Сплавы. Характеристика химических соединений.

 

Чистые металлы в большинстве случаев не обеспечивают требуемого комплекса механических и технологических свойств и поэтому редко применяются для изготовления изделий. Некоторое применение имеет, например, медь. Главным образом для изготовления проводников электричества. В большинстве случаев в технике применяются сплавы.

Чаще используют металлические сплавы. Металлическим сплавом называется вещество, состоящее из двух или более элементов (металлов или металлов с металлоидами), обладающее металлическими свойствами. Обычным способом приготовления сплавов является сплавление, но иногда применяют спекание, электролиз или возгонку.

Элементы, из которых образован сплав, называют его компонентами.

В жидком состоянии компоненты сплава в большинстве случаев полностью растворимы друг в друге и представляют собой жидкий раствор, в котором атомы различных элементов равномерно перемешаны друг с другом.

В твёрдом виде сплавы способны образовывать твёрдые растворы, химические соединения, механические смеси.

При образовании химического соединения: а) соотношение чисел атомов элементов соответствует стехиометрической про­порции, что может быть выражено простой формулой (в общем виде химическое соединение двух элементов можно обозначить А_пВ_т);б) образуется специфическая (отличная от элементов, составляющих химическое соединение) кристаллическая решет­ка с упорядоченным расположением в ней атомов компонентов.

Химическое соединение также характеризуется определен­ной температурой плавления (диссоциации), скачкообразным изменением свойств при изменении состава (так называемой сингулярностью свойств).

Так, в кристаллической решетке NaCl, приведенной на рис. 2, а и б, ионы натрия образуют решетку куба с центрированными гранями. Такую же решетку образуют и ионы хлора, но она сдвинута на половину периода против решетки из ионов натрия.

 

 

 

Рисунок 2 - Кристаллическая решетка:

а, б – соединение NaCl; в - соединение Cu₂MnSn

 

Естественно, что при этом выдерживается стехиометрическое соотношение Na:Cl=l:l. Таким образом, даже в кристаллической решетке химического соединения нет молекул. Следует все же отметить, что некоторые кристаллические вещества по­строены из четко различимых в структуре молекул. К числу таких молеку­лярных кристаллов относятся кристаллы многих органических веществ и т. д. Однако в металлических фазах такие молекулярные кристаллы не встре­чаются.

Стехиометрия соединения определяется упорядоченным расположением атомов. Если атом А окружен таким же числом атомов В, как число ато­мов А, окружающих атом В, то стехиометрическое соотношение выражается как АВ (пример соединения NaCl).

Если строение кристаллической решетки таково, что число атомов А, окружающих каждый атом В, в двое меньше, чем число атомов В, окружающих атом А, то формула химического соединения будет АВ₂ и т.д.

Если химическое соединение образуется только металличе­скими элементами, то в узлах решеток располагаются положи­тельно заряженные ионы, удерживаемые электронным газом, т е в данном случае так называемая металлическая связь.

Такая связь не является жесткой, и поэтому при определен­ных условиях количество какого-либо элемента может быть большим или меньшим, чем это соответствует стехиометрическому соотношению элементов по формуле данного химическо­го соединения. По этой же причине образование химических соединений из металлических атомов не подчиняется закону валентности.

На рис. 2, в представлены кристаллическая решетка тройного химиче­ского соединения Cu₂MnSn. Элементарная ячейка Cu₂MnSn состоит из 8 атомов меди, 4 атомов марганца и 4 атомов олова.

8 угловых атомов меди принадлежат решетке на 1/8; 6 атомов, центри­рующих грани,— на 1/2; 12, расположенных на середине ребер,— на 1/4 и 1 атом в центре принадлежит этой решетке полностью; следовательно, в изо­браженной на рис. 2, в элементарной ячейке 8 атомов меди, 4 атома марган­ца и 4 атома олова расположены внутри решетки и принадлежат ей полно­стью. Стехиометрическое соотношение атомов в этом соединении может быть выражено формулой Cu₈Mn₄Sn₄ или Cu₂MnSn.

При образовании химического соединения металла с неме­таллом возникает ионная связь.

В результате взаимодействия элементов в этом случае атом металла отдает электроны (валентные) и становится положи­тельным ионом, а атом металлоида принимает электроны на свою внешнюю оболочку и становится отрицательным ионом. В решетке химического соединения такого типа элементы удер­живаются электростатическим притяжением.

Химический состав вещества при наличии этой связи обуслов­ливается законом валентности — наличием (валентных) электронов и достроенностью электронных орбит у всту­пающих в соединения элементов.

В соединениях такого типа связь жесткая и химический со­став постоянный и точно соответствующий стехиометрическому соотношению, т. е. не может быть ни избытка, ни недостатка в атомах какого-либо из элементов, образующих такое химиче­ское соединение. [2] с.17

 

 

3. Построение кривых охлаждения и нагревания стали с содержанием углерода 0,7 %, чугуна с содержанием углерода 3,7 %. Описать структурные превращения.

При охлаждении стали, содержащей 0,7 % С, в ней происходят следующие превращения.

До 1500^о сталь охлаждается быстро, так как кристаллизация в ней не происходит. Кривая охлаждения круто опускается вниз.

При 1500^о по линии ликвидуса в точке I из жидкого раствора кристализуется аустенит, так как в жидком растворе лишним по отношению к эвтектике является железо. Процесс первичной кристаллизации продолжается до 1390^о. При этом скорость охлождения снижается потому, что выделяется теплота,связанная с кристаллизацией. Кривая охлаждения становится более пологой.

В точке 2 на линии солидуса при температуре 1390^о сталь полностью кристаллизуется и состоит из одного аустенита.

При понижении температуры до точки 3 (790^о) никаких изменений в стали не происходит, т.е. кристаллизация не происходит. Сталь охлаждается быстрее и кривая на этом участке становится круче.

В точке 3 при температуре 790^о С начинается вторичная кристаллизация. Из твёрдого раствора-аустенита кристализуется феррит, так как в заданной стали лишним по отношению к эвтектоиду-перлиту является железо. Кристаллизация феррита продолжается до 727^о. В интервале температур 790^о – 727^о скорость охлаждения снижается потому, что выделяется теплота, связанная с кристаллизацией феррита. Кривая охлаждения становится более пологой.

При 727^о оставшийся аустенит приобретает эвтектоидную концентрацию (0,8% углерода) и при постоянной температуре превращается в перит. На кривой охлаждения образуется горизонтальный участок.

При дальнейшем охлаждении содержание углерода в твёрдом растворе – феррите уменьшается. Из него кристаллизуется третичный цементит. В связи с кристаллизацией охлаждение несколько замедлится, что соответственно отразится на наклоне кривой охлаждения.

При 210^о происходит магнитное превращение цементита.

 

 

Рисунок 3 – Диаграмма состояния Fe – Fe₃C и кривая охлаждения

 

При охлаждении чугуна, содержащего 3,7% С, в нём происходят следующие превращения.

До температуры 1240^о чугун охлаждается быстро, так как кристаллизация в нём не происходит. Кривая охлаждения круто опускается вниз.

При 1240^о начинается первичная кристаллизация. Из жидкого раствора кристаллизуется аустенит, так как в жидком растворе лишним по отношению к эвтектике является железо. Процесс кристаллизации продолжается до 1147^о. При этом скорость охлаждения снижается потому, что выделяется теплота, связанная с кристаллизацией аустенита. Кривая охлаждения становится более пологой.

При 1147^о оставшийся жидкий раствор приобретает эвтектическую концентрацию (4,3% С) и при постоянной температуре превращается в ледебурит. На кривой охлаждения образуется горизонтальный участок.

При дальнейшем охлаждении от 1147^о до 727^о в аустените, как свободном, так и входящем в состав ледебурита, содержание углерода уменьшается. Из аустенита кристаллизуется вторичный цементит. В связи с кристаллизацией охлаждение замедляется, но меньше, чем в интервале температур 1240^о – 1147^о , что соответственно отражается на наклоне кривой охлаждения.

При 727^о аустенит приобретает эвтектоидную концентрацию (0,8% С) и при постоянной температуре превращается в перлит. На кривой охлаждения образуется горизонтальный участок.

