Основы теории металлических сплавов

Металлы в чистом виде не обеспечивают требуемых механических и технологических свойств. Поэтому в большинстве случаев в технике используют металлические сплавы, получаемые в основном сплавлением при высоких температурах двух и более составляющих (компонентов сплава). Другие способы получения сплавов — спекание, электролиз, конденсация (сгущение), возгонка — применяются значительно реже. По числу компонентов сплавы делят на двойные, тройные и т.д.

В жидком состоянии сплавы представляют собой жидкий раствор. В твердом виде структура сплавов зависит от характера взаимодействия их компонентов и может представлять собой механическую смесь, химические соединения или твердый раствор. Механические и физические свойства любого сплава определяются типом взаимодействия его компонентов и их исходными свойствами.

Сплавы, являющиеся по природе механической смесью, неоднородны по составу, в твердом состоянии их структура представляет собой мельчайшую смесь кристаллитов компонентов, которые в жидком состоянии могут иметь полную взаимную растворимость.

Свойства такого сплава получаются усредненными по сравнению со свойствами компонентов, которые его образуют, а рентгеноструктурный анализ устанавливает наличие в сплаве кристаллических решеток всех его компонентов.

Химическое соединение может образовываться в металлических сплавах как между металлами, так и между металлами и неметаллами — компонентами системы, и, главное, характеризуется образованием новой кристаллической решетки с упорядоченным расположением в ней атомов компонентов. При этом новая решетка значительно отличается от решеток компонентов, и свойства сплава при этом существенно иные. Химическое соединение образуется при строгом массовом соотношении компонентов в соответствии с его стехиометрической формулой. Важно отметить, что химические соединения обычно тугоплавки, тверды, статически прочны и нередко хрупки.

Твердый раствор отличается от механической смеси и химического соединения тем, что наследует кристаллическую решетку металла-растворителя, в которой атомы растворимого вещества замещают атомы растворителя или внедряются в нее. В отличие от химического соединения такой сплав существует в широком интервале концентраций компонентов, причем компоненты способны растворяться один в другом в твердом состоянии. Твердые растворы по расположению атомов в кристаллической решетке подразделяются на растворы внедрения и замещения. 6 твердом растворе внедрения атомы растворенного компонента занимают место между узлами кристаллической решетки металла-растворителя. В твердом растворе замещения атомы растворенного компонента частично замещают в узлах атомы металла-растворителя.

Рис. Схема расположения атомов в кристаллической решетке твердых растворов: а — раствор внедрения; б — раствор замещения

Твердые растворы внедрения всегда являются ограниченными, т. е. имеют ограниченную область концентрации компонентов, а твердые растворы замещения могут иметь как ограниченную, так и неограниченную области концентрации компонентов, т.е. могут быть как ограниченными, так и неограниченными.

Для изучения свойств сплавов, определения температур начала и конца плавления или затвердевания, выяснения структуры сплавов, а также разработки технологии термической обработки деталей из сплавов пользуются диаграммами состояния сплавов. Такие диаграммы дают возможность судить о всех изменениях строения и свойств сплавов, происходящих в зависимости от изменения температуры и концентрации компонентов. По характеру взаимодействия компонентов в сплавах различают следующие основные типы диаграмм состояния:

• диаграмма состояния сплавов из компонентов, которые в жидком состоянии растворяются неограниченно и практически не растворимы один в другом в твердом состоянии, т. е. при затвердевании образуется механическая смесь, — диаграмма I типа;

• диаграмма состояния сплавов из компонентов, которые растворяются неограниченно (полностью) как в жидком, так и в твердом состояниях, — диаграмма II типа, образуя твердые растворы замещения;

• диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии — диаграмма III типа;

• диаграмма состояния для сплавов с устойчивым химическим соединением — диаграмма IV типа.

Для сплавов, состоящих из двух компонентов К1 и К2, диаграмму состояния строят в координатах температура—состав сплава.

По оси ординат откладывают температуру, по оси абсцисс — содержание компонентов. Крайние точки на оси абсцисс соответствуют 100 % их содержания, а промежуточные точки — соответствующему (указанному на шкале) содержанию.

Рис. Схема координат при построении диаграммы состояния сплавов двух компонентов К1 и К2: А, Б — два варианта сплавов

Например, для диаграммы на рис.  точка А соответствует сплаву, состоящему из компонентов К2 (20%) и К1 (80%), точка Б соответствует сплаву состава — 60 % К2 и 40 % К1 и т.д.

Для построения диаграммы состояния выплавляют серию сплавов с разным содержанием компонентов и,для каждого из сплавов термическим методом определяют кривую охлаждения. Полученные критические точки наносят на координатную плоскость и по ним строят диаграмму.

Диаграмму состояния I типа рассмотрим на примере сплавов свинец—сурьма (Pb—Sb). К ним относятся все сплавы, получаемые из чистых свинца (100 % РЬ) и сурьмы (100 % Sb). Ограничимся рассмотрением кривых охлаждения для чистых металлов и трех сплавов с содержанием сурьмы 5, 13 и 40 %.

Характерной особенностью кривых охлаждения на рис. является наличие горизонтального участка, соответствующего критической температуре, которая определяет температуру затвердевания данного металла. В этих случаях состав оставшегося жидкого металла совпадает с составом, образующимся при кристаллизации сплава. Так, для чистых металлов свинца и сурьмы составляет 327 и 631 °С. Для сплава состава 87 % РЬ и 13 % Sb 246 °С.

