Что такое компоненты сплава
Elton-zoloto.ru

Драгоценные металлы

Что такое компоненты сплава

Что такое диаграмма состояния?

Что такое сплав?

Сплавы – это металлические материалы, состоящие из двух и более элементов, в том числе и неметаллов.

Что называется компонентом сплава?

Входящие в состав сплава вещества принято называть компонентами сплава, причем компоненты могут быть простыми (Fe, Cu) и сложными (Fe3C, CuAl2).

Какие существуют виды взаимодействия компонентов в сплавах?

В расплавленном состоянии большинство металлов растворяются друг в друге без ограничений, образуя жидкий раствор. При кристаллизации они могут образовать подобную структуру – твердый раствор одного компонента в решетке другого. Иногд99-*/а компоненты вступают в химическое взаимодействие и образуют химическое соединение. Но бывает и так, что между компонентами в твердом состоянии нет никакого взаимодействия, и тогда они кристаллизуются раздельно, каждый образует свои собственные кристаллы, а сплав представляет собой механическую смесь кристаллов исходных компонентов. Твердые растворы, механическая смесь, химическое соединение.

Что такое твердые растворы замещения и внедрения?

Твердые растворы возникают, если атомы одного компонента могут встраиваться в кристаллическую решетку другого компонента. Тот компонент, которого в сплаве больше и решетка которого сохраняется, называется растворителем. Компонент, доля которого меньше, занимает какие-то места в решетке растворителя и называется растворенным веществом. Твердые растворы могут быть образованы двумя способами:

а) Твердые растворы замещения возникают, если атомы одного компонента замещают атомы другого компонента в его решетке, б) Твердые растворы внедрения возникают, если атомы одного компонента (B) находятся в порах кристаллической решетки другого компонента (A).

Условие образования твердых растворов с ограниченной и неограниченной растворимостью?

У металлов возможна неограниченная растворимость, когда атомы компонента B замещают атомы компонента A в любой пропорции, от 0 до 100 %. Для этого, кроме близкого размера атомных радиусов, они должны иметь один тип решетки и одинаковое строение валентной электронной оболочки. Гораздо чаще встречается ограниченная растворимость, когда замещение атомов растворителя атомами растворенного компонента возможно до какого-то определенного содержания, называемого пределом растворимости. Так, например, растворяются цинк или олово в меди. Предел растворимости цинка в меди составляет 39 %.

6. Как выглядят твердые растворы под микроскопом?

Под микроскопом твердые растворы выглядят так же, как и чистые металлы: видны только границы зерен. Твердый раствор – это одна фаза, поэтому рентгеноструктурный анализ покажет только решетку металла-растворителя, но ее параметры будут отличаться в большую или меньшую сторону из-за искажений, вызванных растворенным веществом.

7. Что такое механическая смесь кристаллов? При каких условиях она образуется? Как выглядит такой сплав под микроскопом?

Механическая смесь кристаллов возникает, если компоненты не могут растворяться друг в друге и не вступают в химическую реакцию.Такие сплавы представляют собой смесь сросшихся между собой кристаллов исходных компонентов. Под микроскопом в сплаве, представляющем собой механическую смесь кристаллов, видны зерна двух разных видов: зерна A и зерна B (рис. 51). Это двухфазная структура, поэтому рентгеноструктурный анализ сплава показывает два вида решеток: металла A и металла B.

При каких условиях в сплавах возникают химические соединения?

Химическое соединение возникает, если компоненты могут вступать в химическую реакцию друг с другом и образовывать устойчивое сложное вещество со строго определенным соотношением между атомами одного и другого компонента.

Что такое диаграмма состояния?

Диаграмма состояния – это графическое изображение фазового со-стояния сплава в зависимости от температуры и состава. Диаграмма состояния строится в координатах «температура-состав» и показывает равновесные фазы, возникающие в сплавах при различных сочетаниях этих факторов.

Понятия: компонент, фаза, структурные составляющие, система сплавов

Фазы и структурные составляющие сплавов железа с углеродом

Фазой называются однородные составные части системы (ме­талла или сплава), имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение, свойства и одинаковое агрегатное состояние.

Например, жидкий металл является однофазной си­стемой; смесь жидкого металла и твердых кристалли­ков – двухфазной системой, так как свойства жидкого металла значительно отличаются от свойств твердых кристалликов. Фазами могут быть отдельные металлы, их химические соединения, а также растворы на основе металлов.

Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения соответствующих фаз в металлах и сплавах.

Структурными составляющими сплава называются обособленные части сплава, имеющие оди­наковое строение с присущими им характерными осо­бенностями. Структурные составляющие могут состоять из одной, двух или более фаз. Одна из важнейших задач металловедения – опре­деление взаимосвязи между составом, структурой и свойствами.

Системой называется совокупность фаз, находящихся в равно­весии при определенных внешних условиях (температура, давле­ние). Система, может быть, простой, если она состоит из одного элемента, и сложной, если она состоит из нескольких эле­ментов.

Компонентами называют вещества, образующие систему. Ком­понентами могут быть элементы (металлы и неметаллы) или устой­чивые химические соединения. Чистое железо – металл серебристо-белого цвета с температурой плавления в 1539 °С. Железо имеет две полиморфные модификации: альфа () и гамма () . Модификация альфа существует при температурах ниже 911 °С и выше 1392 °С; гамма-железо – при температуре 911-1392 °С. В зависимости от температуры и концентрации углерода в железоуглеродистых сплавах (сталях и чугунах) образуются следующие твердые фазы: феррит, аустенит, цементит, графит.1. Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в альфа-железе.Альфа-железо имеет ОЦК структуру, которая стабильна до 911 °С. Наибольшая растворимость углерода в альфа-железе – 0,02% при 727 °С. С понижением температуры снижается и растворимость углерода, и при комнатной температуре она составляет 0,005% по массе. По этой причине феррит называют технически чистым железом, он имеет незначительную твердость (HB = 80-100) и прочность (предел прочности в = 250 МПа), но высокую пластичность (относительное удлинение до 50%, относительное сужение до 80%).При температуре от 1392 °С до 1539 °С железо также имеет ОЦК структуру – это дельта-железо. Твердый раствор внедрения углерода в дельта-железе называют высокотемпературным ферритом.2. Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в гамма-железе.Аустенит имеет ГЦК структуру. В железоуглеродистых сплавах аустенит может существовать только при высоких температурах. В гамма-железе углерод растворяется значительно лучше, чем в альфа-железе, максимальная растворимость углерода в гамма-железе составляет 2,14% и наблюдается при температуре 1147 °С. С пониженим температуры растворимость углерода снижается – до 0,8% при 727 °С. Аустенит имеет твердость HB = 160-200 и весьма пластичен (относительное удлинение 40-50%), наблюдается в сталях при температурах от 727 °С.3. Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C). В цементите содержится 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1600 °С. Он очень тверд (HB порядка 800 единиц), хрупок и практически не обладает пластичностью. Выделяют цементит первичный, вторичный и третичный. Их отличия заключаются в происхождении:- первичный цементит образуется из жидкого расплава при кристаллизации железоуглеродистых сплавов (линия СD),- вторичный цементит выпадает из аустенита (по причине уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры – линия SE)- третичный цементит выпадает из феррита с понижением температуры (по причине снижения растворимости углерода в феррите с понижением температуры – линия PQ)Цементит – неустойчивая метастабильная фаза. При нагреве и длительной выдержке цементит распадается на феррит (альфа-железо) и графит (Fe3C -> 3Fe + C).4. Графит – чистый углерод с гексагональной слоистой структурой. Графит очень мягок (HB = 3) и обладает низкой прочностью. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений различных форм (пластинчатой, хлопьевидной, шаровидной). С изменением формы графитовых включений меняются механические и технологические свойства сплава.Помимо четырех вышеназванных фаз в струтуре сплавов железа с углеродом выделяют еще две самостоятельные структурные составляющие: перлит и ледебурит.5. Перлит (П) – механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,8% углерода.Перлит образуется из аустенита при охлаждении его до температуры ниже 727 °С. Таким образом, перлит является эвтектоидом. Перлит может быть пластинчатым и зернистым (глобулярным), что зависит от формы цементита и определяет механические свойства перлита. При комнатной температуре зернистый перлит имеет предел прочности 800 МПа, относительное удлинение 15%, твердость HB = 160.6. Ледебурит (Л) – механическая смесь аустенита и цементита (Л = А+ Ц), содержащая 4,3% углерода.Ледебурит образуется из жидкого расплава при температуре 1147 °С. Таким образом, ледебурит по своей сути является эвтектикой. Ледебурит образуется при затвердевании жидкого расплава при 1147 °С. Ледебурит имеет твердость HB = 600-700 HB и большую хрупкость. Ледебурит наблюдается в структуре чугунов, в сталях он образовывается только при большом количестве легирующих элементов и содержании углерода более 0,7%.При охлаждении ледебурита до температуры в 727 °С входящий в его состав аустенит становится неустойчивым и распадается, превращаясь в перлит. Таким образом, при температуре менее 727 °С вплоть до 20 °С ледебурит представляет собой механическую смесь перлита с цементитом.

Читать еще:  Как сделать контактную сварку в домашних условиях

Фазы и структурные составляющие сплавов железа с углеродом

Помимо перечисленных структурных составляющих, в железоуглеродистых сплавах могут быть нежелательные неметаллические включения: окислы, нитриды, сульфиды, фосфиды – соединения с кислородом, азотом, серой и фосфором.

Понятия: Сплав, компонент, фаза, механические смеси, твёрдые растворы, химические соединения

Сплав — макроскопически однородный металлический материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов.

Компоненты — вещества, образующие систему. В качестве компонентов выступают чистые вещества и химические соединения, если они не диссоциируют на составные части в исследуемом интервале температур.

Фаза — однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются.

МЕХАНИЧЕСКАЯ СМЕСЬ (в металловедении) – строение сплава из двух компонентов, которые неспособны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединений. Сплав состоит из кристаллов компонентов А и Б

Твёрдые растворы — фазы переменного состава, в которых атомы различных элементов расположены в общей кристаллической решётке.

Хими́ческое соедине́ние — сложное вещество, состоящее из химически связанных атомов двух или более элементов (гетероядерные молекулы). Некоторые простые вещества также могут рассматриваться как химические соединения, если их молекулы состоят из атомов, соединённых ковалентной связью (азот, кислород, иод, бром, хлор, фтор, предположительно астат).

Кристаллизация металлов и сплавов

Процессы кристаллизации металлов и сплавов, являющиеся процессами перехода их из жидкого состояния в твердое, связаны с выделением скрытой теплоты кристаллизации. Для того чтобы происходил процесс кристаллизации металла или сплава, его необходимо все время охлаждать (отводить, отнимать от него тепло).

При рассмотрении процессов кристаллизации мы прежде всего должны иметь в виду определенный объем жидкого металла или сплава, который отдает тепло, и форму, которая принимает его. Передача тепла от жидкого металла и сплава форме проходит не мгновенно, так как теплопроводность жидкого металла или сплава и формы имеет определенные конечные значения. Поэтому одновременная кристаллизация всего объема металла или сплава в форме невозможна даже при одинаковых температурах во всех точках его объема.

Правила фаз и отрезков

Фазами могут быть жидкие растворы, твердые растворы и химические соединения. Следовательно, однородная жидкость представляет собой однофазную систему, механическая смесь двух видов кристаллов — двухфазную систему и т. д.

Под числом степеней свободы (вариантностью) системы понимают число внешних и внутренних факторов (температура, давление и концентрация), которые можно изменять без изменения числа фаз в системе.

Количественную зависимость между числом степеней свободы системы, находящейся в равновесном состоянии, и числом компонентов и фаз принято называть правилом фаз (закон Гиббса). Правило фаз для металлических систем выражается уравнением

С = К – Ф + m,

где С —число степеней свободы системы; К —число компонентов; Ф — число фаз; т — число внешних факторов (температура, давление).

Если принять, что все превращения происходят при постоянном давлении (Р = const), это уравнение примет следующий вид: С = К – Ф + 1, где 1 – внешний переменный фактор (температура).

Пользуясь правилом фаз, рассмотрим, как происходит изменение числа степеней свободы однокомпонентной системы для случая расплавленного чистого металла (К=1; Ф=1) С = 1-1 + 1 = 1, т.е. температуру можно изменять не меняя числа фаз. Такое состояние системы называют моновариантным (одновариантным). В процессе кристаллизации Ф = 2 (две фазы — жидкая и твердая), а К=1, тогда С= 1-2+1=0. Это значит, что две фазы находятся в равновесии при строго определенной температуре (температура плавления), и она не может быть изменена, пока одна из фаз не пропадет. Такое состояние системы называют нонвариантным (безвариантным).Для диухкомпонентной системы, находящейся в жидком состоянии (К = 2; Ф=1), правило фаз имеет вид С = 2-1 + 1=2, такая система называется бивариантной (двухвариантной). В этом случае возможно изменение двух факторов равновесия (темпера­туры и концентрации), число фаз при этом не меняется. Для этой же системы при существовании двух фаз (жидкой и твердой) К=2, Ф = 2, согласно правилу фаз С = 2—2+1 = 1, т.е. с изменением температуры концентрация должна быть строго определенной.

