© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

35

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

В промышленности широко распространены малоотходные высокопроизводительные методы холодной штамповки. Так, в автомобилестроении штамповкой из листового материала получают около 60 % деталей, в точном машино- и приборостроении до 75 %, а в производстве товаров широкого потребления - до 98 %. При холодной штамповке металл наклепывается, приобретает достаточную для эксплуатации прочность (табл. 3.2).

Таблица 3.1

Влияние наклепа на механические свойства алюминия и меди (технической чистоты)

Металл		Механические свойства
	σв , МПа		НВ, МПа	δ, %
А1	140/90		320/250	12/30
Сu	1250/550		3/50	450/220

Примечание. В числителе - металл в наклепанном (нагартованном) состоянии; в знаменателе - после рекристаллизационного отжига.

Таблица 3.2

Влияние наклепа на механические свойства сплава АМц

(1 % Мn, 99 % А1)

Механические		Состояние сплава
свойства	М		П		Н
σв, МПа	130		160		220
δ, %	23		10		5

Примечание. М - мягкое (рекристаллизационный отжиг) состояние; П - полунагартованное; Н - нагартованное.

В ряде случаев изделия, изготавливаемые методами обработки металлов давлением, не испытывают при эксплуатации значительных механических нагрузок. Например, трубопроводы из медных сплавов, применяемые в морском судостроёнии. Тогда рекристаллизационный отжиг прессованных труб на заданную величину зерна обеспечивает однородную мелкозернистую структуру, обладающую хорошим сочетанием механических свойств и коррозионной стойкости.

Особо следует отметить целенаправленное использование наклепа для повышения эксплуатационных свойств изделий. Примером этого является поверхностное упрочнение стальных изделий методами поверхностного пластического деформирования (дробеструйная обработка, обкатка роликами). Такая финишная обработка создает слой глубиной 0,2...0,4 мм с повышенной твердостью и высоким уровнем полезных остаточных напряжений сжатия. В резуль-

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

36

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

тате существенно возрастает предел выносливости (усталости)1 и долговечность работающих изделий. Так, после дробеструйной обработки предел выносливости стальных рессор повышается в 1,5…2 раза. Такой обработке подвергают и другие изделия машиностроения - шестерни, зубчатые колеса, гильзы и поршни, лопатки компрессоров и т, п. Обкатка роликами применяется в основном для упрочнения шеек валов.

Приведенные выше примеры не исчерпывают, конечно, всего многообразия случаев учета и использования явлений наклепа и рекристаллизации. Однако и эти данные позволяют сделать вывод о том, что процессы пластической деформации и нагрева (отжига) металла, вызывающие наклеп и рекристаллизацию, являются эффективными методами воздействия на свойства металлов через изменение их структуры при неизменном химическом составе.

В двух последующих главах будет продемонстрирована возможность целенаправленного воздействия на структуру и свойства металлических материалов посредством изменения их химического состава в результате сплавления компонентов.

Глава 4. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ

4.1.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Вглаве 1 отмечалось, что технические металлы имеют низкую прочность,

иодним из наиболее общих методов ее повышения является создание сплавов. Очевидно, что метод сплавления позволяет получить и более широкий диапазон специфических полезных свойств (например, жаропрочность, коррозионную стойкость, износостойкость и др.).

Сплавы - это материалы, полученные сплавлением или спеканием (порошковая металлургия) двух или более компонентов.

Компоненты - вещества, образующие сплав; ими могут быть химические элементы или устойчивые химические соединения.

Структура сплава и его свойства определяются в первую очередь типом фаз, которые образуются при сплавлении компонентов. Очевидно, что любой химический элемент может находиться в зависимости от температуры (и давления) 8 твердой, жидкой или газообразной фазах. Эти фазы отличаются агрегатным состоянием вещества. Химические элементы - однокомпонентные системы. Многокомпонентные системы - сплавы - и в твердом состоянии могут

1 Предел выносливости - наибольшее напряжение, которое может выдержать металл без разрушения за большое (специально устанавливаемое, обычно >106) число циклов изменения знакопеременных напряжений (растяжение - сжатие), возникающих при циклическом нагружении образца.

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

37

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

иметь сложное, многофазное строение. Уточним понятие твердой (в смысле кристаллической, в отличие от жидкой) фазы в таких системах.

Фаза - однородная по всем характеристикам (химический состав, тип решетки, свойства) и обособленная (отделенная поверхностью раздела) часть сплава.

4.2.ТВЕРДЫЕ ФАЗЫ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВАХ

Взависимости от характера ;физико-химического взаимодействия компонентов в металлических сплавах могут присутствовать три основных типа твердых фаз: 1) химические элементы, 2) твердые растворы, 3) химические соединения.

Если какое-либо взаимодействие между компонентами А и В (химические элементы) при сплавлении отсутствует, то в затвердевшем сплаве они присутствуют в виде изолированных кристаллов, образуя двухфазную механическую смесь. Каждый такой кристалл, следовательно, является однокомпонентной фазой, т. е. химическим элементом с присущими ему кристаллическим строением и свойствами, которые обсуждались в главе 1. Поэтому здесь более подробно следует рассмотреть строение и свойства многокомпонентных1 фаз - твердых растворов и химических соединений.

4.2.1.ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ

Твердые растворы - фазы, в которых атомы одного компонента (В) размещены (растворены) в кристаллической решетке другого компонента (А - «растворителя»). По мере увеличения количества растворенных атомов В в решетке А химический состав и свойства твердого раствора плавно изменяются (в частности, температура плавления). Таким образом, твердый раствор - фаза переменного состава. Количество растворенных атомов (предел растворимости) в твердом растворе зависит от индивидуальных свойств компонентов А и В и, обычно, - температуры.

Сплав, представляющий собой твердый раствор, является однофазным веществом € решеткой, присущей основному компоненту (растворителю). Атомы второго компонента (растворенного) размещены в решетке растворителя, как правило, случайным, неупорядоченным образом.

По способу размещения |атомов растворенного вещества (В) в решетке растворителя (А) различают два основных типа твердых растворов - растворы

1 В этой и следующих темах рассматриваются только двухкомпонентные (двойные сплавы). Такое ограничение оправдано, так как упрощает изложение основных закономерностей теории строения сплавов, которые являются общими в системах с различным числом компонентов.

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

38

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

замещения и внедрения (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Твердые растворы замещения (а) и внедрения (б)

Видно, что при образовании твердых растворов замещения (рис. 4.1,а) атомы В располагаются в пустых узлах (вакансиях, см. раздел 1.2) решетки компонента А, т. е. «замещают» ее собственные атомы. Количество атомов В в решетке А в этом случае может изменяться в широких пределах. Возможна даже неограниченная (100%-ная) взаимная растворимость компонентов в твердом состоянии, если выполняются следующие условия: 1) кристаллические решетки компонентов А и В однотипны (изоморфны); 2) размеры атомов А и В отличаются не более, чем 1на 10...15 %; 3) близкое строение внешних электронных оболочек атомов А и В.

В случае твердых растворов внедрения (рис. 4.1,6) атомы В располагаются в междоузлиях решетки растворителя А. Понятно, что это возможно, если размеры ^томов В сравнимы с размерами межатомных пустот решетки А. Поэтому растворы внедрения образуют первые четыре элемента таблицы Менделеева (Н, В, С, N), имеющие малый диаметр, приблизительно 0,15 нм, с металлами, у которых атомы, а значит и межатомные пустоты, достаточно велики - например, переходными металлами с атомным диаметром примерно 0,25 нм.

Твердые растворы внедрения всегда имеют ограниченную растворимость, так как ограничены размеры (и количество) межатомных пустот. Из-за несоответствия размеров пустот с размерами размещающихся в них атомов возникают упругие искажения решетки, препятствующие дальнейшему растворению.

4.2.2. ХИМИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Вторым типом двухкомпонентных фаз в сплавах являются химические соединения. В типичных химических соединениях преобладают ионный или ковалентный типы межатомных связей. Такие соединения характеризуются следующими признаками:

1)определенным соотношением чисел атомов элементов (компонентов) А

иВ в соединении, которое соответствует формуле АпВт, где п и т - простые числа;

2)различием кристаллической решетки соединения и решеток исходных

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

39

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

компонентов (атомы А и В в решетке АпВт расположены упорядоченным образом);

3) определенными свойствами (в частности, постоянной температурой плавления), существенно отличающимися от свойств исходных компонентов. Если в сплаве химический состав отклоняется от заданного формулой АпВт, свойства резко изменяются.

