Теория металлических сплавов

Категория:
Металлы


Теория металлических сплавов

Чистые металлы находят в технике сравнительно ограниченное применение. Наибольшим распространением пользуются металлические сплавы или системы, образованные двумя, тремя или несколькими металлами иногда с участием некоторых металлоидов или химических соединений.

Элементы или химические соединения, образующие данный сплав, обычно называют компонентами.

Известно чрезвычайно большое количество металлических сплавов из двух, трех или более компонентов. Простое описание их, не подчиненное какой-то строгой научной систематике, представляло бы собой огромный многотомный труд, изучить который с большей или меньшей полнотой не имелось бы никакой возможности.

Внести стройный порядок в изучение многочисленных сплавов или систем помогают рациональные методы физико-химического исследования. В этом смысле большое значение имеют те из них, которые позволяют надежно и относительно легко изучить состояния сплавов при изменении температуры.

Применение таких методов дает возможность получить весьма удобные для использования простые графики, именуемые ди-аграммамй состояний. Из этих графиков видно, как ведут себя при разных температурах сплавы данной системы при любом количественном соотношении компонентов.

Наиболее подробно разработаны и изучены диаграммы состояний металлических систем из двух компонентов. Огромное количество разнообразных двойных сплавов (систем) может быть разбито на весьма небольшое число категорий в зависимости от того, к какому из типов диаграмм состояний относятся те или иные сплавы.

Для того чтобы достаточно полно охватить наиболее важные практически применяемые двойные сплавы, оказывается необходимым изучить всего пять-шесть типов диаграмм состояний.

В простой и наглядной форме диаграммы состояний сообщают сведения о различных превращениях, происходящих в сплавах данной системы при нагревании и охлаждении. Так, например, для любого выбранного сплава по диаграмме можно легко установить температуры начала и конца плавления при нагревании и затвердевания (кристаллизации) при охлаждении. Одновременно нетрудно определить, затвердевает ли сплав как поликристалл, сложенный из однородных по составу и свойствам кристаллитов, или в нем образуются совершенно разные виды кристаллитов, отличающиеся друг от друга по составу и свойствам.

Наконец, диаграммы состояний говорят о том, происходят ли после затвердевания сплава при последующем охлаждении его какие-нибудь дальнейшие превращения в образовавшихся кристаллитах и как в этом случае будет меняться их состав.

Диаграммы состояний позволяют судить даже о возможной структуре сплавов и количественном соотношении в них различных структурных составляющих.

С точки зрения практики диаграммы состояний имеют неоценимое значение: они позволяют получить важные сведения относительно ряда технологических, а порой и эксплуатационных характеристик. Так, например, при помощи диаграмм состояний можно определить температуру полного расплавления сплава, позволяющую установить режимы литья, ковки, штамповки и т. д., а также температуры превращения в твердом состоянии, по которым назначаются режимы термической обработки сплавов. По указанным температурам можно качественно оценить такие эксплуатационные свойства сплавов, как их жаропрочность.

Среди известных методов построения диаграмм состояний наиболее широкое распространение получил термический. Этот метод, использующий построение термических кривых в координатах температура—время, позволяет следить за теплосодержанием изучаемого сплава при нагревании или охлаждении. Начало или конец превращения в сплаве сопровождается скачкообразным изменением теплосодержания, вследствие чего на темпе-татуриых кривых наблюдаются либо остановки в виде горизонтальных площадок, если выделение или поглощение тепла происходит при одной какой-нибудь температуре, либо переломы, если это выделение или поглощение тепла происходит в интервале температур.

Температуры, соответствующие остановкам и переломам на термических кривых, как уже было изложено, называются критическими температурами, критическими температурными точками или просто критическими точками.

Исследуя критические точки серии сплавов, относящихся к изучаемой системе, и нанося их на диаграмму с координатами температура — концентрация компонентов, получают диаграмму состояний для данной системы.

Теперь, прежде чем приступить к описанию различных диаграмм состояний систем металлических сплавов, необходимо остановиться на более строгом определении некоторых упоминавшихся понятий таких, как система, компонент и фаза.

Системой называется обособленная совокупность веществ, в которой возможны различные физико-химические превращения. Эти превращения могут состоять в плавлении и кристаллизации, образовании и распаде жидких и твердых растворов, образовании и диссоциации химических соединений и т. д.

Компоненты системы представляют собой вещества (элементы или химические соединения), необходимые для образовании системы. Система может состоять из одного, двух или многих компонентов. Так, например, чистый свинец будет представлять собой однокомпонентную систему: при нагревании в нем происходит превращение в виде перехода из кристаллического в жидкое состояние, а при охлаждении — обратное превращение из жидкого в твердое состояние.

Сплавы свинца с сурьмой представляют собой двухкомпо-нентную систему, где компонентами являются чистые металлы — свинец и сурьма.

Сплавы железа с цементитом ИезС, т. е. углеродистые стали и чугуны, составляют также двухкомпонентную систему, но образованную уже не двумя чистыми металлами, а чистым металлом — железом и химическим соединением железа с углеродом — цементитом.

Сплавы алюминия, меди и магния (например, дюралюмины) составляют трехкомпонентную систему. Хромоникелевые стали, содержащие железо, углерод, хром и никель — четырехкомпо-нентную и т. д.

Очень часто двухкомпонентную систему называют двойной или бинарной, трехкомпонентную — тройной и т. д. При наличии компонентов свыше четырех-пяти систему обычно называют многокомпонентной.

Любая система при изменении воздействующих на нее внешних факторов, например температуры и давления, может иметь неоднородное строение, слагаясь из различных по составу и свойствам частей или из различных фаз. Чтобы характеризовать состояние системы при любых изменениях влияющих на нее внешних факторов, необходимо точно определить понятие фазы.

Фазой системы или просто фазой называется совокупность однородных (гомогенных) частей системы, одинаковых по химическому составу и физическим свойствам.

Фазы могут быть твердыми, жидкими и газовыми.

Для усвоения новых понятий приведем несколько простых примеров.

1. Обычная дистиллированная вода, налитая в какой-нибудь сосуд, может рассматриваться как система из одного компонента — Н20. Число и характер фаз в этой системе будет зависеть от температуры и давления.

При обычных температурах и атмосферном давлении эта однокомпонентная система состоит из двух фаз (жидкой и газовой) в виде воды и водяного пара над ней.

При понижении температуры замерзающая вода будет представлять собой однокомпонентную систему, состоящую из трех фаз — жидкой, газовой и новой твердой фазы, состоящей из всех кристалликов льда, сколько бы их ни возникло.

Окончательно замерзшая вода является системой из одного компонента, распределенного в двух фазах в виде льда и паров воды над его поверхностью.

2. Насыщенный раствор поваренной соли в воде с недораст-воренными кристалликами соли может рассматриваться как система из двух компонентов — Н20 и NaCl, распределенных в трех фазах: жидкой в виде насыщенного раствора соли в воде, твердой в виде недорастворенных кристалликов соли и газовой в виде паров воды над раствором.

3. Чистый атмосферный воздух представляет собой двухкомпонентную систему, составленную из азота и кислорода, где оба компонента образуют одну газовую фазу.

Воздух промышленных районов, загрязненный, например, двуокисью углерода и серным ангидридом, будет являться четырехкомпонентной системой, но по-прежнему с одной единственной газовой фазой.

4. Жидкие металлы в подавляющем большинстве случаев склонны при смешении образовывать подобно газам однофазные системы из нескольких компонентов. Однако известны примеры полной или почти полной нерастворимости жидких металлов друг в друге. В этом случае они располагаются слоями по удельному весу. Такие жидкие сплавы уже не будут однофазными. Свинец и медь, например, склонны образовывать при расплавлении двухфазную смесь.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум