Тема 4 Основи теорії сплавів
Металічний сплав - це кристалічне тіло, яке має металічні властивості і одержане при сплавленні або спіканні двох чи більше компонентів. Основою всіх металічних сплавів є метали. Компоненти - це найчастіше інші метали або неметали (наприклад, ввуглець в сталях та чавунах).
Сплави одержують при кристалізації рідкого розплаву, при спіканні, дифузійній металізації, електролітичному осіданні. Більшість металів в рідкому стані необмежено розчинені один в одному, іноді зустрічається їх обмежена розчиненість або відсутнє розчинення .
Якщо сплав має металеві властивості, а процес його утворення — сплавлювання металевих елементів, то його називають металевим. Сплави одержують з рідкого розплаву кількох компонентів потрібної концентрації з наступною його кристалізацією.
Складову сплаву називають компонентом. Складових може бути дві, три і більше, а тому сплави бувають дво-, трикомпонентні тощо. Головною умовою утворення сплаву є можливість одержати однорідний рідкий розчин.
У сплаві, крім основних компонентів, можуть бути корисні й шкідливі домішки, а також спеціальні легуючі елементи, які вводять для надання сплаву певних властивостей. Тому структура сплавів складніша, ніж структура чистих металів, і залежить від компонентів, якими можуть бути чисті метали, неметали і проміжні фази постійного складу, що збереглися при сплавлюванні.
Фаза сплаву — це однорідна частина системи однакового агрегатного стану, яка відокремлена від інших фаз системи поверхнею розподілу. Залежно від основного складового компонента розрізняють сплави із залізною, мідною, алюмінієвою, магнієвою, титановою, олов'яною, нікелевою та іншими основами. Наприклад, залізну основу мають чавуни і сталі, мідну — латуні та бронзи алюмінієву — деформівні й ливарні алюмінієві сплави.
Системою називають сукупність фаз, утворених компонентами за різних тисків і концентрацій. Фазовий стан сплавів, утворених однаковими компонентами, зі зміною їх складу та температури можна описати діаграмами стану сплавів.
При затвердіванні компоненти сплава можуть утворювати тверді розчини , хімічні сполуки, механічні суміши. Таким чином, властивості сплава залежать не тільки від його хімічного складу, а також від характера взаємодії компонентів, які його складають.
Тверді розчини - це фази, які утворені шляхом укорінення або заміщення атомів розчинного компонента в решітці розчинника. При цьому тип решітки розчинника зберігається, проте відбувається її викривленя, зміна параметрів та властивостей. Тверді розчини, як правило, пластичні, мають невелику твердість.
Якщо компоненти сплава вступають в хімчну взаємодію, утворюється хімічна сполука з новим типом кристалічної решітки і новими властивостями, які відрізняються від властивостей елементів, які її утворили. Хімічні сполуки мають складні кристалічні решітки і відзначаються високою твердістю і крихкістю.
Якщо компоненти сплава не розчиняються один в одному в твердому стані і не вступають в хімічну взаємодію з утворенням сполуки, то утворюється механічна суміш компонентів, які складають сплав. При кристалізації такого сплава кристали кожного компонента зберігають ті властивості, які вони мають в чистому вигляді. Властивості механічної суміші визначаються кількісним співвідношенням кристалів кожного компонента.
Рис. 14 - Структура сплаву компонентів А і Б:
а — мікрошліф — механічна суміш; б — мікрошліф — твердий розчин; 1 — зерна компонента А; 2 — зерна компонента Б
Сплави можуть бути однофазними та багатофазними. Наприклад, рідина має одну фазу, а під час кристалізації дві — рідку і тверду.
Внутрішня будова металевих сплавів різна (рис. 15). У рідкому розплаві компоненти сплаву повністю розчинені один в одному, але буває й обмежена розчинність або повна нерозчинність, коли рідини не змішуються, а розчин розшаровується залежно від густини компонентів. Нерозчинних рідких металів кілька пар, наприклад сплави Fе — Pb, Fе — Ві, Сu — Рb.
