Понятие о сплавах и методах их получения

Сплавы
Металлические сплавы ( 50% металла и более)
Неталлические сплавы

Сплавы-конструкционные материалы, полученные путем сплавления нескольких химических элементов
Вещества, которые образуют сплав называются компонентами .
2-х компонентные : (металл+металл,металл+неметалл),
3-компонентные и более...
Фазой называют однородную часть сплава, характеризующуюся определенными составом и строением и отделенную от других частей сплава поверхностью раздела
Под структурой понимают форму ,размер и характер взаимного расположения фаз в металлах и сплавах

Система – группа тел, выделяемых для наблюдения и изучения.
В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы. Чистый металл является простой однокомпонентной системой, сплав – сложной системой, состоящей из двух и более компонентов.
Компоненты – вещества, образующие систему. В качестве компонентов выступают чистые вещества и химические соединения, если они не диссоцируют на составные части в исследуемом интервале температур.
Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются.
Вариантность (C) (число степеней свободы) – это число внутренних и внешних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения количества фаз в системе.

В жидкой фазе атомные кристаллические решетки компонентов распадаются и компоненты растворяются либо присутствуют самостоятельно в сплаве
Твердая фаза- это однородная часть сплава с определенными атомно-кристаллическим строением и массовой долей сплавляемых компонентов.
Фаза
Жидкая
Твердая

три основных типа сплавов
механические смеси
химические соединения
твердые растворы

Механическая смесь
Механическая смесь двух компонентов А и В образуется, если они не способны к взаимодействию или взаимному растворению. Каждый компонент при этом кристаллизуется в свою кристаллическую решетку. Структура механических смесей неоднородная, состоящая из отдельных зерен компонента А и компонента В. Свойства механических смесей зависят от количественного соотношения компонентов: чем больше в сплаве данного компонента, тем ближе к его свойствам свойства смеси.

Химическое соединение
Химическое соединение образуется когда компоненты сплава А и В вступают в химическое взаимодействие. При этом при этом соотношение чисел атомов в соединении соответствует его химической формуле AmBn. Химическое соединение имеет свою кристаллическую решетку, которая отличается от кристаллических решеток компонентов. Химические соединения имеют однородную структуру, состоящую из одинаковых по составу и свойствам зерен.

Твердые растворы
Сплавы твердые растворы – это твердые фазы, в которых соотношения между компонентов могут изменяться. Являются кристаллическими веществами.
Характерной особенностью твердых растворов является: наличие в их кристаллической решетке разнородных атомов при сохранении типа решетки растворителя.

В твердых растворах один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (или другого) компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры (периоды). Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу.
Различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения
При образовании твердого раствора замещения атомов растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке. Замещаться могут любые атомы.
При образовании твердого раствора внедрения атомов растворенного компонента располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решетки растворителя (при этом пустоты должны обладать определенным пространством).
Схемы твердых растворов: а – чистый металл; б – твердый раствор замещения; в - твердый раствор внедрения

Основные типы диаграмм состояния
Любое изменение в металле при нагревании (охлаждении) характеризуется определенной температурой, которая называется критической.
Критические температуры на прямой отражаются соответствующими точками, которые называются критическими точками
Если рассматривать металл или сплав в одном измерении, то графическая характеристика будет изображаться в виде вертикальной прямой , на которой указываются критические температуры

Состояние чистого железа при нагревании и охлаждении

Диаграмма состояния сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов (I рода)
Сплавы, компоненты которых при затвердевании образуют только механические смеси, относятся к первой группе. Диаграмма этих сплавов условно называется диаграммой состояния первого 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

Механическая смесь кристаллов, выделяющихся из жидкого сплава одновременно, называется эвтектикой (в переводе с греческого – «хорошо сложенный»). Сплавы указанной концентрации называют эвтектическими.
Точка С показывает состав эвтектики. Сплавы, расположенные левее этой точки, называют доэвтектическими, правее ее – заэвтектическими. В структуре доэвтектических сплавов, кроме эвтектики, всегда есть некоторое количество свинца, а в заэвтектических, кроме эвтектики, – сурьмы.

Микроструктура сплава:
а)90% Pb 10%Sb
б)80% Pb 20%Sb
в)87% Pb 13%Sb

Линия диаграммы состояния, на которой при охлаждении начинается кристаллизация сплава, называется линией ликвидус, а линия, на которой кристаллизация завершается, — линией солидус.
Линия АСВ на диаграмме - линия ликвидуса (в переводе с греческого – «жидкий»). Выше этой линии любой сплав свинца с сурьмой находится в жидком состоянии. Линия ДСВЕ получила название линии солидуса (в переводе с греческого – «твердый»)- линия ,на которой кристаллизация завершается , или эвтектической линии. Точка С показывает состав эвтектики.

