2015-06-04
3902
Сплавом называется сложное вещество, полученное путем сплавления нескольких элементов, называемых компонентами сплава. В металлическом сплаве основным компонентом должен быть металл более 50%. У сплавов можно получить более высокие механические свойства, чем у чистых металлов, поэтому их так широко применяют в технике. Для понимания природы сплавов и их свойств необходимо знать диаграммы состояния простейших сплавов – двойных.
Для построения диаграмм состояния используют термический анализ. Для этой цели используют кривые охлажденных сплавов и по перегибам и остановкам, связанными с тепловыми эффектам, вызванных фазовыми превращениями строят диаграммы состояния сплавов в зависимости от концентрации компонентов и температуры. Точки перегиба на кривых охлаждения называются критическими точками.
Диаграмма состояния сплавов (ДСС) – удобная графическая форма, показывающая фазовый состав сплава в зависимости от температуры и концентрации компонентов в состоянии равновесия, или условий, достаточно близких к ним.
Истинное равновесие в практических условиях достигается редко и в большинстве случаях, сплавы находятся в метастабильном состоянии, т.е. в ограниченной устойчивости. Следовательно, под влиянием внешних факторов сплавы переходят в другие более устойчивые состояния, т.к. их энергия Гиббса больше минимальной. Метастабильное состояние на практике важно, т.к. нередко сообщает сплавам высокие механические свойства при термической или других видах обработки позволяющие получить неравновесные состояния.
Правило фаз. Диаграммы фазового равновесия характеризуют окончательное или предельное состояние сплавов, когда все превращения в них произошли и полностью закончились. Эти состояния зависят от внешних условий (температуры, давления) и характеризуются числом и концентрацией образовавшихся фаз, которые определяются правилом фаз.
Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз:
,
где С – число степеней свободы системы (или вариантность);
К – число компонентов, необходимых для образования любой фазы системы;
2 – число внешних факторов;
Ф – число фаз, находящихся в равновесии.
Под числом степеней свободы понимают возможность изменения температуры, давления и концентрации без изменения числа фаз находящихся в равновесии.
Применяя правило фаз к металлам можно во многих случаях принять изменяющимся один внешний фактор только температуру, т.к. давление за исключением очень высокого, мало влияет на фазовое равновесие в твердом и жидком состоянии. Тогда уравнение примет вид: 
. Так как число степеней свободы не может быть меньше нуля и дробным, то 
, а 
, т.е. число фаз в сплаве, находящемся в равновесии, не может быть больше, чем число компонентов плюс единица. Следовательно, в двойной системе в равновесии может находиться не более трех фаз, в тройной - не более четырех и т.д.
Если в равновесии в системе с определенным числом компонентов находится максимальное число фаз, то число степеней свободы системы равно нулю (С=0). Такое равновесие называют нонвариантным (безвариантным). При таком равновесии сплав из данного числа фаз может существовать только при определенных условиях: при постоянной температуре, определенном составе всех находящихся в равновесии фаз. Это означает, что превращение начинается и заканчивается при одной постоянной температуре.
В зависимости от природы сплавляемых компонентов в сплавах могут наблюдаться в виде зерен следующие фазы:
- смесь зерен чистых компонентов, если они не вступают друг с другом во взаимодействие;
- твердые растворы одного компонента в другом, когда кристаллические решетки в зернах построены из атомов обоих компонентов, из которых один является растворителем, а другой растворимым. При образовании твердых растворов компоненты в зависимости от их природы могут растворяться друг в друге ограниченно или неограниченно. При ограниченной растворимости в решетке одного компонента может растворяться лишь ограниченное количество атомов другого компонента зависящие от температуры сплава. Остальное количество взятого для сплава компонента или само становится растворителем и образует зерна со своей решеткой или при определенной концентрации компонентов образует механическую смесь этих растворов.
- химическое соединение возникает при химическом взаимодействии компонентов друг с другом с образованием новой кристаллической решетки, отличную от решеток исходных компонентов.
Рассмотрим примеры диаграмм состояний и показанных на них фаз, структурных составляющих и изменение свойств.
а) ДСС – механических смесей изображена на рис. 1.14,а. Это случай, когда компоненты А и В неограниченно растворяются друг в друге в жидком состоянии, а в твердом нерастворяются и не вступают в химическое взаимодействие. Ниже линии (солидуса) СДЕ все сплавы этой системы состоят из зерен чистых компонентов А и В. Свойства сплавов зависят от свойств исходных компонентов и относительных количеств в каждом сплаве и изменяются по линейному закону от количества компонентов А и В. Обладают хорошими литейными свойствами.
Рис. 1.14. Основные типы диаграмм состояния (верхний ряд) и характер изменения свойств в зависимости от концентрации компонентов А и В (нижний ряд).
б) ДСС – при неограниченной растворимости компонентов А и В, как в жидком, так и в твердом состоянии, изображенной на рис. 1.14,б, образуется непрерывный ряд твердых растворов α переменной концентрации. Известно, что при растворении в кристаллической решетке одного компонента, атомов другого компонента приводит к искажению кристаллической решетки и в ней возникает внутренние напряжения, тем больше, чем больше в решетке посторонних атомов. Все это затрудняет передвижение дислокаций и свободных электронов, что повышает прочность, твердость, снижает пластичность, электропроводность. В связи с искажением кристаллической решетки свойства сплавов с неограниченной растворимостью изменяются по криволинейному закону и не зависят от свойств исходных компонентов. При повышенных температурах такие сплавы обладают хорошей пластичностью, что предопределяет получение из них заготовок обработкой давлением.
в) Приведенная на рис. 1.14,в ДСС отражает поведение сплавляемых компонентов при ограниченной растворимости друг в друге в твердом состоянии и неограниченном растворении в жидком состоянии.
В данном случае в твердом состоянии (ниже линии АСДЕВ) наблюдается три структурно-фазовые области в зависимости от концентрации компонентов: однофазные области твердых растворов α (слева) и β (справа) и между ними область механических смесей этих растворов (α+β). В областях, занятых только однофазными твердыми растворами α и β, свойства изменяются по криволинейным законам. С таких сплавов заготовки необходимо изготавливать при повышенных температурах обработкой давлением. В смешанной области свойства изменяются по линейному закону из таких сплавов заготовки изготавливают литьем, т.к. эти сплавы обладают хорошими литейными свойствами.
г) приведенная на рис. 1.14,г ДСС отражает поведение сплавляемых компонентов при их химическом взаимодействии с образованием сплава с новой кристаллической решеткой состава 
. Свойства сплавов изменяются по ломаной линии с резким изменением свойств в точке С. Такие сплавы обладают высокой твердостью, хрупкостью и низкой пластичностью и электропроводностью.
