входят в эвтектику Эвт(Cu — Cu 2 O), располагающуюся по границам кристаллов меди. Т.е. кислород присутствует в меди в составе эвтектики. Примеси серы и фосфора образуют с медью сульфиды и фосфиды, которые образуют самостоятельные структурные составляющие. Такие примеси обычно ухудшают механические и технологические свойства. Например, кислородсодержащая медь менее технологична при производстве тонкой проволоки, (электропроводность при этом уменьшается незначительно).
4. Различные примеси взаимодействуют между собой, образуя самостоятельное соединение.
Обычно это проявляется в уменьшении пластичности. Но в некоторых случаях происходит нейтрализация вредного воздействия одних примесей другими. Например, примесь висмута в меди, взаимодействуя с кислородом, образует окись висмута, которая оказывает менее вредное действие, чем кислород и висмут по отдельности.
Общий вывод состоит в следующем. Растворимые примеси изменяют физико-химические свойства металла. Примеси, образующие структурные составляющие, влияют на механические и технологические свойства и часто ухудшают коррозионные свойства. Увеличение содержания примесей часто ведет к увеличению температуры начала рекристаллизации, т.е. улучшает жаропрочность.
Из сказанного следует, что свойства чистых металлов характеризует не содержание основного металла, а количество конкретных примесей. Разные примеси присутствуют в разной форме и по-разному влияют на свойства основного металла. Поэтому для конкретных целей металл с чистотой 99.6% может оказаться хуже металла 99.5%, если у них разное содержание критической примеси.
Сказанное в отношении чистых металлов, в целом справедливо и для сплавов.
Например, нерастворимые в меди примеси Pb, Bi и Sb, образуя легкоплавкие эвтектики, являются такими же вредными примесями в простых латунях, как и в меди. В многокомпонентных сплавах количество примесей всегда больше, чем в чистых металлах (они попадают в сплав с каждой компонентой), кроме того, они могут взаимодействовать не только друг с другом, но и с легирующими компонентами. Структурные составляющие, образованные примесями, как правило, ухудшают коррозионные свойства, конструкционную прочность и технологичность сплавов. Поэтому сплавы, предназначенные для ответственного применения, производят из металлов повышенной чистоты.
8. ФАЗОВЫЙ СОСТАВ (и структура) МЕДНЫХ СПЛАВОВ
В качестве иллюстрации материала рассмотрим фазовый состав латуней и бронз.
8.1. СТРУКТУРА ЛАТУНЕЙ
Простые латуни Л90, Л85, Л80, Л75, Л70, Л68 – это однофазные сплавы, состоящие из кристаллов ? -твердого раствора цинка в меди (их называют ? -латуни). Чем больше цинка вошло в ? -раствор, тем латунь прочнее. Все ? -латуни пластичны, хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии.
Выше 460 о С ? -фаза является неупорядоченным раствором с хорошей пластичностью. Ниже 460 о С ? -твердый раствор упорядочивается и становится хрупким. Поэтому двухфазные ( ? + ? ) латуни хорошо обрабатываются давлением в горячем состоянии (когда пластичны обе фазы) и хуже при обычных температурах (когда пластична только ? -фаза).
Однофазными ? -латунями являются: ЛО90-1, ЛО70-1, ЛК80-3, ЛН65-5, ЛА85-0.5 Они имеют высокую пластичность и хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии.
Двухфазными ( ? + ? ) латунями являются: ЛО62-1, ЛО60-1, ЛМц58-2, ЛАН59-3-2.
Двух- и многофазные латуни ограниченно обрабатываются давлением.
8.2. СТРУКТУРА БРОНЗОВЫХ СПЛАВОВ
В бронзовых сплавах используется большое количество легирующих элементов в самых разных сочетаниях. Они характеризуются многообразием структурных составляющих и сильной зависимостью фазового состава от способа получения полуфабриката. Некоторые компоненты имеют переменную растворимость, что допускает термоупрочнение некоторых бронз.
Оловянные бронзы.
Основные легирующие элементы кроме олова – свинец, цинк, фосфор.
БрОФ4-0.2 (однофазная). Структура: кристаллы ? –раствора. Деформируемая (в горячем и холодном состоянии).
Приведенные примеры показывают, как с увеличением легирования растет количество структурных составляющих. При этом ухудшается технологическая пластичность и бронзы из класса деформируемых переходят в категорию литейных.
Алюминиевые бронзы.
БрА5 и БрА7: однофазные со структурой ? –раствора. Деформируемые (в холодном и горячем состоянии). БрАМц9-2: кристаллы ? –раствора и эвт-ид ( ? + ? 2 ). Бронза деформируемая (в горячем и холодном состоянии). БрАЖ9-4: кристаллы ? –раствора, кристаллы ? Fe и эвт-ид ( ? + ? 2 ). Бронза деформируемая (в горячем состоянии). Текст не закончен