Таким образом, при данной температуре кристаллизация свинца и сурьмы происходит одновременно, и образуется механическая смесь кристаллов свинца и сурьмы, называемая эвтектикой. (Слово «эвтектика» в переводе с греческого означает «легкоплавящийся».) Температура, при которой образуется эвтектика, называется эвтектической, а сплав, называемый эвтектическим, характеризуется определенным процентным составом компонентов и всегда имеет наиболее низкую температуру плавления по сравнению с другими сплавами этой системы. В данном случае весь эвтектический сплав расплавится при постоянной температуре 246 °С.

Для двух других сплавов отмечаются свои две критические точки 1 и 2, которые в отличие от эвтектики характеризуют затвердевание сплава в интервале температур, указанных на кривых охлаждения. Замедление охлаждения в процессе кристаллизации на участке между точками 1 и 2 происходило вследствие выделения теплоты кристаллизации, а горизонтальный участок отсутствует вследствие несовпадения состава в жидком виде с составом твердого сплава, так как за счет кристаллизации одного из компонентов сплава жидкий металл обогащается другим компонентом.

Рис. Кривые охлаждения и структуры (я, б, в, д, е), а также диаграмма состояния (г) сплавов свинец—сурьма: 1 — температура ликвидуса; 2 — температура солидуса; АСВ — линия ликвидуса; ВСЕ — линия солидуса; Ж — жидкость; Эвт. — эвтектика; РЬ (ж.), Sb (тв.) — агрегатное состояние, соответственно жидкое для свинца и твердое для сурьмы

Температура, соответствующая точке 1, является температурой начала затвердевания сплава и называется температурой ликвидуса (от англ. liquidus — жидкий). Температура в точке 2 является температурой конца затвердевания и называется температурой солидуса (от англ. solidus — твердый). Характерным для этих сплавов является окончание затвердевания при температуре 246 °С, т. е. по достижении эвтектического состава. Поэтому в сплавах доэвтектического состава, имеющих избыток свинца против его количества в эвтектике, происходит выделение наряду с эвтектикой кристаллов чистого свинца при снижении температуры от 300 до 246 °С. В то же время в сплавах заэвтектического состава (см. рис. 1.10, д) имеется избыток сурьмы, поэтому в интервале температур 395... 246 °С происходит выделение кристаллов сурьмы и после затвердевания получается структура, содержащая сурьму и эвтектику (свинец + сурьма) (см. на диаграмме область Sb + Эвт.).

Если температуры затвердевания с кривых охлаждения перенести на график с координатами температура—концентрация компонентов и соединить полученные точки между собой, то получим диаграмму состояния сплавов свинец—сурьма. На этой диаграмме линия АС В характеризует начало затвердевания сплавов и называется линией ликвидуса. При температурах выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии. Линия DCE показывает температуры конца затвердения и называется линией солидуса. При температурах ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии, а выше до линии АСВ — в твердожидком. При изменении температуры по линии А С из жидкого сплава выделяется избыток кристаллов свинца, а по линии СВ — избыток кристаллов сурьмы.

Линия солидуса DCE определяет температуру образования эвтектики во всех сплавах свинец—сурьма, причем состав только одного сплава в точке С соответствует чистой эвтектике (13 % Sb + + 87 % РЬ). Все сплавы левее точки С (доэвтектические) содержат свинец и эвтектику (РЬ + Эвт.), а правее (заэвтектические) — сурьму и эвтектику (Sb + Эвт.).

Диаграмму состояния II типа рассмотрим на примере сплава медь—никель (Си—Ni). Если взять несколько медно-никелевых сплавов с разным процентным содержанием компонентов и получить для них кривые охлаждения подобно сплавам Pb—Sb, то по найденным критическим точкам также можно построить диаграмму состояния.

Рис. Кривые охлаждения (а) и диаграмма состояния (б) сплавов медь—никель: I — точка начала выделения кристаллов твердого раствора меди в никеле

На рис. приведены кривые охлаждения чистой меди (100 % Си), сплава никеля и меди, содержащего 50 % Ni и 50 % Си, и чистого никеля (100 % Ni). Из рассмотрения этих кривых следует, что кристаллизация чистых металлов протекает при постоянной температуре (горизонтальные участки кривых, соответственно при 1083 и 1452 °С), а сплав кристаллизуется в интервале температур от точки на линии ликвидуса (1340 °С) до точки на линии солидуса (1210 °С). Линии ликвидуса и солидуса на диаграмме получены при переносе критических точек с кривых охлаждения на диаграмму состояния и последующем соединении их плавными кривыми. Эти линии показывают, что начало и конец затвердевания сплавов данной системы соответствуют не одной температуре, а диапазону температур.

Проследим процесс кристаллизации сплава, содержащего 50 % Си. В точке I из жидкого раствора начинают выделяться кристаллы твердого раствора меди в никеле, причем раствор имеет повышенное содержание никеля (83 %), у которого более высокая температура плавления (1452 °С). Содержание никеля можно определить, если из точки / провести горизонталь до пересечения с линией солидуса.

При дальнейшем охлаждении кристаллы твердого раствора имеют большую неоднородность за счет более раннего образования кристаллов никеля. Однако при очень медленном снижении температуры состав кристаллов в твердом растворе выравнивается вследствие диффузии. Если же охлаждение вести быстро, то структура кристаллов не успеет выравняться и внутренние области каждого кристалла будут содержать тугоплавкого компонента (никеля) больше, чем внешние. Концентрация компонентов по объему кристаллов нарушится.

Внутрикристаллитную (дендритную) ликвацию устраняют продолжительным нагревом сплава при высоких температурах, который носит название диффузионного отжига. При отжиге интенсивно протекает процесс диффузии, в результате неоднородность по химическому составу компонентов сплава снижается.