Основную долю разнообразных металлических материалов, используемых в технике, составляют сплавы. Чистые металлы в технике не применяют, потому что они характеризуются низким пределом прочности. Путем сплавления или спекания нескольких металлов или металлов с неметаллическими элементами получают сплавы, которые обладают высокой прочностью, пластичностью, хорошо обрабатываются резанием, свариваются и т.д. При этом улучшаются эксплуатационные и технологические свойства металлического материала.
Сплавом называется макроскопически однородная система, состоящая из двух и более химических элементов. Вещества, образующие систему, называют компонентами.
Компонентами сплава могут быть металлы (железо, медь, алюминий, никель и т.д.) и неметаллические элементы (углерод).
Компонентом могут быть и химические соединения, если в рассматриваемых интервалах температур они не диссоциируют на свои составные части. Количество компонентов, составляющих систему (сплав), может быть различным. Чистый металл – это однокомпонентная система; сплав двух металлов – двухкомпонентная, и т.д.
Выбор базового компонента сплава определяется техническим заданием на его свойства. В зависимости от базового компонента все сплавы делятся на:
- черные, основу которых составляет железо (стали, чугуны);
- цветные, основу которых составляет любой металл, кроме железа (алюминиевые, медные, никелевые, титановые и др.).
Выбор других компонентов сплава производится на основе оценки взаимодействия элементов периодической системы с базовым компонентом и между собой. Их взаимодействие учитывается и в жидком, и в твердом состояниях, так как сплавление проводится при температурах, превышающих температуру плавления базового компонента, а затем сплав, охлаждаясь, кристаллизуется и остывает до температуры окружающей среды. При этом изменяется не только агрегатное состояние системы, но и ее фазовый состав в зависимости от температуры и скорости охлаждения.
Фазы металлических сплавов
В сплавах компоненты могут вступать во взаимодействие с образованием различных фаз. Различают следующие фазы металлических сплавов:
- жидкие растворы;
- твердые растворы;
- химические соединения.
Растворомназывается твердая или жидкая гомогенная (однородная) система, состоящая из двух или более компонентов, относительные количества которых могут изменяться в широких пределах.
Жидкие растворы. Большинство металлов растворяются друг в друге в жидком состоянии неограниченно (в любых соотношениях).
Драгоценные металлы и их сплавы
... ювелирных товаров применяют сплавы драгоценных металлов с другими металлами, чаще всего цветными. Такие сплавы называют лигатурами, а металлы, входящие в сплав лигатурными. Эти металлы повышают некоторые свойства сплавов драгоценных металлов. Так, медь и платина повышают тв ...
При этом образуется однородный жидкий раствор, в котором атомы растворимого металла равномерно распределены среди атомов металла-растворителя.
Твердые растворы. В твердом растворе металл-растворитель сохраняет свою кристаллическую решетку, а растворимый элемент (металл или неметалл) распределяется в ней в виде отдельных атомов. Твердые растворы бывают двух типов:
- твердые растворы замещения;
- твердые растворы внедрения.
В твердых растворах замещения (рис. 1, а) часть атомов кристаллической решетки металла-растворителя замещена атомами другого компонента. Атомы растворенного компонента могут замещать атомы растворителя в любых узлах решетки. Поэтому твердые растворы замещения называют неупорядоченными твердыми растворами.
В твердых растворах внедрения (рис. 1, б) атомы растворенного компонента внедряются в межатомное пространство кристаллической решетки компонента-растворителя. При этом атомы располагаются в таких пустотах, где для них имеется больше свободного пространства.
Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу.
При образовании твердого раствора кристаллическая решетка всегда искажается, так как атомы растворителя и растворенного компонента различны.
Искажение кристаллической решетки обусловливает изменение свойств сплавов по сравнению со свойствами исходных компонентов. Образование твердых растворов в сплавах приводит к увеличению их электрического сопротивления, снижает пластичность и вязкость.
Растворенные атомы в твердых растворах обоих типов распределены произвольно. Однако в некоторых случаях при медленном охлаждении сплава или длительной его выдержке при заданных температурах могут образоваться кристаллические решетки с упорядоченным расположением атомов компонентов. Такие растворы называют упорядоченными или сверхструктурами. Они занимают промежуточное положение между твердыми растворами и химическими соединениями.
Химические соединения.Химические соединения и родственные им фазы постоянного состава в металлических сплавах многообразны. Они имеют характерные особенности, отличающие их от твердых растворов:
- их кристаллическая решетка отличается от кристаллических решеток компонентов, образующих соединение;
- соотношение элементов в них кратно целым числам;
- их свойства отличны от свойств образующих элементов;
- они плавятся при постоянной температуре;
- их образование сопровождается значительным тепловым эффектом.
Диаграммы состояния сплавов
Для определения количества фаз в сплаве, их состава пользуются диаграммами фазового равновесия – диаграммами состояния. Диаграмма состояния – графическое изображение фазового состава сплава в состоянии равновесия или близком к нему в зависимости от содержания компонентов в сплаве и от температуры.
Температуры, при которых изменяются строение и свойства (происходят фазовые превращения) металлов и сплавов, называют критическими точками. Чистые металлы имеют одну критическую точку, которой является температура плавления (кристаллизации).
Температура плавления меди в домашних условиях
... компоненты и цифрами, указывающими их содержание. Например: БрО5 – оловянная бронза, БрА5 – алюминиевая бронза. ... состоянии – высокими механическими свойствами. Дополнительно повысить уровень механических свойств можно при помощи пластической деформации перед старением. Из бериллиевой бронзы изготавливают пружины, мембраны и инструменты. Алюминиевая бронза ... температура плавления бронзы и ... по линии стыка ...
Они плавятся и затвердевают при одной и той же постоянной температуре. В отличие от чистых металлов сплавы плавятся и кристаллизуются в интервале температур, т.е.они имеют две критические точки – температуру начала кристаллизации (полного расплавления) и температуру полного затвердевания (начала плавления) при охлаждении расплава (при нагревании сплава).
В расплавленном состоянии металлы обычно неограниченно растворимы друг в друге. В твердом состоянии их взаимная растворимость может изменяться.
Рассмотрим диаграмму состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.
Система состоит из двух компонентов А и В, полностью растворимых друг в друге в твердом состоянии. Ось абсцисс показывает изменение концентрации растворенного компонента В от 0 до 100%, ось ординат – температуру, при которой рассматривается состояние системы.
Вертикальная линия, соответствующая чистому компоненту А (0% В), является диаграммой состояния компонента А. При нагревании чистого компонента А он находится в твердом состоянии до температуры Т А , которая является температурой плавления (соответственно и температурой кристаллизации).
При этой температуре компонент А плавится и выше этой критической точки находится в жидком состоянии.
Вертикальная линия, соответствующая чистому компоненту В (100% В), является диаграммой состояния компонента В. Критическая точка – температура плавления Т в .
Сплав с содержанием 50% В (вертикальная линия I), так же как и другие сплавы системы, имеет две критические точки T s – температура начала плавления (конца кристаллизации) и Tt – температура конца плавления (начала кристаллизации).
Интервал температур от Ts до TL – это интервал плавления (кристаллизации) сплава.
Выше температуры T L сплав находится в расплавленном состоянии, представляет собой однофазную систему. Линия, соответствующая температурам, выше которых сплав полностью расплавлен, называется линией ликвидус.
Ниже температуры T s сплав представляет собой твердый раствор L, система однофазна. Линия, соответствующая температурам, ниже которых сплав находится полностью в твердом состоянии, называется линией солидус.
В интервале кристаллизации T L – Ts сплав представляет собой двухфазную систему: часть сплава находится в жидком состоянии (расплав), остальной сплав в твердом состоянии (кристаллы L– твердого раствора).
Рассмотрим диаграмму состояния компонентов с ограниченной растворимостью друг в друге в твердом состоянии (рис. 6).
Та иТ в – температуры плавления компонентов А и В соответственно. Линия ТА СТВ – линия ликвидус. Линия TA ECDTB – линия солидус.
Предельная растворимость компонента В в компоненте А соответствует точке F, компонента А в компоненте В-точке G. В интервале концентраций, соответствующих точкам FnG, компоненты An В друг в друге нерастворимы. После кристаллизации сплавы таких концентраций представляют собой двухфазную систему, состоящую из а и В-твердых растворов.
Организация эксплуатации и диагностики состояния телекоммуникационных ...
... до определенной точки. Несмотря на то, что FTTx - технология не новая, широкое распространение она получает именно сейчас [16]. Целью работы является изучение основ организации и эксплуатации линий FTTx и ...
Сплав, соответствующий проекции точки С, является самым легкоплавким и называется эвтектическим. Этот сплав кристаллизуется (плавится) при постоянной температуре, при этом из расплава кристаллизуются одновременно две твердые фазы (а и В-растворы).
Такой процесс называется эвтектическим превращением.
Эвтектика – это механическая смесь нескольких твердых фаз, одновременно кристаллизующихся при постоянной температуре из расплава.
Сплавы, относящиеся к области левее точки Сдо точки Е, называются доэвтектическими, правее точки Сдо точки D– заэвтектическими.
Связь между структурой и свойствами сплавов
Между составом и структурой сплава, определяемой типом диаграммы состояния, и свойствами сплава существует определенная зависимость.
При образовании твердого раствора предел прочности, текучести и твердость повышаются при сохранении достаточно высокой пластичности. При образовании твердого раствора внедрения прочность во много раз больше, чем при образовании твердого раствора замещения той же концентрации.
Сочетание повышенной прочности и хорошей пластичности позволяет использовать твердые растворы как основу конструкционных сплавов.
Благодаря высокой пластичности сплавы – твердые растворы легко деформируются, но плохо обрабатываются резанием. Такие сплавы имеют низкие литейные свойства.
При образовании твердых растворов значительно увеличивается электросопротивление. Поэтому сплавы – твердые растворы широко применяют для изготовления проволоки электронагревательных элементов и реостатов.
Для получения высоких литейных свойств концентрация компонентов в сплавах должна превышать их предельную растворимость в твердом состоянии и приближаться к эвтектическому составу. Эвтектические сплавы обладают хорошей жидкотекучестью. Но при появлении в структуре сплава эвтектики сильно снижается его пластичность. Поэтому в деформируемых сплавах содержание компонентов не превышает величины предельной растворимости при эвтектической температуре.
Химические соединения, образующиеся в сплавах, обладают свойствами, резко отличающимися от свойств исходных компонентов. Они имеют очень высокую твердость, но хрупки. Химические соединения имеют большое значение в качестве твердых структурных составляющих в сплавах.