Рис. 15 - Внутрішня будова сплавів:
1- рідкий розплав; 2-4 — механічна суміш (металів або твердих розчинів - 2,металів та хімічних сполук - 3, твердий розчин хімічних сполук - 4); 5-6 -твердий розчин (заміщення - 5, проникнення - 6): 7- хімічні сполуки тапроміжні фази
На розчинність компонентів впливають магнітне, електричне й ультразвукове поля, внаслідок дії яких на метали можуть утворитись однофазні рідкі розчини.
За допомогою металографічного аналізу можна легко визначити в сплаві суміш компонентів, але цей метод не дає змоги визначити природу фаз компонентів сплаву. Щоб визначити тип решіток складових сплаву, виконують рентгеноструктурний аналіз. Механічна суміш має добрі механічні й технологічні властивості і дрібнокристалічну будову.
За певних умов кристалізації компоненти розчиняються один в одному, утворюючи однорідні розчини в твердому стані. Стан твердої фази з доброю розчинністю називають твердим розчином. На відміну від механічної суміші твердий розчин є однофазним із збереженою кристалічною решіткою одного з компонентів, а атоми одного чи кількох його компонентів змінюють параметри й зберігають загальну кристалічну решітку (рис. 2.2).
Тверді розчини можуть утворюватися тоді, коли атоми компонентів, що сплавляються, слабко взаємодіють між собою. Компоненти, розчинюючись один в одному, зберігають однорідну будову з деяким спотворенням кристалічної решітки одного компонента іншим. Основним компонентом, або розчинником, називають метал, кристалічна решітка якого зберігається під час сплавлення. Розчинним називають такий компонент, який під час розчинення втрачає властиву йому кристалічну будову, а його атоми розміщуються в кристалічній решітці розчинника. Якщо сплавляються метали з однорідною кристалічною решіткою, то розчинником буде метал, концентрація якого перевищує 50 %.
Під час утворення твердих розчинів відбувається заміщення атомів основного металу атомами розчинного чи проникнення в кристалічну решітку основного металу атомів розчиненого компонента. Залежно від характеру розміщення атомів кристалічної решітки розрізняють тверді розчини заміщення, проникнення та вилучення.
Тверді розчини заміщення утворюються, коли атоми елемента, що розчиняється, замінюються в кристалічній решітці атомами розчинника. Це можливо, якщо компоненти мають однорідну решітку. Розміри їх атомів майже не відрізняються один від одного. Такий сплав утворюється заміщенням атомів у вузлах кристалічної решітки, що обов'язково призводить до спотворення решітки розчинника. Тверді розчини заміщення бувають зі сталою і змінною розчинністю компонентів залежно від зміни температури. Краще розчиняються метали високої валентності в металі меншої валентності та тугоплавкі у легкоплавких.
Прикладами твердих розчинів заміщення можуть бути сплави, які одержують сплавленням міді й цинку, міді й кадмію, силіцію й германію, заліза й нікелю.
Тверді розчини проникнення утворюються під мас розчинення атомів компонента в кристалічній решітці розчинника, тобто коли атоми елемента, що розчиняється, проникають у решітку розчинника. Це відбувається, коли за розмірами атоми компонента, що розчиняється, менші від атомів розчинника. Тверді розчини проникнення утворюються в присутності неметалів, при цьому параметри кристалічної решітки збільшуються. Прикладами твердих розчинів проникнення є сплави берилію і міді, вуглецю і заліза, фосфору й міді. Найчастіше твердий розчин проникнення утворюється на базі металів: заліза, кобальту, мангану. Тверді розчини добре куються, вони чинять опір ударним навантаженням і гартуються. Якщо компоненти вступають у хімічні реакції, то утворюються хімічні сполуки.
Тверді розчини вилучення утворюються в сплавах, які містять хімічні сполуки, коли залишкові атоми одного з компонентів займають певні положення в кристалічній решітці, а місця, які повинні бути вільними, наприклад у решітках карбідів (місця, що належать вуглецю), залишаються вільними. Хімічні сполуки утворюються при сплавленні компонентів, які за своїми властивостями і будовою дуже відрізняються один від одного. Такий сплав набуває властивостей, які відрізняються від властивостей компонентів, що входять до його складу.
