Теоретические сведения. Для обеспечения требуемых свойств широко используют сплавы ме­таллов

Для обеспечения требуемых свойств широко используют сплавы ме­таллов. Вещества, образующие сплав, называются компонентами. Совокуп­ность фаз, находящихся в равновесии, называют системой. Фаза - однород­ная по химическому составу и кристаллическому строению часть системы, отделенная от других частей поверхностью раздела. Под структурой пони­мают форму, размеры и характер взаимного расположения соответствую­щих фаз в металлах и сплавах.

Установлено, что свойства металлов и сплавов зависят от их структу­ры (внутреннего строения), При получении сплавов методом плавления в них происходят определенные превращения, ведущие к образованию опре­деленных структур. Под превращениями понимается изменение кристалли­ческой решетки - аллотропия, выделение кристаллов (появление твердой фазы), разрушение кристаллов (появление жидкой фазы) при расплавлении. Известно, что любое изменение состояния металлов и сплавов (фазовое, внутрифазовое или структурное превращения) вызывает изменение энталь­пии (теплосодержания), а поэтому должно сопровождаться тепловым эф­фектом - выделением или поглощением тепла. Таким образом, если при на­греве или охлаждении зафиксировать тепловой эффект, о котором можно судить по изменению температуры металла, то можно выявить вид превра­щения Регистрация теплового эффекта превращения может быть осуществ­лена различными способами. Наибольшее применение получил термиче­ский анализ, который отличается простотой и достаточной надежностью

При термическом анализе автоматически записывается или строится по экс­периментальным данным графическая зависимость - изменение температу­ры во времени в процессе охлаждения (или нагрева) с постоянной скоро­стью. Полученный график называют кривой охлаждения.

Появление теплового эффекта, характеризующего превращение, вы­зывает при соответствующей температуре появление на графике ступеней, перегибов. Температуры, соответствующие моменту превращений, называ­ются критическими, или критическими точками. Для чистых металлов и эвтетических сплавов процесс кристаллизации протекает при постоянной температуре, поэтому на кривых охлаждения имеется одна критическая точ­ка (перегиб имеет вид горизонтальной площадки - рис. 3.1а). Для доэвтек- тических и заэвтектических сплавов затвердевение происходит в интервале температур, поэтому на кривых охлаждения выделяются две критические точки, соответствующие началу и концу кристаллизации (рис. 3.1б).

Рис.3.1. Кривые охлаждения:

а - чистых металлов, химических соединений, эвтектических сплавов; б - доэвтектических и заэвтектических сплавов

Диаграмма состояния сплавов первого типа и способ ее построе­ния. Диаграммой состояния сплавов называется графическое изображение критических температур в зависимости от концентрации компонентов с от­ражением структур и фаз в равновесном состоянии сплавов.

Диаграмма строится в координатах “ температура - % содержание од­ного из компонентов в сплаве”, обычно растворимого.

Диаграмма состояния 1-го типа относится к сплавам, которые при за­твердевании образуют структуры микросмесей кристаллов (эвтектики), Она позволяют проследить за процессами, происходящими в сплавах при нагре­вании и охлаждении; выяснить, какую структуру и фазы будут иметь сплавы в равновесном состоянии (медленно охлажденные); правильно выбрать со­став, обладающий необходимыми свойствами, и т.п.

Для построения диаграммы состояния методом термического анализа требуется построить кривые охлаждения чистых компонентов и ряда их сплавов с различным процентным содержанием компонентов. Чем больше количество построенных кривых охлаждения, тем точнее строится диаграм­ма состояния сплавов. После построения кривых охлаждения критические точки с них переносятся на график диаграммы состояния сплава в коорди­натах “температура - состав” (% содержание растворимого компонента в сплаве). Далее верхние и нижние критические точки соединяются соответ­ствующими линиями. В результате получают диаграмму состояния сплавов (рис.3.2).

Рис.3.2. Диаграмма состояния сплавов свинец-сурьма

Кривые охлаждения:

Диаграмма Pb -Sb относится к диаграммам состояния сплавов при от­сутствии растворимости компонентов в твердом состоянии (1-й тип) При охлаждении на кривой ABC (ликвидус) находятся точки температур начала кристаллизации компонентов сплава: свинца - по линии АС и сурьмы - по линии СВ. Выше кривой АСВ сплавы находятся в жидком состоянии

Линия ДСЕ является геометрическим местом критических точек кон­ца кристаллизации (затвердевания) сплавов и называется линией солидус. Ниже этой линии сплавы находятся в твердом состоянии.

Из жидкого раствора концентрации 13% Sb и 87% Рb путем одновре­менного выпадения мелких кристаллов свинца и сурьмы образуется меха­ническая смесь - эвтектика. Процесс кристаллизации эвтектики идет при постоянной температуре, поэтому точки ликвидус и солидус совпадают (точка С).

Сплавы, в которых кристаллизуется только эвтектика (13% Sb, точка С) называются эвтектическими. Сплавы, расположенные слева от эвтекти­ческого состава (до 13% Sb), называют доэвтектическилш, а справа (свы­ше 13% Sb) - заэвтектическими. Структура доэвтектических сплавов со­стоит из зерен свинца и эвтектики, заэвтектических - сурьмы и эвтектики.

На рис.3.3. представлены различные структуры сплавов системы свинец- сурьма.

Рис. 3.3. Структура различных сплавов системы свинец- сурьма:

а- доэвтектические, б- эвтектические; в- заэвтектические.