Тема 2.3 Основные сведения о металлических сплавах.

Диаграммы состояния двойных сплавов

Основные процессы, протекающие в металле при пластической деформации. Образование плоскостей скольжения и двойникования. Влияние деформации на кристаллографическое строение и свойства

Текстура металла. Упрочнение металла, наклеп. Влияние нагрева металла на его структуру и механические свойства

Понятие о сплаве. Структуры сплавов: механическая смесь, химическое соединение, твердый раствор

Принцип построения диаграмм состояния сплавов из двух компонентов. Подразделение диаграмм состояния на типы в зависимости от характера образующейся структуры в твердом состоянии. Понятие об эвтектике. Ликвация по плотности. Диаграмма состояния сплавов для случая ограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии. Твердые растворы замещения и внедрения

Ликвация внутрикристаллическая (дендритная)

Диаграмма состояния сплавов для случая ограниченной растворимости в твердом состоянии

Диаграмма состояния сплавов для случая образования компонентами химического состояния

Количественные определения по диаграммам состояния

Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния

Практическое значение этой зависимости при разработке новых конструкционных материалов и выборе технологических процессов обработки материалов

Литература: [2, c. 18-22, 29-30]; [3, c. 67-75, 190-210]; [4, c. 20-26, 46-56, 66-79]

Методические рекомендации

Повторите программу напряжения–деформации при растяжении (тема 2.1), определении упругой и пластической деформации. Разберите, какие превращения происходят в кристаллической решетке при упругой и пластической деформации. Зарисуйте в конспекте схему процессов скольжения и двойникования и запишите, чем объясняется, что скольжение легче всего происходит по тем плоскостям, в которых атомы расположены наиболее густо, а также какое это имеет практическое значение.

Разберите и запишите, в чем разница между реальной прочностью и теоретической. Объясните, почему реальная прочность ниже теоретической.

Упрочнение металла имеет очень большое практическое значение, так как это позволяет уменьшить размеры и массу нагруженных деталей машин, что дает экономию металла. Это особенно важно для уменьшения металлоемкости. Поскольку свойства металла зависят от его атомно-кристаллического строения, необходимо знать, каким образом нужно изменить внутреннее строение, чтобы увеличить прочность. Запишите, что называется текстурой, наклепом, нагартовкой и как влияет пластическая деформация на микро- и макроструктуру металла, на его механические и физические свойства.

Разберите процессы, протекающие в наклепанном металле при его нагреве, сущность возврата и рекристаллизации. Изучите зависимость, которую установил А.А. Бочвар между температурой рекристаллизации металлов и их температурой плавления. Запомните, что легкоплавкие металлы упрочнить наклепом нельзя, так как у них температура рекристаллизации ниже комнатной. При определении температуры рекристаллизации не следует забывать, что зависимость установлена для абсолютных температур, выражаемых в кельвинах.

Величина зерна металла влияет на его свойства, поэтому запишите, от каких факторов и как зависит величина зерна после рекристаллизации.

Конспект ведите подробно, так как эту тему нужно будет тщательно повторить при изучении обработки металлов давлением (тема 4.2).

После изучения этой темы нужно уметь:

1) объяснять, почему прочность реального металла значительно ниже теоретической;

2) указать способы обработки, повышающие количество дислокаций;

3) определять, в каких случаях целесообразно применять наклепанный металл, а в каких производить рекристаллизацию;

4) определять температуры снятия наклепа для разных металлов.

Перед тем как приступить к изучению диаграмм состояния, повторите термический анализ, построение кривых нагрева и охлаждения на основе опытных данных. Критические точки, т.е. температуры, при которых происходят превращения в каждом сплаве, соединяют и получают критические линии, каждая точка которых показывает, при какой температуре происходит данное превращение в сплавах данной концентрации. Выпишите в конспект, что называется компонентом, фазой, системой, сплавом, а также может быть фазой. Запомните, что сплав–это сложное тело.

Диаграммы состояния показывают состояние сплава данных компонентов при любой концентрации и при любой температуре. Запомните, что диаграммы строят при медленном охлаждении, поэтому структуры на диаграмме соответствуют равновесному состоянию. Разберите критические точки сплавов как температуры фазовых превращений и структуры, получающиеся после каждого превращения. В конспекте укажите структуры в каждой области диаграммы и запишите, что они собой представляют.

Изучая диаграмму состояния сплава, компоненты которого в твердом состоянии не растворяются друг в друге (свинец–сурьма, олово–цинк), прежде всего четко уясните, что собой представляет эвтектика. Она образуется в результате того, что компоненты друг в друге не растворяются, и представляет собой очень тонкую механическую смесь двух фаз. Так как обе фазы кристаллизуются одновременно при одной и той же температуре, то отдельные кристаллы обеих фаз не успевают вырасти до значительных размеров и образуют настолько мелкую механическую смесь, что их практически разделить нельзя. Поэтому эвтектика обладает специфическими, только ей присущими свойствами, которые резко отличаются от свойств, входящих в нее компонентов. Обратите внимание на то, что температура окончательного затвердевания сплавов, образующих эвтектику, от состава сплава не зависит и на диаграмме образование эвтектики характеризуется горизонтальной линией. Из правила отрезков (правила рычага) видно, что состав жидкого сплава при температуре окончательного затвердевания всегда одинаковый, значит, и состав эвтектики во всех сплавах один и тот же, количество же эвтектики в разных сплавах разное и также определяется по правилу отрезков. Запомните, какие сплавы называются эвтектическими, до- и заэвтектическими. Заканчивая изучение диаграммы, разберите ликвацию по плотности, в каких случаях она может возникнуть и меры ее предупреждения.

При изучении диаграмм состояния сплавов, обладающих неограниченной растворимостью как в жидком, так и в твердом состоянии, уясните и запишите, какие вещества называются твердым раствором и какие виды твердых растворов могут быть в сплавах. Запомните, что твердые растворы – это сложные, но однородные вещества, поэтому под микроскопом твердые растворы, подобно чистому металлу, представляют собой однородные кристаллические зерна. Обратите внимание на то, что в сплавах, образующих твердые растворы, в отличие от сплавов с эвтектикой температура начала и конца затвердевания зависит от состава сплава и все сплавы затвердевают в интервале температур. Так как вещества обладают неограниченной растворимостью, то ни в одном сплаве не будет кристаллов свободных компонентов. А все сплавы данной системы однофазны и представляют собой твердый раствор. Разберите явление внутрикристаллической (дендритной ликвации), меры ее предупреждения и устранения.

Проявляющее большинство сплавов обладают ограниченной растворимостью в твердом состоянии, причем предел растворения уменьшается с уменьшением температуры (сплавы свинец–олово, медь–серебро, алюминий–CuAl₂).

В этих случаях эвтектика появляется только в тех сплавах, в которых концентрация растворимого компонента меньше предела растворимости. Разбирая эту диаграмму, особое внимание обратите на процессы, протекающие в твердом состоянии. В сплавах, у которых концентрация растворимого компонента меньше предела растворимости, после окончательного затвердевания структура представляет собой однородный твердый раствор. Уже в твердом состоянии в связи с уменьшением предела растворимости при понижении температуры из твердого раствора начинает выделяться вторая фаза. Например, в сплавах свинец–олово, содержащих менее 19,5% олова, в сплавах медь–серебро, содержащих менее 7% серебра, и в сплавах алюминий– CuAl₂, содержащих менее 5,67% меди, при охлаждении ниже кривой растворимости начинает образовываться вторая фаза и при комнатной температуре сплавы получаются двухфазными. Запомните, что процессы кристаллизации из твердого состояния происходят по тем же законам, что и из жидкого, т.е. путем зарождения центров кристаллизации и последующего их роста, поэтому для образования второй фазы охлаждение должно быть медленным. Следует иметь в виду, что продукты вторичной кристаллизации всегда мельче, чем первичной. Запишите, что у сплавов, у которых есть превращения в твердом состоянии, можно менять структуру, а значит, и свойства путем нагрева и охлаждения с различной скоростью, т.е. путем термической обработки.

Изучая систему сплавов, образующих устойчивое химическое соединение (магний–кальций, цинк–магний), запомните, что диаграммы состояния можно рассматривать как состоящие из двух самостоятельных диаграмм, у которых вторым компонентом является химическое соединение. Диаграмму можно рассматривать в общем виде.

Физические, механические и технологические свойства сплава зависят от его структуры. Поэтому нужно обязательно разобрать зависимость между диаграммой состояния сплава и его свойствами, установленную Н.С. Курнаковым и А.А. Бочваром (диаграммы состав–свойства).

После изучения этой темы нужно уметь:

1) строить кривые охлаждения сплавов разной концентрации;

2) описывать превращения в различных сплавах при охлаждении или нагреве;

3) объяснить причины превращений в твердом состоянии в сплавах с ограниченной растворимостью;

4) объяснять, какое значение имеет зависимость между диаграммами состояния и их свойствами;

5) указывать способ получения изделий из сплавов с эвтектикой и с твердым раствором.

Вопросы для самоконтроля

1 Какие типы структур могут образовываться при сплавлении различных элементов?

2 Укажите необходимые условия для их образования.

3 Объясните сущность понятия «система», «фаза», «компонент».

4 С какой целью строятся диаграммы состояния двойных сплавов? Что является исходными данными для построения диаграммы двойных сплавов?

5 Как построить диаграмму состояния двойных сплавов?