Порядок построения диаграммы состояния

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (2рода)

Твердые растворы

Характерной особенностью твердых растворов является наличие в их кристаллической решетке разнородных атомов, при сохранении типа решетки растворителя.
Различают:
твердые растворы замещения,
Твердые растворы внедрения

По степеням растворимости компонентов различают твердые растворы:
с неограниченной растворимостью компонентов;
с ограниченной растворимостью компонентов.

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов
в твердом состоянии

Основные линии диаграммы:
acb – линия ликвидус, выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии;
adb – линия солидус, ниже этой линии сплавы находятся в твердом состоянии.
Определить процентное содержание компонентов в фазах можно по правилу отрезков
Для этого строют коноду – горизонтальную линию C Q . Для определения процентного содержания жидкой и кристаллической фазы можно определить по формулам.

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов
в твердом состоянии

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Диаграммы состояния сплавов, компоненты которых образуют химические соединения

Сплавы такого типа образуется при определенном соотношении компонентов, когда происходит химическое взаимодействие. ( АnВm )
При этом образуется новая кристаллическая решетка с правильным упорядоченным расположением атомов, которая отличается от решеток элементов, составляющих химическое соединение.
Химические соединения имеют ярко выраженные индивидуальные свойства.
Кристаллизуются при постоянной температуре, как чистые металлы.

Эвт1 (кр. А + кр. AmBn);
Эвт2 (кр. B + кр. AmBn).

Связь между диаграммой состояния сплава и его свойствами

При образовании механических смесей свойства изменяются по линейному закону. Значения характеристик свойств сплава находятся в интервале между характеристиками чистых компонентов.
При образовании твердых растворов с неограниченной растворимостью свойства сплавов изменяются по криволинейной зависимости,
При образовании твердых растворов с ограниченной растворимостью свойства в интервале концентраций, отвечающих однофазным твердым растворам, изменяются по криволинейному закону, а в двухфазной области – по линейному закону. Причем крайние точки на прямой являются свойствами чистых фаз, предельно насыщенных твердых растворов, образующих данную смесь.
При образовании химических соединений концентрация химического соединения отвечает максимуму на кривой. Точка перелома, соответствующая химическому соединению, называется сингулярной точкой.

ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ

Основными конструкционными материалами являются стали и чугуны.
Стали и чугуны представляют собой сплавы железа с углеродом.
Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит.

Железо обладает полиморфизмом – способностью изменять свою кристаллическую решетку.

Железо
температура плавления 1539 ± 5°С
В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях:
При температуре ниже 911 °С существует Feα с ОЦК.
В интервале температур от 911 до 1392 oС Feγ с ГЦК.
Выше 1392 °С - железо имеет ОЦК и называется Feδ.
Точка Кюри железа 768 oС
При значении температуры ниже 768 °С железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно.

2. Углерод.
Неметаллический элемент, обладающий полиморфизмом.
Может существовать в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления 3500 °С)
Графит имеет слоистое строение, обладает низкой механической прочностью.
Углерод в форме алмаза имеет сложную кубическую решетку (температура плавления 5000 °С).
Алмаз – чрезвычайно твердый, что объясняется строением кристаллической решетки с ковалентной межатомной связью.

Взаимодействие железа и углерода в сплаве
1. Углерод растворяется в железе в жидком и твердом состоянии, образуя твердые растворы:
Твердый раствор внедрения углерода в α – железе – называют Феррит обозначается Feα (C)
Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода:
минимальную – 0,006 % при комнатной температуре (точка Q на диаграмме ),
максимальную – 0,02 % при температуре 727 °С (точка P на диаграмме).
Свойства феррита близки к свойствам чистого железа. Он мягкий и пластичный (130 НВ), магнитный до 768 °С .

Твердый раствор внедрения углерода в γ-железе называется Аустенит (А) обозначается Feγ (С) Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.
Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода:
минимальную – 0,8 % при температуре 727 °С (точка S ),
максимальную – 2,14 % при 1147 °С (точка Е).
Аустенит имеет более высокую твердость 200-250 НВ, пластичный, парамагнитный.

2. Железо и углерод могут образовывать химическое соединение Цементит (Fe3C) (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.
Цементит имеет высокую твердость (800 НВ), практически нулевую пластичность.
Аллотропных превращений не испытывает.
Температура плавления Fe3C около 1550 °С .
При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217 °С.
Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита.

