Тема 1.3. Строение металлических сплавов

В конце предыдущей темы отмечалось, что создание сплавов – наиболее общий путь повышения прочности металлических материалов. Этот метод (сплавления) позволяет получить также более широкий диапазон особых полезных свойств (например, жаропрочность, коррозионную стойкость, тепло – и износостойкость и др.).

Сплавы – это материалы, полученные сплавлением или спеканием (порошковая металлургия) двух или более компонентов.

Компоненты – вещества, образующие сплав; ими могут быть химические элементы или устойчивые химические соединения.

Структура и свойства сплава определяются в первую очередь природой (типом) фаз, образующихся при сплавлении компонентов.

Фаза – однородная по химическому составу, типу решетки и свойствам часть сплава, отделенная от других частей границей раздела.

В зависимости от характера физико–химического взаимодействия компонентов в металлических сплавах возможны триосновных типа твердых (кристаллических) фаз:

1) химические элементы,

2) химические соединения,

3) твердые растворы.

Основной (матричной) фазой большинства промышленных сплавов являются твердые растворы, поэтому рассмотрим их более подробно.

Твердые растворы – это фазы, в которых атомы одного компонента В размещены (растворены) в кристаллической решетке другого компонента А – «растворителя». По мере увеличения числа атомов В в решетке А химический состав и свойства твердого раствора плавно изменяются (в частности, температура плавления), т.е. это фазы переменного состава (в отличие от химических элементов и химических соединений).

Сплав, представляющий собой твердый раствор, является однофазным веществом с решеткой, присущей основному компоненту (растворителю). Атомы второго компонента (растворенного) размещены в решетке растворителя, как правило, случайным, неупорядоченным образом.

По способу размещения атомов растворенного вещества (В) в решетке А различают два основных типа твердых растворов – растворы замещения и внедрения (рис. 1.3.1)

Рис. 1.3.1. Твердые растворы замещения (а) и внедрения (б)

Видно, что при образовании твердых растворов замещения атомы В располагаются в вакансиях решетки компонента А (см. рис. 1.2.5). При этом количество атомов В в решетке А может изменяться в широких пределах (при определенных условиях возможна даже неограниченная взаимная растворимость компонентов в твердом состоянии).

В случае твердых растворов внедрения атомы В располагаются в междоузлиях решетки А. Понятно, что это возможно, если размеры атомов В сравнимы с размерами межатомных пустот решетки А. Поэтому растворы внедрения образуют с металлами элементы, имеющие наименьший атомный радиус (H, B, C, N). Такие растворы всегда имеют ограниченную растворимость.

Очевидно, что растворенные атомы (В) являются точечными дефектами, вызывающими искажение решетки А (см. рис. 1.2.6), поэтому образование сплавов – твердых растворов должно приводить к повышению прочности исходных компонентов (см. параграфы 1.2.2 и 1.2.3).

Химические соединения обычно имеют фиксированный состав, отвечающий формуле А_nВ_m, где n и m – простые числа, причем тип решетки соединения А_n В_m отличается от решетки исходных компонентов.

В железоуглеродистых сплавах (сталях и чугунах), которые обсуждаются в последующих темах, наиболее важны соединения металлов (например, железа) с углеродом – карбиды.

Независимо от природы химические соединения в металлических сплавах, как правило, обладают высокой твердостью и хрупкостью(т.е. малопластичны); твердые растворы, напротив, имеют хорошую пластичность (и вязкость), но невысокую прочность и твердость.

Поэтому оптимальному сочетанию свойств конструкционных металлических сплавов (высоким значения прочности и ударной вязкости) соответствует структура, в которой дисперсные (» 10 нм) частицы твердых химических соединений равномерно и достаточно плотно (на расстояниях» 20…40 нм) распределены в пластичной матричной фазе – твердом растворе.

Исходя из этого можно сказать, что свойства сплавов зависят в первую очередь от природы и относительных количеств присутствующих фаз, но также и от формы, размеров, взаимного расположения кристаллов этих фаз, т.е. от конкретной структуры сплава. Например, если частицы химических соединений расположены в виде сетки в твердом растворе, эксплуатационная надежность такого материала будет понижена из-за возможности облегченного разрушения по хрупким оболочкам (химических соединений), разобщающим зерна твердого раствора.

Итак, свойства сплавов (данного химического состава) определяются их структурой. Чтобы прогнозировать свойства какого-либо сплава, нужно знать его структуру.

Структуру сплавов различного химического состава можно установить путем анализа соответствующих диаграмм фазового равновесия или диаграмм состояния. [4]

Под состоянием понимают наличие тех или иных фаз в сплаве данного химического состава при данной температуре. То есть диаграммы состояния строятся в координатах «температура–химический состав сплавов системы А–В».

Линии диаграмм состояния – это линии фазовых превращений («критические линии»), при пересечении которых фазовый состав (структура) сплавов обязательно изменяется.

Умение анализировать диаграммы состояния является важной частью освоения курса материаловедения. К сожалению, из-за ограниченности объема «Опорного конспекта» нет возможности посвятить этому вопросу отдельную тему, но рекомендуется самостоятельно проработать соответствующую тему (см. [1…4, 8]). Это облегчит усвоение материала последующих тем, посвященных структуре и свойствам конкретных промышленных сплавов.

Внимание!

Тема 1.3 – небольшая по объему и достаточно простая для восприятия, однако она содержит ряд новых понятий, для усвоения которых требуются определенные усилия, поэтому…

Вопросы для самопроверки к теме 1.3

1. Дайте определение понятий «сплав», «компонент», «фаза». Может ли двухкомпонентный сплав быть однофазным?

2. Какое слово является ключевым в определении понятия «фаза»?

3. Перечислите основные типы кристаллических фаз в металлических сплавах?

4. Что такое твердый раствор? Какие типы твердых растворов существуют?

5. В чем принципиальное отличие химических соединений от твердых растворов? Как отличаются механические свойства этих фаз?

6. Как Вы представляете себе оптимальную структуру конструкционных сплавов? Нарисуйте ее.

7. В каких координатах строятся диаграммы состояния?

8. Каков основной смысл линий диаграмм состояния?

9. Какова роль диаграмм состояния в курсе материаловедения?

Напоминаем, что с темой «Диаграммы состояния двойных сплавов» крайне желательно ознакомиться в учебной литературе [1-4, 8], поскольку изучение структуры и свойств конкретных промышленных сплавов во многом базируется на анализе соответствующих диаграмм состояния (см., например, темы 2.1 и 2.2).

Промежуточные тесты к теме 1.3

I. Какая из перечисленных характеристик не входит в определение понятия «фаза»?

1. Тип решетки.

2. Свойства.

3. Размер зерна.

4. Граница раздела.

5. Химический состав.

II. Какое из перечисленных утверждений неверно? В результате сплавления компонентов А и В сплав может быть:

1) многофазным;

2) однофазным;

3) многокомпонентным;

4) твердым раствором;

5) химическим соединением.

III. Какой термин в следующем перечне является лишним?

1. Химический элемент.

2. Фаза.

3. Химическое соединение.

4. Компонент.

5. Твердый раствор.

IV. Какое из перечисленных утверждений неверно?

По сравнению с твердыми растворами химические соединения в металлических сплавах:

1) более твердые;

2) имеют постоянный химический состав;

3) менее пластичны;

4) имеют определенную температуру плавления;

5) имеют бóльшую ударную вязкость.

V. Какой из перечисленных факторов является определяющим в формировании механических свойств сплавов?

1. Форма кристаллов.

2. Размеры кристаллов.

3. Микроструктура.

4. Относительное количество кристаллов различных фаз.

5. Их взаимное расположение.