Все эти признаки отличают такие соединения от твердых растворов. Следует, однако, сказать, что классические химические соединения, стро-

го удовлетворяющие всем этим требованиям, не играют большой роли в металлических сплавах. Обычно это неметаллические включения (оксиды, сульфиды), которые образуются в сплавах в процессе их производства и присутствуют в небольших количествах.

Большое значение в металлических сплавах имеют соединения, в которых в значительной мере присутствует металлический тип связи. Специфика такой связи - ненаправленность и ненасыщенность (см. стр. 6, 10), - приводит к тому, что эти соединения отличаются рядом особенностей - они не подчиняются правилу валентности (см. стр. 10) и имеют переменный состав. Эти особенности сближают такие соединения с твердыми растворами. Подобные соединения относят к промежуточным фазам, их существует несколько типов. В сталях, например, наибольшее значение имеют такие разновидности промежуточных фаз, как фазы внедрения.

Фазы внедрения - это промежуточные фазы, образуемые переходными металлами (М: Fе, Мn, W, Тi, ...) с элементами (X), имеющими малый атомный радиус (X: Н, N, B, С). Т. е. это гидриды, нитриды, бориды, карбиды. Величина их атомных радиусов удовлетворяет соотношению rх/rм<0,59. В этом случае атомы неметалла способны размещаться в межатомных пустотах решетки металла в значительных количествах. Фазам внедрения можно приписать химическую формулу типа МХ (например, WС, FеВ, ТiС), М2Х (W2С, Fе2В), М4Х (Fе4N). Однако они имеют переменный состав (подобно твердым растворам). Состав, отвечающий химической формуле, характеризует лишь максимально возможную концентрацию неметалла в соединении. Тип кристаллической решетки фаз внедрения не совпадает с типом решетки исходного металла (как при образовании классических химических соединений).

Для дальнейшего важно отметить, что химические соединения независимо от их природы, как правило, более тверды и хрупки (менее пластичны), чем твердые растворы тех же компонентов (подробнее об этом в следующем разделе).

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

40

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

4.3.ВЛИЯНИЕ СПЛАВЛЕНИЯ НА СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Всплаве - твердом растворе атомы растворенного компонента (В) являются точечными дефектами решетки растворителя (А). Это очевидно из сравнения рис. 4.1 и рис. 1.6.

Следовательно, растворенные атомы В искажают решетку основного металла А, вызывают в ней внутренние напряжения. Внутренние напряжения, как известно (глава 1), тормозят скольжение дислокаций, затрудняют пластическое деформирование металла, т. е. повышают его прочность. Упрочняющее влияние растворенных атомов проявляется еще и в том, что они скапливаются в растянутой области решетки под дислокацией, взаимодействуют с ней, делают

еемалоподвижной. Для движения дислокации необходим отрыв ее от примесного облака, что требует дополнительных усилий, т. е. опять-таки повышает прочность.

Таким образом, сплавление, приводящее к образованию твердого раствора, само по себе вызывает повышение прочности исходного металла (растворителя А). Очевидно, что эффект упрочнения в этом случае должен в основном определяться концентрацией К растворенных атомов В и степенью искажения решетки растворителя А, создаваемого каждым атомом В. Степень искажения решетки растворителя обычно выражают параметром несоответствия радиусов

атомов растворителя rА и растворенного компонента rВ . ε = rB −rA . rA

Теория показывает, что предел текучести σт твердого раствора описывается соотношением

σт =2,5G ε4/3 K,

(4.1)

где G - модуль сдвига.1

Отсюда следует, что упрочнение металла (растворителя) при образовании твердого раствора линейно зависит от концентрации растворенных атомов К и в несколько большей степени (4/3) от различия размеров е их атомов и атомов растворителя. Последнее объясняет известный факт большего упрочнения (твердых растворов внедрения (где разница в размерах атомов наибольшая и значит максимальны искажения решетки растворителя) по сравнению с растворами замещения.

1 Модуль сдвига G - это модуль касательной упругости (модуль Гука), характеризует сопротивление материала упругой деформации сдвига в отличие от модуля нормальной упругости (модуля Юнга Е, см. раздел 1.3. Глава I), характеризующего сопротивление. упругой продольной деформации растяжения - сжатия. Для многих металлов G≈0,4Е. Напомним, что пластическая деформация - течение металла - происходит под действием сдвиговых, каса-

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

41

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

На рис. 4.2 показана зависимость эффекта упрочнения металлов от указанных параметров К и ε.

Следует отметить, что реальный эффект упрочнения зависит не только от размера растворенных атомов (через ε), но и от их электронного строения, поскольку оно определяет характер их электрического взаимодействия с дислокациями. С этим, по-видимому, связано то, что эффект упрочнения при растворении Ni больше, чем при растворении V в Fе (рис.4.2, а) или Zn в Сu (рис. 4.2,б), хотя величина ε в обоих случаях меньше при растворении Ni, чем V или Zn.

Рис. 4.2. Упрочнение железа (а) и меди (б) при образовании твердых растворов различного химического состава и концентрации К

Числа в скобках у обозначений растворенных химических элементов - величины параметра несоответствия ε. По осям ординат откладываются отношения твердости и прочности (предела текучести) сплавов - твердых растворов к твердости и прочности исходного компонента (растворителя).

Упрочнение, происходящее при образовании твердых растворов, сопровождается, как правило, снижением пластичности, так как торможение дислокаций отрицательно сказывается на способности металла к пластическому деформированию.

Искажения решетки растворителя, вызванные проникновением в нее чужеродных атомов, повышают также электросопротивление. Электросопротивление твердого раствора ρА(В) отличается от сопротивления исходного металла - растворителя ρА на величину

ρ = ρА(В) - ρА = αK(1-K),

(4.2)

где К - концентрация растворенных атомов В; α - коэффициент, определяемый эффективностью рассеяния электронов растворенными атомами; зависит от разности размеров атомов А и В и различий в их электронной структуре (ср. со сказанным выше о параметре ε).

При малых концентрациях растворенных	атомов К(1-К)≈К, тогда
ρ ≈ αK	(4.3)

Из сравнения выражений (4.1) и (4.3) видно, что повышения сопротивления металла пластической деформации σт и сопротивления направленному движению электронов ρ, вызываемые образованием твердого раствора, подчи-

тельных напряжений.

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

42

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

няются аналогичным закономерностям. Это естественно, поскольку первопричина обоих явлений - искажение решетки металла растворенными чужеродными атомами.

Из приведенных данных следует, что образование сплава - твердого раствора может заметно повлиять на свойства исходного металла (растворителя).

Значительно большее изменение свойств происходит, если при сплавлении компонентов образуются химические соединения. Как отмечалось в разделе 4.2.2., кристаллическая решетка химического соединения отличается от решеток образующих его компонентов. Уже этого достаточно, чтобы понять причину резкого различия свойств сплава - химического соединения и исходных компонентов. В качестве примера в табл. 4.1 приведены свойства металла (Тi) и соединений на его основе.

Таблица 4.1 Температура плавления Tпл и микротвердость Нμ титана и его соединений

Материал		Свойства
	Tпл , К		Нμ , ГПа
Тi	1941		0,73
ТiO2	2143		10,7
ТiN	3223		20,5
ТiС	3530		31,7

Известно, что в химических соединениях большую роль играет ковалентная связь, более жесткая и прочная, чем металлическая. С этим связано повышение температуры плавления и твердости при образовании соединений. Последние два соединения в табл. 3 относятся к фазам внедрения. Эти фазы отличаются исключительно высокой твердостью и тугоплавкостью. Карбиды играют важную роль в формировании механических свойств сталей и служат основой группы теплостойких инструментальных материалов - спеченных твердых сплавов. Карбиды и нитриды широко используются для нанесения износостойких покрытий на стальные изделия.

Для дальнейшего важно отметить, что присутствующие в металлических сплавах химические соединения независимо от их природы, как правило, более тверды, но менее пластичны, чем твердые растворы. Поэтому частицы химических соединений в двухфазных сплавах играют роль упрочнителей. До сих пор говорилось об однофазных (двухкомпонентных) сплавах - твердых растворах или химических соединениях. Большинство промышленных сплавов при нормальных температурах состоят из кристаллов двух или более фаз. Свойства таких сплавов в общем случае зависят от свойств индивидуальных фаз и их отно-

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В 43 Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

сительных количеств. Так, прочность сплава, состоящего из фаз α и β, может быть выражена как

σ = σαVα + σβVβ .