3. В высокоуглеродистых соединениях углерод может находиться в чистом виде – т.е. в виде графита(серые чугуны)
В системе Fе – Fе3С могут существовать следующие фазы:
жидкая фаза (в жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях),
твердые растворы (феррит, аустенит),
химическое соединение (цементит)
свободный углерод в виде графита.
Кроме того, к структурным составляющим относят перлит и ледебурит – механические смеси.

Диаграмма состояния железо-углерод (железо – цементит)
Эта диаграмма представляет собой часть диаграммы железо-углерод.
Содержание углерода ограничивается 6,67 %, таким образом вторым компонентом этой диаграммы является химическое соединение – цементит.

Фазовые и структурные изменения, происходящие при охлаждении или нагреве железо-углеродистых сплавов связаны с изменением кристаллической решетки железа и изменением растворимости в нем углерода.
При понижении температуры растворимость углерода в железе уменьшается.

Ж- жидкость
А – аустенит
Ф – феррит
Ц- цементит (первичный, вторичный, третичный)
Л-ледебурит
П-перлит

Линия АСD – линия ликвидуса. Выше этой линии сплав находится в жидком состоянии
Линия AECF – линия солидуса. Ниже этой линии сплав находится в твердом состоянии
По линии АС – кристаллизуется аустенит
По линии СD – кристаллизуется цементит, называемый – первичным
В точке С – аустенит и цементит кристаллизуются одновременно, образуя эвтектический сплав, называемый ледебуритом

ЛЕДЕБУРИТ (Л) – эвтектическая смесь, которая образуется из жидкой фазы (из расплава) с концентрацией углерода 4,3 % при температуре 1147 °С. В диапазоне температур 1147...727 °С ледебурит состоит из двух фаз – аустенита и цементита.
При температуре ниже 727 °С аустенит внутри ледебурита превращается в перлит. Таким образом, ниже 727 °С ледебурит также представляет механическую смесь, но состоящую уже из перлита и цементита (а по фазам – из феррита и цементита). Содержание углерода в ледебурите всегда постоянно и составляет 4,3 %.

По линии ES – из аустенита выделяется вторичный цементит.
По линии GS – кристаллизуется феррит
По лини GP – превращение аустенита в феррит заканчивается.
При достижении температуры 727 С происходит эвтектоидное превращение аустенита, т.е.
PSK – линия эвтектоидного превращения.
По механизму данное превращение похоже на эвтектическое, но протекает в твердом состоянии.
При содержании углерода 0,8% образуется эвтектоидный сплав - перлит.

ПЕРЛИТ (П) – эвтектоидная смесь, состоящая из двух фаз –феррита и цементита. Эта структура образуется в результате распада аустенита с содержанием углерода 0,8 % при температуре 727 °С и ниже. Содержание углерода в перлите для всех железоуглеродистых сплавов всегда постоянно и равно 0,8 %.

Цементит. В железоуглеродистых сплавах присутствуют:
цементит первичный (ЦI),
цементит вторичный (ЦII),
цементит третичный (ЦIII).
Химические и физические свойства этих фаз одинаковы.
ЦI выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. (DC)
ЦII выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). (ES)
ЦIII выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен. (PQ)

Железоуглеродистые сплавы с долей углерода, не превышающей 2,14 %, называют сталями.
В их структуре имеется перлит, но отсутствует ледебурит.
По структуре стали в зависимости от содержания углерода подразделяют на:
техническое железо (С < 0,02 %),
Углеродистые стали(0,02-2,14%):
доэвтектоидные (0,02 < С < 0,8 %),
эвтектоидные (С = 0,8 %)
и заэвтектоидные стали (0,8 < С < 2,14 %).

Структуры сталей
Доэвтектоидные стали состоят из феррита и перлита
Эвтектоидные – состоят из перлита.
Завтектоидные состоят из перлита и цементита

Цементит, феррит, аустенит – это однофазные структуры.
Линия АВСD – линия ликвидуса системы.
Феррит : высокотемпературный – левее линии АHN; низкотемпературный - левее линии GPQ.
Аустенит – область ограничена л.NJESG.
Цементит – вертикальная линия DFKL.
Линия AHJECF – линия солидуса.

В двухфазных областях диаграммы состояния в равновесии находятся:
жидкий раствор и кристаллы феррита (ABH)
кристаллы феррита и аустенита (HIN и GSP);
жидкий раствор и кристаллы аустенита (JBCE);
жидкий раствор и цементит (CDF);
кристаллы аустенита и цементита (SECFK);
кристаллы феррита и цементита (QPSKL).

Трехфазным равновесным состояниям сплавов отвечают горизонтальные линии на ДС:
при 1499 °С (л.HJB) в сплавах от 0,1 до 0,51 %С
происходит перитектическое превращение
ЖB + ФH → АJ
при 1147 °С (л.ЕСF) в сплавах от 2,14 до 6,67 %С происходит эвтектическое превращение
ЖB→АЕ + Ц - ледебурит
при 727 °С (л.РSК) в сплавах с концентрацией углерода более 0,02 %С происходит эвтектоидное превращение (распад аустенита на механическую смесь)
АS→ ФР + Ц - перлит

Составы и количества фаз в системе «железо - цементит» определить можно на коноде с помощью
правила отрезков.

К Чугунам относятся — сплавы Fe с содержанием углерода более чем 2,14% (обычно до 4 %), содержащий постоянные примеси (Si, Mn, S, Р), а иногда и легирующие элементы (Cr, Ni, V, А1 и др.);
Из за высокого содержание углерода чугуны как правило, менее прочные и более хрупкие, чем сталь.
Наличие в структуре легкоплавкого ледебурита повышает литейные свойства чугунов: температуры плавления чугунов значительно ниже (на 300...400 °С), чем у стали (около 1200 С)
Углерод в чугуне может находиться в виде цементита, графита или одновременно в виде цементита и графита.

Свойства чугуна обусловлены, главным образом, количеством и структурными особенностями графитной составляющей.
Образование графита в чугуне может происходить в результате непосредственного выделения его из жидкого или твердого раствора, а также при разложении цементита
(FезС —> Fe + ЗС).
Процесс образования в чугуне или стали графита называют графитизацией.
Таким образом, структура чугунов представляет собой стальную основу и графит, чугуны можно рассматривать как сталь, испещренную графитовыми включениями.
Чем меньше графитных включений, чем они мельче и больше степень их изолированности, тем выше прочность чугуна при одной и той же металлической основ.

Белые чугуны
Белые чугуны не содержат графит, в них практически весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита.
Из-за большого содержания цементита они очень хрупкие и твердые, с трудом отливаются и обрабатываются инструментом.
Белые чугуны редко используются в народном хозяйстве в качестве конструкционных материалов. Из них делают детали гидромашин, пескометов и других конструкций, работающие в условиях повышенного абразивного изнашивания.
Они являются передельными – используются для передела в сталь, а также получения серых чугунов.
Маркировка белых чугунов не установлена.

По равновесной структуре белые чугуны подразделяют на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.
Доля углерода в доэвтектическом чугуне может составлять 2,14 – 4,3 %. Структура его состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита.
Доля углерода в эвтектическом чугуне 4,3 %. Структура его состоит полностью из ледебурита.
Доля углерода в заэвтектическом чугуне более 4,3 % (до 6,67 %). Его структура состоит из первичного цементита, выделившегося из жидкости, и ледебурита.

Структуры чугунов

При специальной термической обработке белых чугунов происходит графитизация.
Чугуны с графитом называют серыми и в зависимости от формы содержащегося графита - разделяют на обыкновенные серые, ковкие и высокопрочные.
Эти чугуны различаются количеством и формой графитных включений.
Металлическая основа чугуна тоже не одинакова различают:
Серый перлитный – перлит с включением графита (0,8% углерода находится в связанном состоянии в виде цементита, остальное в виде графита)
Серый ферритно-перлитный – феррит и перлит и включение графита (связано менее 0.8 %)
Серый ферритный - ферритная металлическая основа и практически весь углерод в виде графита.
от металлической основы зависит твердость – самая высокая у перлитного – 250 НВ, меньшая у ферритного 150НВ

Обыкновенными серыми называют чугуны, в структуре которых графит имеет пластинчатую форму.
Чугун с пластинчатым графитом имеет сравнительно низкую механическую прочность, его можно рассматривать как сталь, в который графит играет роль надрезов, ослабляющих металлическую основу.
На долю серого чугуна с пластинчатым графитом приходится около 80 % общего производства чугунных отливок.
Серые чугуны обладают высокими литейными качествами, хорошо обрабатываются и сопротивляются износу, однако из-за низких прочности и пластических свойств в основном используются для неответственных деталей.
В станкостроении серый чугун является основным конструкционным материалом (станины станков, столы, колонки, каретки и др.);