Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния

Ликвация в сплавах

В реальных условиях при довольно быстром охлаждении в процессе кристаллизации обычно образуются кристаллы твердого раствора дендритного типа, поэтому оси первого порядка, возникающие в начальный момент кристаллизации, обогащены более тугоплавким компонентом В. Периферийные слои кристалла и межосные пространства, кристаллизующиеся в последнюю очередь, будут обогащены компонентом А, понижающим температуру плавления сплава, и их состав будет близок к концентрации, соответствующей исходной концентрации сплава. Такую неоднородность состава сплава внутри отдельных кристаллов называют внутрикристаллитной (или дендритной) ликвацией [33] (см. рис. 15.1). В результате неравновесной кристаллизации химический состав образующихся кристаллов α-твердого раствора по сечению оказывается переменным. Чем больше разность температур между солидусом и ликвидусом и чем быстрее охлаждение, тем больше дифференциация по составу между жидкой и твердой фазами и тем сильнее проявляется этот вид ликвации.

При кристаллизации сплавов с ограниченной растворимостью компонентов (рис. 24.2), нередко можно наблюдать явление, называемое ликвацией по плотности. Наиболее сильно это проявляется у сплавов с компонентами, резко различающимися по плотности, например, свинца и сурьмы, плотность которых при комнатной температуре составляет 11,68 и 6,68 г/см³, соответственно. В этих сплавах выделяющиеся в процессе кристаллизации кристаллы α-твердого раствора Sb в Pb или β-твердого раствора Pb в Sb различаются по плотности от остающейся жидкой части сплава и вследствие этого либо всплывают кристаллы β и соответственно оседают на дно кристаллы α, либо наоборот. Поэтому в медленно охлажденном доэвтектическом сплаве указанной системы в результате ликвации верхняя часть слитка обогащается сурьмой и состоит только из эвтектики, а нижняя содержит много избыточных кристаллов α-твердого раствора и небольшое количество эвтектики.

Впервые на связь между видом диаграммы состояния и свойствами сплава указал Н.С. Курнаков – для систем, образующих непрерывные твердые растворы, зависимость свойств от состава фаз изображается кривыми, а для двухфазных механических смесей прямыми линиями (рис. 27). Эти закономерности указывают на то, что у твердых растворов такие свойства, как твердость (НВ), удельное электросопротивление (ρ) и др., всегда превосходят аналогичные свойства исходных компонентов.

Упрочнение при сохранении пластичности твердых растворов используют на практике. Так, при растворении в железе кремния или марганца (в количестве 2 %) прочность увеличивается в 2 раза, а пластичность снижается всего на 10 %. Растворение алюминия (в количестве 5 %) в меди повышает прочность сплава в 2 раза, а пластичность остается на уровне пластичности меди. Твердые растворы обладают и другими уникальными физическими и химическими свойствами. При растворении Ni (в количестве 30 %) в железе теряются ферромагнитные свойства при комнатной температуре. Твердый раствор, содержащий более 12 % Сr, делает железо коррозионно-стойким. В связи с этим твердые растворы получили широкое применение не только как конструкционные материалы, но и как материалы с особыми физическими свойствами.

Рис. 27. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния

Большой практический интерес представляют технологические свойства твердых растворов. Сплавы в состоянии твердых растворов хорошо обрабатываются давлением и трудно – резанием. Литейные свойства твердых растворов, как правило, неудовлетворительные. Наилучшей жидкотекучестью обладают эвтектические сплавы.

Промежуточные фазы в виде химических соединений в большинстве случаев обладают высокой твердостью, температурой плавления и хрупкостью (карбиды, нитриды, бориды, оксиды и др.).

Закономерности, отмеченные Н.С. Курнаковым, являются теоретической основой при разработке новых сплавов с заданными свойствами.