Щоб одержати сплав, його складові компоненти необхідно розплавити. Для цього за кривими нагрівання чи охолодження визначають критичні точки. На рис. 16 показано зміну температури залежно від часу нагрівання (лінія 7). З нагріванням металу температура підвищується від точки А до Б. На відрізку ВС температура стала — в цей час відбувається руйнування кристалічних решіток, тобто їх плавлення, яке супроводжується поглинанням тепла, а після повного розплавлення температура знову підвищується (відрізок СВ).
Рис. 16 Взаємозв'язок температури і часу нагрівання та охолодження металів
Рис. 17 Кристалізація сплаву
Температуру, за якої відбувається процес руйнування решіток, називають температурою плавлення. Під час охолодження рідкого металу (лінія 2) внаслідок кристалізації відбувається зворотний процес — на відрізку А ' В ' температура знижується, на відрізку В ' С ' залишається сталою до завершення кристалізації, а потім знижується до повного охолодження.
Температури, за яких змінюється стан металу, називають критичними. На кривих нагрівання та охолодження точки В, С, В ' і С ' — критичні.
Кристалізація сплавів складніша, ніж чистих металів. Відмінність у тому, що чисті метали плавляться та кристалізуються не за певної температури, а в інтервалі температур t1 — t2 (рис. 17). З охолодженням рідкого сплаву температура на відрізку а знижується до температури початку кристалізації в точці t1. У рідкому сплаві з'являються тверді кристали, а на відрізку б відбувається кристалізація, яка закінчується за температури t2, на відрізку в твердий сплав охолоджується. Процес тверднення називають кристалізацією.
Чисті метали під час кристалізації мають одну критичну точку, а сплави можуть мати дві, в інтервалі між якими сплав має дві фази: рідкий сплав і тверду фазу (кристали, число яких зростає, в кінці кристалізації рідкий сплав твердіє). Цей процес має важливе практичне значення для визначення режиму термічної обробки сплаву, обробки литтям, тиском тощо.
Для вивчення залежності стану сплаву від концентрації та температури будують діаграми стану сплавів, в яких графічно відображають параметри.
Діаграми стану сплавів
Діаграма стану сплавів - це графічна залежність між фазовим складом, температурою та концентрацією компонентів, що складають сплав.
Діаграми стану будують за даними експериментальних та теоретичних досліджень. Для кожного сплава будь-якої системи будують криві охолодження і знвходять на них критичні точки, тобто температуру плавлення і твердіння. Крім того, за допомогою мікроструктурного аналізу визначають структури, які утворюються при твердінні, співвідношення між фазами у процесі твердіння та інші параметри.
Критичні точки наносять на загальну діаграму, яку будують в координатах температура - масова доля компонентів. Кожна ордината такої діаграми відповідає критичній точці сплава конкретного складу, а крайні ординати відповідають чистим компонентам.
З’єднавши критичні точки, які відповідають одному і тому ж перетворенню, одержують лінії, які поділяють діаграму на області. Лінія АСВ, на якій знаходяться точки початку первинної кристалізації сплавів данної системи, називається лінією ліквідус, а лінія ДСБ, яка відповідає закінченню первинної кристалізації - лінією солідус . Вище лінії ліквідус всі сплави знаходяться в рідкому стані. В інтервалі температур між лініями ліквідус і солідус відбувається кристалізація і сплави знаходяться в двохфазному стані (рідка та тверда фаза), нижче лінії солідус - в твердому стані.
Діаграма стану дозволяє простежити за перетвореннями, які відбуваються при нагріванні сплавів та їх охолодженні , визначити температури та характер перетворень в твердому стані (якщо воновідбувається) та одержати багато інших відомостей, необхідних для розробки технології литва, термічної обробки, обробки металів тиском та зварювання.