Сплавы материалов. Диаграммы состояния сплавов

В чистом виде, как правило, все материалы находят ограниченное применение. В основном в промышленности используются сплавы металлов. Они обладают более высокими механическими характеристиками (твёрдость, прочность…), лучшими магнитными свойствами, лучшей проводимостью и т.д. Соединения металлов образуют 3 вида сплавов:

1. Сплавы типа механическая смесь. Их получают путём механического перемешивания мелкодисперсного порошка, состоящего из металлов входящих в сплав. Эти сплавы обычно имеют плохие физико-химические свойства.

2. Сплавы типа твёрдые растворы. Эти сплавы получаются на атомно-молекулярном уровне. Различают:

а) Сплавы типа твёрдые растворы внедрения;

б) Сплавы типа твёрдые растворы замещения.

Рассмотрим кристаллическую решётку сплава типа (а):

 

Рис.9

Рассмотрим кристаллическую решётку сплава типа (б):

Рис.10

Эти сплавы (а) и (б) наиболее лучшие, и широко применяются в промышленности.

 

3. Сплавы типа химического соединения. Эти сплавы образуются на основе химических реакций. Пример:

 

Сплавы и их свойства изучаются на основе построения диаграмм состояний сплавов.

Диаграммы состояния сплавов строятся в зависимости: по оси ординат – температура, по оси абсцисс – концентрация одного компонента в другом.

Диаграмма состояния показывает критическое строение материала, его фазовые состояния, и по ним определяются все физико-механические свойства сплавов.

Диаграммы представляют собой сложные геометрические зависимости.

Рассмотрим диаграммы состояния 1-ого и 3-го типов.

Для построения диаграмм состояния, экспериментально снимаются несколько кривых охлаждения материала в зависимости от концентрации компоненты В в А. От этой концентрации зависят фазовые превращения сплава: зависит температура начала кристаллизации сплава и температура окончания кристаллизации сплава.

Рассмотрим построение диаграммы первого типа для двухкомпонентных сплавов. Эти диаграммы получаются для таких компонентов, когда в жидком состоянии они не ограниченно растворяются друг в друге, а в твёрдом состоянии они образуют сплавы типа механическая смесь.

В качестве сплава возьмём материалы свинец (Pb) и сурьму(Sb).

Рис.11

При 13% концентрации сурьмы образуется одновременная кристаллизация сурьмы и свинца. Шестой график – кристаллизация сурьмы. На основе этих данных строится диаграмма состояния (см. рис.12).

 

Рис. 12

 

Исходное состояние компонентов – это жидкое состояние (Ж.С.). Рассмотрим первый расплав при концентрации сурьмы 5%. В точке 1 начинают выделятся зародыши – центры кристаллизации сплава свинца. При понижении температуры до (до точки 2), в ней происходит одновременная кристаллизация свинца и сурьмы, т.е. в точке 2 образуется эвтектический сплав. Аналогичный сплав образуется при 12% концентрации сурьмы в свинце. В точке С при 13% концентрации сурьмы получаем чисто эвтектический сплав – сплав типа механическая смесь. Ниже точки 5 образуется жидкое состояние сурьмы со свинцом. Линия АСВ называется ликвидусом – линия начала кристаллизации. Линия DCE называется солидусом – линия окончания кристаллизации.

ВЫВОД: от концентрации компоненты В в А в значительной степени зависят физико-механические свойства сплава.

 

Рассмотрим построение диаграммы третьего типа. По диаграммам третьего типа происходит кристаллизация сплавов, которые в жидком состоянии неограниченно растворяются друг в друге, а в твёрдом состоянии образуют сплавы типа твёрдые растворы с ограниченным растворением компоненты В в А. Пусть даны две компоненты А и В. Построим кривые охлаждения для компонентов А и В в зависимости от концентрации компоненты В в А (см. рис.13).

 

Рис. 13

 

Рис.14

Линия АСВ – линия ликвидуса (линия начала кристаллизации).

Линия AECD – линия солидуса (линия окончания кристаллизации).

Линия ECD – линия эвтектического превращения.

Tэвт - температура, при которой образуется эвтектический сплав типа механическая смесь.

Линия ES – линия максимальной растворимости B в A.

Рассмотрим сплав I:

при понижении температуры в точке 1 будет выделяться α-сплав, т.е. кристаллы. При понижении температуры до точки 2 весь расплав превратится в α-сплав, т.е. в сплав типа твёрдый раствор. Это всё справедливо при малой концентрации компоненты B в A.

Рассмотрим сплав II:

При понижении температуры до точки 3, образуются α-кристаллы, в точке 4 образуется чистый α-сплав. В точке 5 начинает кристаллизоваться компонент B, получаем чисто механическую смесь.

Важно, что при малой концентрации компонента B в компоненте A мы получаем качественные сплавы.

Диаграмма состояния является паспортом материала, и от них зависят все физико-механические свойства материала.

 

 

Рис.15

Сплавы железа с углеродом имеющие процентное содержание углерода до 2.14% называются сталями, более 2.14% углерода называются чугунами.