При дальнейшем охлаждении кристаллизация не происходит. Сплав охлаждается быстро, кривая охлаждения по сравнению с интервалом 1147^о – 727^о становится круче.

При 210^о происходит магнитное превращение цементита.

 

 

Рисунок 4 - Диаграмма состояния Fe – Fe C и кривая охлаждения

 

 

Таблица 1 Основные характеристики структурных составляющих

 

Структура и составляющие и их строение

Свойства

Однофазные Феррит—твердый раствор внедрения углерода в α -железо. Как и α-железо, имеет объемноцентрированную решетку. При температуре 727°С α-железо рас­творяет до 0,025%С, а при 20°С—до 0,006%С. Микроструктура феррита— однородные зерна А у с т е н и т—твердый раствор внедре­ния углерода в железо. Как и γ-железо, имеет гранецентрированную решет­ку. При температуре 1147°С γ -железо растворяет до 2,14% С, а при 727°С – 0,8% С. Микроструктура аустенита— характерные зерна с двойниками Цемент и т—химическое соединение железа с углеродом, карбид железа Fe3C. Содержит 6,67% С. Имеет слож­ную кристаллическую решетку Двухфазные Перлит—эвтектоидная смесь, обра­зующаяся при распаде медленно охла­ждающегося аустенита, состоит из пла­стинок или зернышек цементита на фер-ритной основе. Перлитная структура стали образуется при 0,8% С Л е д е б у р и т—эвтектическая смесь, состоящая при температуре выше 727°С из смеси аустенита и цементита, а ниже 727°С—из смеси перлита и цементита. Ледебуритная структура чугуна, обра­зуется при 4,3% С

Сталь с ферритной структурой имеет свой­ства, близкие к свойствам железа: НВ ≈80 кгс/мм2; σв ≈ 28 кгс/мм2; δ≈ 40%; ан≈30 кгс м/см2. С увеличением размера зерен пластичность и особенно вязкость снижаются. До 770°С феррит ферромагнитен, а выше—парамагнитен. Аустенит устойчив при высоких темпера­турах. Медленно охлаждаясь, распадается, образуя эвтектоидную смесь феррита и це­ментита—перлит. При обычных температу­рах аустенит получают легированием и за­калкой. Обладает высокой вязкостью. Имеет низкий предел текучести при срав­нительно высоком пределе прочности. Парамагнитен Цементит — самая твердая и крупкая структурная составляющая железоуглероди­стых сплавов. Твердость в переводе на единицы Бринелля BH ≈800 кгс/мм2 Механические свойства перлита определя­ются формой и дисперсностью ' частиц цементитной фазы. Чем мельче смесь, тем выше механические свойства. Пластинчатый перлит имеет НВ ≈180 220 кгс/мм2; σв ≈80 кгс/мм2; δ=10%. Зернистый пер­лит имеет: НВ ≈160 200 кгс/мм2, σв≈ ≈65кгс/мм2, δ=20%. Сталь со структурной зернистостью пер­лита имеет более высокую вязкость и лучшую деформируемость Ледебурит — твердая и хрупкая струк­турная составляющая. При обычных тем­пературах твердость ледебурита в едини­цах Бринелля НВ ≈ 650 кгс/мм2

 

…..

Использованная литература

 

1. Технология металлов и конструкционные материалы: под общ. ред. Б.А. Кузьмина – М.: Машиностроение, 1989. 496 с.

2. Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева - Материаловедение: - М.: Машиностроение, 1980. 493 с.

3. Кузьмин Б.А. – Металлургия, металловедение и конструкционные материалы. Учебник для техникумов: – М.: Высшая школа, 1977. 304 с.

4. А.П. Гуляев – Металловедение: - М.: Металлургия, 1978. 648 с.

5. Технология конструкционных материалов: под общ. ред. О.С. Комарова: - Мн.: Новое знание, 2005. 560 с.

6. Металловедение: А.И. Самохоцкий, М.Н. Кунявский и др. под ред. Е.В. Эхиной – М.: Металлургия, 1990. 416 с.