Применение правила фаз для диаграммы состояния первого типа(см. рис. ). Пользуясь этой диаграммой, можно определить фазовое состояние сплавов любого состава при любой температуре. Так, например, в области 1 существует одна фаза — жидкий раствор. Правило фаз запишется в виде С = К – Ф + 1 = 2- 1 + 1 = 2, т. е. система имеет две степени свободы. Для остальных областей 2, 3, 4 и 5 система ха­рактеризуется одной степенью свободы (С = 2 – 2 + 1 = 1).

Дата добавления: 2018-04-04 ; просмотров: 1233 ;

Сплавы, их классификация и применение.

Сплавы ― это макроскопически однородные материалы, имеющие металлические свойства и состоящие из смеси двух или большего числа химических элементов, из которых хотя бы один является металлом. Многие металлические сплавы имеют один или несколько металлов в качестве основы с малыми добавками других специально вводимых в сплав легирующих и модифицирующих элементов. Также в составе сплава могут содержаться неудалённые примеси (природные, технологические и случайные).

По способу изготовления различают два типа сплавов:

  • Литые сплавы изготавливаются самым распространенным способом – кристаллизацией однородной смеси их расплавленных компонентов.
  • Порошковые сплавы образуются путем прессования смеси порошков компонентов с последующим спеканием при высокой температуре. Компонентами порошкового сплава могут быть не только порошки простых веществ, но и порошки химических соединений. Например, основными компонентами твёрдых сплавов являются карбиды вольфрама или титана.
Читать еще:  Что такое оксидирование серебра

По способу получения заготовки (изделия) различают два типа сплавов:

  • литейные (например, чугуны, силумины);
  • деформируемые (например, стали) и порошковые сплавы.

В промышленности используют большое количество сплавов – конструкционных, инструментальных, специальных (см. Табл. 1, 2). Их различают по назначению:

Конструкционные сплавы со специальными свойствами (например, искробезопасность, антифрикционные свойства):

Сплавы для заливки подшипников:

Сплавы для измерительной и электронагревательной аппаратуры:

Для изготовления режущих инструментов:

В промышленности также используются жаропрочные, легкоплавкие и коррозионностойкие сплавы, термоэлектрические и магнитные материалы, а также аморфные сплавы.

Число металлических сплавов, применяемых в наши дни, очень велико и непрерывно растет. Их принято разделять на две большие категории: сплавы на основе железа и сплавы цветных металлов. Ниже перечислим наиболее важные сплавы промышленного значения и укажем основные области их применения.

Сплавы железа с углеродом, содержащие его до 2%, называются сталями. При введении легирующих элементов, таких, как хром, ванадий, никель, сталь становится легированной. Из всех видов металлов и сплавов, стали занимают первое место по объему их производства. Сфера их применения чрезвычайно широка, сложно было бы перечислить все возможные варианты. В общем можно сказать, что малоуглеродистые стали (менее 0,25% углерода) используется в качестве конструкционного материала, а стали с более высоким содержанием углерода (более 0,55%) идут на изготовление таких низкоскоростных режущих инструментов, как бритвенные лезвия и сверла. Легированные стали применяются в машиностроении всех видов и в производстве быстрорежущих инструментов.

Чугуном называют сплав железа с 2–4% углерода. Кроме того, важным компонентом чугуна является кремний. Из чугуна отливают самые разнообразные изделия, имеющие утилитарные функции, например крышки для люков, трубопроводную арматуру, блоки цилиндров двигателей. В правильно выполненных отливках достигаются хорошие механические свойства материала.

Такие сплавы в основном представлены различными видами латуни, т.е. медными сплавами, содержащими от 5 до 45% цинка. Латунь с содержанием от 5 до 20% цинка называется красной (томпаком), а с содержанием 20–36% Zn – желтой (альфа-латунью). Латуни применяются в производстве различных мелких деталей, где требуются хорошая обрабатываемость и формуемость. Популярны также сплавы меди с оловом, кремнием, алюминием или бериллием – это бронзы. Например, сплав меди с кремнием ― кремнистая бронза. Фосфористая бронза (медь с 5% олова и следовыми количествами фосфора) обладает высокой прочностью и применяется для изготовления пружин и мембран.

Такие сплавы широко применяются для пайки. Обычный припой (третник) состоит из одной части свинца и двух частей олова. Он широко применяется для соединения (пайки) трубопроводов и электропроводов. Кроме того, из сурьмяно-свинцовых сплавов делают оболочки телефонных кабелей и пластины аккумуляторов. Сплавы свинца с определенным количеством кадмия, олова и висмута могут иметь точку плавления, лежащую значительно ниже точки кипения воды (

70° C); по этой причине из них делают плавкие пробки клапанов спринклерных систем противопожарного водоснабжения. Сплав пьютер, из которого до сих пор производят декоративную посуду и украшения, содержит 85–90% олова (остальное – свинец). Свинец содержится в подшипниковых сплавах, называемых баббитами, в них также присутствуют такие химические элементы, как олово, сурьма и мышьяк.

В современной промышленности необходимы легкие сплавы с высокой прочностью, обладающие хорошими высокотемпературными механическими свойствами. Основными металлами легких сплавов служат алюминий, магний, титан и бериллий. Однако сплавы на основе алюминия и магния не могут применяться в условиях высокой температуры и в агрессивных средах.

К этим сплавам относятся литейные сплавы (алюминий Al – кремний Si), сплавы для литья под давлением (алюминий Al – магний Mg) и самозакаливающиеся сплавы повышенной прочности (алюминий Al – медь Cu). Алюминиевые сплавы экономичны, легкодоступны, они достаточно прочны при низких температурах и легко обрабатываются (легко куются, штампуются, пригодны для глубокой вытяжки, волочения, экструдирования, литья, хорошо свариваются и обрабатываются на металлорежущих станках). Необходимо заметить, что механические свойства всех алюминиевых сплавов заметно ухудшаются при температурах выше приблизительно 175° С. Но благодаря образованию защитной оксидной пленки на поверхности алюминиевые сплавы проявляют хорошую коррозионную стойкость в большинстве обычных агрессивных сред. Эти сплавы хорошо проводят электричество и тепло, обладают высокой отражательной способностью, немагнитны, безвредны в контакте с пищевыми продуктами (поскольку продукты коррозии бесцветны, не имеют вкуса и нетоксичны), взрывобезопасны (поскольку не дают искр) и хорошо поглощают ударные нагрузки. Благодаря такому сочетанию свойств алюминиевые сплавы служат хорошими материалами для легких поршней, применяются в вагоно-, автомобиле- и самолетостроении, в пищевой промышленности, в качестве архитектурно-отделочных материалов, в производстве осветительных отражателей, технологических и бытовых кабелепроводов, при прокладке высоковольтных линий электропередачи.

Примесь железа, от которой трудно избавиться, повышает прочность алюминия при высоких температурах, но снижает коррозионную стойкость и пластичность при комнатной температуре. Кобальт, хром и марганец ослабляют охрупчивающее действие железа и повышают коррозионную стойкость. При добавлении лития к алюминию повышаются модуль упругости и прочность, что делает такой сплав весьма привлекательным для авиакосмической промышленности. К сожалению, при своем превосходном отношении предела прочности к массе (удельной прочности) сплавы алюминия с литием обладают низкой пластичностью.

Магниевые сплавы легки, характеризуются высокой удельной прочностью, а также хорошими литейными свойствами и превосходно обрабатываются резанием. Поэтому они применяются для изготовления деталей ракет и авиационных двигателей, корпусов для автомобильной оснастки, колес, бензобаков, портативных столов и т.п. Некоторые магниевые сплавы, обладающие высоким коэффициентом вязкостного демпфирования, идут на изготовление движущихся частей машин и элементов конструкции, работающих в условиях нежелательных вибраций.

Магниевые сплавы имеют свои недостатки, они довольно мягки, плохо сопротивляются износу и не очень пластичны. Зато они легко формуются при повышенных температурах, пригодны для электродуговой, газовой и контактной сварки, а также могут соединяться пайкой (твердым), болтами, заклепками и клеями. Такие сплавы не отличаются особой коррозионной стойкостью по отношению к большинству кислот, пресной и соленой воде, но стабильны на воздухе. От коррозии их обычно защищают поверхностным покрытием – хромовым травлением, дихроматной обработкой, анодированием. Магниевым сплавам можно также придать блестящую поверхность либо плакировать медью, никелем и хромом, нанеся предварительно покрытие погружением в расплавленный цинк. Анодирование магниевых сплавов повышает их поверхностную твердость и стойкость к истиранию. Магний – металл химически активный, а потому необходимо принимать меры, предотвращающие возгорание стружки и свариваемых деталей из магниевых сплавов.

Титановые сплавы превосходят как алюминиевые, так и магниевые в отношении предела прочности и модуля упругости. Их плотность больше, чем всех других легких сплавов, но по удельной прочности они уступают только бериллиевым. При достаточно низком содержании углерода, кислорода и азота они довольно пластичны. Электрическая проводимость и коэффициент теплопроводности титановых сплавов малы, они стойки к износу и истиранию, а их усталостная прочность гораздо выше, чем у магниевых сплавов. Предел ползучести некоторых титановых сплавов при умеренных напряжениях (порядка 90 МПа) остается удовлетворительным примерно до 600° C, что значительно выше температуры, допустимой как для алюминиевых, так и для магниевых сплавов. Титановые сплавы достаточно стойки к действию гидроксидов, растворов солей, азотной и некоторых других активных кислот, но не очень стойки к действию галогеноводородных, серной и ортофосфорной кислот.

Читать еще:  Как правильно вязать арматуру для Армопояса

Титановые сплавы ковки до температур около 1150° C. Они допускают электродуговую сварку в атмосфере инертного газа (аргона или гелия), точечную и роликовую (шовную) сварку. Обработке резанием они не очень поддаются (схватывание режущего инструмента). Плавка титановых сплавов должна производиться в вакууме или контролируемой атмосфере во избежание загрязнения примесями кислорода или азота, вызывающими их охрупчивание. Титановые сплавы применяются в авиационной и космической промышленности для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах (150–430° C), а также в некоторых химических аппаратах специального назначения. Из титано-ванадиевых сплавов изготавливается легкая броня для кабин боевых самолетов. Титан-алюминиево-ванадиевый сплав – основной титановый сплав для реактивных двигателей и корпусов летательных аппаратов.

Пластичный бериллиевый сплав можно получить, например, вкрапляя хрупкие зерна бериллия в мягкую пластичную матрицу, такую, как серебро. Сплав этого состава удалось холодной прокаткой довести до толщины, составляющей 17% первоначальной. Бериллий превосходит все известные металлы по удельной прочности. В сочетании с низкой плотностью это делает бериллий пригодным для устройств систем наведения ракет. Модуль упругости бериллия больше, чем у стали, и бериллиевые бронзы применяются для изготовления пружин и электрических контактов. Чистый бериллий используется как замедлитель и отражатель нейтронов в ядерных реакторах. Благодаря образованию защитных оксидных слоев он устойчив на воздухе при высоких температурах. Главная трудность, связанная с бериллием, – его токсичность. Он может вызывать серьезные заболевания органов дыхания и дерматит.

Понятия: компонент, фаза, структурные составляющие, система сплавов

Фазы и структурные составляющие сплавов железа с углеродом

Фазой называются однородные составные части системы (ме­талла или сплава), имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение, свойства и одинаковое агрегатное состояние.

Например, жидкий металл является однофазной си­стемой; смесь жидкого металла и твердых кристалли­ков – двухфазной системой, так как свойства жидкого металла значительно отличаются от свойств твердых кристалликов. Фазами могут быть отдельные металлы, их химические соединения, а также растворы на основе металлов.

Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения соответствующих фаз в металлах и сплавах.

Структурными составляющими сплава называются обособленные части сплава, имеющие оди­наковое строение с присущими им характерными осо­бенностями. Структурные составляющие могут состоять из одной, двух или более фаз. Одна из важнейших задач металловедения – опре­деление взаимосвязи между составом, структурой и свойствами.

Системой называется совокупность фаз, находящихся в равно­весии при определенных внешних условиях (температура, давле­ние). Система, может быть, простой, если она состоит из одного элемента, и сложной, если она состоит из нескольких эле­ментов.

Компонентами называют вещества, образующие систему. Ком­понентами могут быть элементы (металлы и неметаллы) или устой­чивые химические соединения. Чистое железо – металл серебристо-белого цвета с температурой плавления в 1539 °С. Железо имеет две полиморфные модификации: альфа () и гамма () . Модификация альфа существует при температурах ниже 911 °С и выше 1392 °С; гамма-железо – при температуре 911-1392 °С. В зависимости от температуры и концентрации углерода в железоуглеродистых сплавах (сталях и чугунах) образуются следующие твердые фазы: феррит, аустенит, цементит, графит.1. Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в альфа-железе.Альфа-железо имеет ОЦК структуру, которая стабильна до 911 °С. Наибольшая растворимость углерода в альфа-железе – 0,02% при 727 °С. С понижением температуры снижается и растворимость углерода, и при комнатной температуре она составляет 0,005% по массе. По этой причине феррит называют технически чистым железом, он имеет незначительную твердость (HB = 80-100) и прочность (предел прочности в = 250 МПа), но высокую пластичность (относительное удлинение до 50%, относительное сужение до 80%).При температуре от 1392 °С до 1539 °С железо также имеет ОЦК структуру – это дельта-железо. Твердый раствор внедрения углерода в дельта-железе называют высокотемпературным ферритом.2. Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в гамма-железе.Аустенит имеет ГЦК структуру. В железоуглеродистых сплавах аустенит может существовать только при высоких температурах. В гамма-железе углерод растворяется значительно лучше, чем в альфа-железе, максимальная растворимость углерода в гамма-железе составляет 2,14% и наблюдается при температуре 1147 °С. С пониженим температуры растворимость углерода снижается – до 0,8% при 727 °С. Аустенит имеет твердость HB = 160-200 и весьма пластичен (относительное удлинение 40-50%), наблюдается в сталях при температурах от 727 °С.3. Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C). В цементите содержится 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1600 °С. Он очень тверд (HB порядка 800 единиц), хрупок и практически не обладает пластичностью. Выделяют цементит первичный, вторичный и третичный. Их отличия заключаются в происхождении:- первичный цементит образуется из жидкого расплава при кристаллизации железоуглеродистых сплавов (линия СD),- вторичный цементит выпадает из аустенита (по причине уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры – линия SE)- третичный цементит выпадает из феррита с понижением температуры (по причине снижения растворимости углерода в феррите с понижением температуры – линия PQ)Цементит – неустойчивая метастабильная фаза. При нагреве и длительной выдержке цементит распадается на феррит (альфа-железо) и графит (Fe3C -> 3Fe + C).4. Графит – чистый углерод с гексагональной слоистой структурой. Графит очень мягок (HB = 3) и обладает низкой прочностью. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений различных форм (пластинчатой, хлопьевидной, шаровидной). С изменением формы графитовых включений меняются механические и технологические свойства сплава.Помимо четырех вышеназванных фаз в струтуре сплавов железа с углеродом выделяют еще две самостоятельные структурные составляющие: перлит и ледебурит.5. Перлит (П) – механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,8% углерода.Перлит образуется из аустенита при охлаждении его до температуры ниже 727 °С. Таким образом, перлит является эвтектоидом. Перлит может быть пластинчатым и зернистым (глобулярным), что зависит от формы цементита и определяет механические свойства перлита. При комнатной температуре зернистый перлит имеет предел прочности 800 МПа, относительное удлинение 15%, твердость HB = 160.6. Ледебурит (Л) – механическая смесь аустенита и цементита (Л = А+ Ц), содержащая 4,3% углерода.Ледебурит образуется из жидкого расплава при температуре 1147 °С. Таким образом, ледебурит по своей сути является эвтектикой. Ледебурит образуется при затвердевании жидкого расплава при 1147 °С. Ледебурит имеет твердость HB = 600-700 HB и большую хрупкость. Ледебурит наблюдается в структуре чугунов, в сталях он образовывается только при большом количестве легирующих элементов и содержании углерода более 0,7%.При охлаждении ледебурита до температуры в 727 °С входящий в его состав аустенит становится неустойчивым и распадается, превращаясь в перлит. Таким образом, при температуре менее 727 °С вплоть до 20 °С ледебурит представляет собой механическую смесь перлита с цементитом.

Фазы и структурные составляющие сплавов железа с углеродом

Помимо перечисленных структурных составляющих, в железоуглеродистых сплавах могут быть нежелательные неметаллические включения: окислы, нитриды, сульфиды, фосфиды – соединения с кислородом, азотом, серой и фосфором.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector