Сплавы. Характеристика химических соединений.
Чистые металлы в большинстве случаев не обеспечивают требуемого комплекса механических и технологических свойств и поэтому редко применяются для изготовления изделий. Некоторое применение имеет, например, медь. Главным образом для изготовления проводников электричества. В большинстве случаев в технике применяются сплавы.
Чаще используют металлические сплавы. Металлическим сплавом называется вещество, состоящее из двух или более элементов (металлов или металлов с металлоидами), обладающее металлическими свойствами. Обычным способом приготовления сплавов является сплавление, но иногда применяют спекание, электролиз или возгонку.
Элементы, из которых образован сплав, называют его компонентами.
В жидком состоянии компоненты сплава в большинстве случаев полностью растворимы друг в друге и представляют собой жидкий раствор, в котором атомы различных элементов равномерно перемешаны друг с другом.
В твёрдом виде сплавы способны образовывать твёрдые растворы, химические соединения, механические смеси.
При образовании химического соединения: а) соотношение чисел атомов элементов соответствует стехиометрической пропорции, что может быть выражено простой формулой (в общем виде химическое соединение двух элементов можно обозначить АпВт);б) образуется специфическая (отличная от элементов, составляющих химическое соединение) кристаллическая решетка с упорядоченным расположением в ней атомов компонентов.
Химическое соединение также характеризуется определенной температурой плавления (диссоциации), скачкообразным изменением свойств при изменении состава (так называемой сингулярностью свойств).
Так, в кристаллической решетке NaCl, приведенной на рис. 2, а и б, ионы натрия образуют решетку куба с центрированными гранями. Такую же решетку образуют и ионы хлора, но она сдвинута на половину периода против решетки из ионов натрия.
Рисунок 2 - Кристаллическая решетка:
а, б – соединение NaCl; в - соединение Cu2MnSn
Естественно, что при этом выдерживается стехиометрическое соотношение Na:Cl=l:l. Таким образом, даже в кристаллической решетке химического соединения нет молекул. Следует все же отметить, что некоторые кристаллические вещества построены из четко различимых в структуре молекул. К числу таких молекулярных кристаллов относятся кристаллы многих органических веществ и т. д. Однако в металлических фазах такие молекулярные кристаллы не встречаются.
Стехиометрия соединения определяется упорядоченным расположением атомов. Если атом А окружен таким же числом атомов В, как число атомов А, окружающих атом В, то стехиометрическое соотношение выражается как АВ (пример соединения NaCl).
Если строение кристаллической решетки таково, что число атомов А, окружающих каждый атом В, в двое меньше , чем число атомов В, окружающих атом А, то формула химического соединения будет АВ2 и т.д.
Если химическое соединение образуется только металлическими элементами, то в узлах решеток располагаются положительно заряженные ионы, удерживаемые электронным газом, т е в данном случае так называемая металлическая связь.
Такая связь не является жесткой, и поэтому при определенных условиях количество какого-либо элемента может быть большим или меньшим, чем это соответствует стехиометрическому соотношению элементов по формуле данного химического соединения. По этой же причине образование химических соединений из металлических атомов не подчиняется закону валентности.
На рис. 2, в представлены кристаллическая решетка тройного химического соединения Cu2MnSn. Элементарная ячейка Cu2MnSn состоит из 8 атомов меди, 4 атомов марганца и 4 атомов олова.
8 угловых атомов меди принадлежат решетке на 1/8; 6 атомов, центрирующих грани,— на 1/2; 12, расположенных на середине ребер,— на 1/4 и 1 атом в центре принадлежит этой решетке полностью; следовательно, в изображенной на рис. 2,в элементарной ячейке 8 атомов меди, 4 атома марганца и 4 атома олова расположены внутри решетки и принадлежат ей полностью. Стехиометрическое соотношение атомов в этом соединении может быть выражено формулой Cu8Mn4Sn4 или Cu2MnSn.
При образовании химического соединения металла с неметаллом возникает ионная связь.
В результате взаимодействия элементов в этом случае атом металла отдает электроны (валентные) и становится положительным ионом, а атом металлоида принимает электроны на свою внешнюю оболочку и становится отрицательным ионом. В решетке химического соединения такого типа элементы удерживаются электростатическим притяжением.
Химический состав вещества при наличии этой связи обусловливается законом валентности — наличием (валентных) электронов и достроенностью электронных орбит у вступающих в соединения элементов.
В соединениях такого типа связь жесткая и химический состав постоянный и точно соответствующий стехиометрическому соотношению, т. е. не может быть ни избытка, ни недостатка в атомах какого-либо из элементов, образующих такое химическое соединение. [2] с.17
3. Построение кривых охлаждения и нагревания стали с содержанием углерода 0,7 %, чугуна с содержанием углерода 3,7 %. Описать структурные превращения.
При охлаждении стали, содержащей 0,7 % С, в ней происходят следующие превращения.
До 1500о сталь охлаждается быстро, так как кристаллизация в ней не происходит. Кривая охлаждения круто опускается вниз.
При 1500о по линии ликвидуса в точке I из жидкого раствора кристализуется аустенит, так как в жидком растворе лишним по отношению к эвтектике является железо. Процесс первичной кристаллизации продолжается до 1390о . При этом скорость охлождения снижается потому, что выделяется теплота,связанная с кристаллизацией. Кривая охлаждения становится более пологой.
В точке 2 на линии солидуса при температуре 1390о сталь полностью кристаллизуется и состоит из одного аустенита.
При понижении температуры до точки 3 (790о) никаких изменений в стали не происходит, т.е. кристаллизация не происходит. Сталь охлаждается быстрее и кривая на этом участке становится круче.
В точке 3 при температуре 790о С начинается вторичная кристаллизация. Из твёрдого раствора-аустенита кристализуется феррит, так как в заданной стали лишним по отношению к эвтектоиду-перлиту является железо. Кристаллизация феррита продолжается до 727о. В интервале температур 790о – 727о скорость охлаждения снижается потому, что выделяется теплота, связанная с кристаллизацией феррита. Кривая охлаждения становится более пологой.
При 727о оставшийся аустенит приобретает эвтектоидную концентрацию (0,8% углерода) и при постоянной температуре превращается в перит. На кривой охлаждения образуется горизонтальный участок.
При дальнейшем охлаждении содержание углерода в твёрдом растворе – феррите уменьшается. Из него кристаллизуется третичный цементит. В связи с кристаллизацией охлаждение несколько замедлится, что соответственно отразится на наклоне кривой охлаждения.
При 210о происходит магнитное превращение цементита.
Рисунок 3 – Диаграмма состояния Fe – Fe3C и кривая охлаждения
При охлаждении чугуна, содержащего 3,7% С, в нём происходят следующие превращения.
До температуры 1240о чугун охлаждается быстро, так как кристаллизация в нём не происходит. Кривая охлаждения круто опускается вниз.
При 1240о начинается первичная кристаллизация. Из жидкого раствора кристаллизуется аустенит, так как в жидком растворе лишним по отношению к эвтектике является железо. Процесс кристаллизации продолжается до 1147о. При этом скорость охлаждения снижается потому, что выделяется теплота, связанная с кристаллизацией аустенита. Кривая охлаждения становится более пологой.
При 1147о оставшийся жидкий раствор приобретает эвтектическую концентрацию (4,3% С) и при постоянной температуре превращается в ледебурит. На кривой охлаждения образуется горизонтальный участок.
При дальнейшем охлаждении от 1147о до 727о в аустените, как свободном, так и входящем в состав ледебурита, содержание углерода уменьшается. Из аустенита кристаллизуется вторичный цементит. В связи с кристаллизацией охлаждение замедляется, но меньше, чем в интервале температур 1240о – 1147о , что соответственно отражается на наклоне кривой охлаждения.
При 727о аустенит приобретает эвтектоидную концентрацию (0,8% С) и при постоянной температуре превращается в перлит. На кривой охлаждения образуется горизонтальный участок.
При дальнейшем охлаждении кристаллизация не происходит. Сплав охлаждается быстро, кривая охлаждения по сравнению с интервалом 1147о – 727о становится круче.
При 210о происходит магнитное превращение цементита.
Рисунок 4 - Диаграмма состояния Fe – Fe C и кривая охлаждения
Таблица 1 Основные характеристики структурных составляющих
| Структура и составляющие и их строение | Свойства |
| Однофазные Феррит—твердый раствор внедрения углерода в α -железо. Как и α-железо, имеет объемноцентрированную решетку. При температуре 727°С α-железо растворяет до 0,025%С, а при 20°С—до 0,006%С. Микроструктура феррита— однородные зерна А у с т е н и т—твердый раствор внедрения углерода в железо. Как и γ-железо, имеет гранецентрированную решетку. При температуре 1147°С γ -железо растворяет до 2,14% С, а при 727°С – 0,8% С. Микроструктура аустенита— характерные зерна с двойниками Цемент и т—химическое соединение железа с углеродом, карбид железа Fe3C. Содержит 6,67% С. Имеет сложную кристаллическую решетку Двухфазные Перлит—эвтектоидная смесь, образующаяся при распаде медленно охлаждающегося аустенита, состоит из пластинок или зернышек цементита на фер-ритной основе. Перлитная структура стали образуется при 0,8% С Л е д е б у р и т—эвтектическая смесь, состоящая при температуре выше 727°С из смеси аустенита и цементита, а ниже 727°С—из смеси перлита и цементита. Ледебуритная структура чугуна , образуется при 4,3% С | Сталь с ферритной структурой имеет свойства, близкие к свойствам железа: НВ≈80 кгс/мм2; σв ≈ 28 кгс/мм2; δ≈ 40%; ан≈30 кгс м/см2. С увеличением размера зерен пластичность и особенно вязкость снижаются. До 770°С феррит ферромагнитен, а выше—парамагнитен. Аустенит устойчив при высоких температурах. Медленно охлаждаясь, распадается, образуя эвтектоидную смесь феррита и цементита—перлит. При обычных температурах аустенит получают легированием и закалкой. Обладает высокой вязкостью. Имеет низкий предел текучести при сравнительно высоком пределе прочности. Парамагнитен Цементит — самая твердая и крупкая структурная составляющая железоуглеродистых сплавов. Твердость в переводе на единицы Бринелля BH ≈800 кгс/мм2 Механические свойства перлита определяются формой и дисперсностью ' частиц цементитной фазы. Чем мельче смесь, тем выше механические свойства. Пластинчатый перлит имеет НВ≈180  220 кгс/мм2; σв ≈80 кгс/мм2; δ=10%. Зернистый перлит имеет: НВ≈160 200 кгс/мм2, σв≈ ≈65кгс/мм2, δ=20%. Сталь со структурной зернистостью перлита имеет более высокую вязкость и лучшую деформируемость Ледебурит — твердая и хрупкая структурная составляющая. При обычных температурах твердость ледебурита в единицах Бринелля НВ≈650 кгс/мм2 |
…..
Использованная литература
1. Технология металлов и конструкционные материалы: под общ. ред. Б.А. Кузьмина – М.: Машиностроение, 1989. 496 с.
2. Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева - Материаловедение: - М.: Машиностроение, 1980. 493 с.
3. Кузьмин Б.А. – Металлургия, металловедение и конструкционные материалы. Учебник для техникумов: – М.: Высшая школа , 1977. 304 с.
4. А.П. Гуляев – Металловедение: - М.: Металлургия , 1978. 648 с.
5. Технология конструкционных материалов: под общ. ред. О.С. Комарова: - Мн.: Новое знание, 2005. 560 с.
6. Металловедение: А.И. Самохоцкий, М.Н. Кунявский и др. под ред. Е.В. Эхиной – М.: Металлургия, 1990. 416 с.