(4.4)

где каждое слагаемое - произведение прочности соответствующей фазы на ее

относительное	количество	(объемную долю). Или,	с учетом того, что
Vα+Vβ=1,
		σ = σα + Vβ(σα - σβ).	(4.5)

Если фаза β более прочная (σα > σβ), то из (4.5) следует, что прочность двухфазного сплава будет линейно возрастать с увеличением объемной доли более прочной фазы Vβ.

Если, например, при сплавлении компонентов А и В не образуются химические соединения и твердые растворы, т. е. отсутствует взаимная растворимость компонентов в твердом состоянии, то такой сплав представляет собой механическую смесь кристаллов А и В. То есть в данном случае фаза α≡А, β≡В. Тогда очевидно, что сплавление в этом случае приводит к повышению прочности исходного металла А пропорционально количеству второго более прочного компонента В, но максимальная прочность сплава не может превосходить прочности компонента В - при VB=1,B σ= σB.B

Экспериментальное исследование прочности двухфазных сплавов часто обнаруживает значительные отклонения от приведенной закономерности (4.5). Это обусловлено тем, что на прочность сплава большое влияние оказывает не только относительное количество упрочняющей фазы, но и размеры, форма и взаимное расположение ее кристаллов. Если, например, более твердая, но хрупкая упрочняющая фаза окаймляет непрерывным слоем зерна матричной фазы, то это приводит к снижению и прочности и пластичности сплава (такая ситуация может иметь место в высокоуглеродистых сталях).

Другой пример охрупчивающего влияния слоев второй фазы рассматривался в главе 3, когда обсуждалась анизотропия свойств горячедеформированного металла.

Практический опыт показывает, что наилучшему сочетанию свойств конструкционных металлических сплавов (высоким значениям прочности и ударной вязкости) соответствует структура, в которой мелкодисперсные частицы твердой фазы (химических соединений) равномерно и достаточно плотно распределены в менее прочной, но пластичной матричной фазе (твердом растворе). Из теории следует, что предел текучести двухфазного сплава обратно пропор-

ционален расстоянию l между частицами упрочняющей фазы:
σт ~ 1/l .	(4.5)

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

44

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

При больших расстояниях между частицами упрочняющей фазы пластическая деформация матрицы происходит почти беспрепятственно, т. е. сопротивление сплава деформированию невелико, характеристики прочности (σт, σв) имеют малую величину.

Установлено, что наибольшее упрочнение достигается, когда дисперсные частицы упрочняющей фазы (размером около 10 нм) распределены достаточно плотно, так что расстояние l между ними составляет несколько десятков периодов решетки (20...40 нм). При таком распределении упрочняющих частиц они наиболее эффективно тормозят скольжение дислокаций. Обычно подобные структуры в двухфазных сплавах получают путем термической обработки.

В заключение данного раздела подчеркнем, что сплавление является эффективным способом воздействия на свойства металлов, в частности, на их прочность.

Сплавление компонентов может приводить к получению качественно новых материалов с иным химическим составом, структурой и соответственно с другими, часто резко отличающимися свойствами (вспомним, например, скачкообразное изменение свойств при образовании химических соединений).

При этом сплавы могут быть однофазными - твердыми растворами или химическими соединениями. В двухфазных сплавах возможны различные сочетания из трех типов твердых фаз - химических элементов, твердых растворов, химических соединений. Очевидно, что свойства сплавов зависят от природы и индивидуальных свойств образующихся при сплавлении фаз. Но, как отмечалось выше, на свойства влияют и относительные количества фаз, размеры, форма и взаимное расположение зерен. Все эти факторы в сумме определяют понятие - структура сплава. Нередко бывает так, что один и тот, же сплав заданного химического и фазового состава может иметь различные свойства в зависимости от особенностей его строения - структуры. Понятна в связи с этим необходимость знания закономерностей формирования структуры сплавов различного химического состава. Такие закономерности могут быть установлены при изучении диаграмм фазового равновесия (диаграмм состояния), чему посвящена следующая глава.

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

45

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

Глава 5. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ДВОЙНЫХ СПЛАВОВ1

В предыдущей теме отмечалось, что в технике используют в основном не чистые металлы, а сплавы различного назначения - конструкционные, инструментальные, с особыми свойствами.

При сплавлении компонентов в зависимости от их природы в сплавах могут образовываться различные кристаллические (твердые) фазы - например, твердые растворы и (или) химические соединения. Причем сплавы одних и тех же компонентов, но различного химического состава (процентного содержания компонентов) могут быть однофазными или двухфазными. Более того, в сплавах, состоящих из одних и тех же двух фаз, их кристаллы могут комбинироваться в различные структурные составляющие, отличающиеся размерами, формой и взаимным расположением зерен. И все эти структурные факторы влияют на свойства сплавов (см. примеры вглаве 4).

Сведения о структуре сплавов могут быть получены при анализе диаграмм состояния, которые являются графической формой описания фазовых равновесий (состояний) в сплавах различного химического состава при различных температурах.

Таким образом, можно считать, что диаграммы состояния - «красная нить материаловедения», связывающая воедино состав, структуру и свойства сплавов (см. Введение).

При дальнейшем изучении курса станет очевидным важное практическое значение диаграмм состояния, позволяющих прогнозировать свойства сплавов, определять оптимальные технологии и режимы их обработки.

5.1. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ И ПРАВИЛО ФАЗ ГИББСА

Сплав компонентов А и В данного химического состава в зависимости от температуры может быть жидким или твердым, а будучи твердым - находиться в различном фазовом состоянии. С другой стороны, фазовое состояние может изменяться при неизменной температуре в зависимости от концентрации компонентов (химического состава) в сплавах данной системы (А-В). Для описания фазовых равновесий (а, соответственно, и фазовых превращений) в сплавах различного состава при различных температурах используют диаграммы фазового равновесия, или диаграммы состояния.

Под состоянием понимают наличие тех или иных фаз в сплаве данного состава при определенной температуре. Таким образом, переменными, опреде-

1 В главе 4 (см. примечание к стр. 49) приведено обоснование того, что основы теории строения сплавов будут рассмотрены на примере двухкомпонентных (двойных) сплавов.

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В 46 Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

ляющими состояние сплава, являются температура и химический состав (давление считается неизменным, равным атмосферному).

Число переменных, которые можно независимо изменять без изменения

числа фаз Ф в системе из К - компонентов, дается правилом фаз Гиббса
С = К – Ф + 1.	(5.1)

Вэтом выражении С - число независимых переменных или число степеней свободы или вариантность системы. Если, например, С=0 - система нонвариантная, что значит, что ни температуру, ни состав нельзя изменить без того, чтобы не изменилось число фаз, находящихся в равновесий, т. е. не нарушилось бы равновесие. Такой тип равновесия имеет, в частности, место в процессе кристаллизации (или плавления) химических элементов (чистых металлов) - однокомпонентных систем. Действительно, в этом случае С=1-2+1=0, обе степени свободы - температура и состав «заморожены». Отсюда следует хорошо известный, наблюдаемый экспериментально факт, что кристаллизация (плавление) химических элементов происходит при постоянной температуре, По НЕТ СТР. 60

стых компонентов и возможно большего числа сплавов промежуточного состава. Для определения критических точек обычно используют результаты термического анализа - экспериментального построения кривых охлаждения (нагрева). Критические точки - это точки перегиба на кривых охлаждения (результат выделения (или поглощения) скрытой теплоты фазового превращения).

Покажем это на примере построения диаграммы для случая неограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии. Условия, при которых такая растворимость возможна, обсуждались в разделе 4.2.1.

На рис. 5.2 показаны кривые охлаждения чистых компонентов (А и В) и трех сплавов - твердых растворов различного состава - 25, 50 и 75 % В (содержание компонента А=100 % - % В). Вид кривых охлаждения определяется правилом фаз (см. рис. 5.1). Критические точки (обозначены цифрами) переносятся на диаграммное поле в соответствии с химическим составом сплавов и компонентов. Соединяются между собой точки, одинаковые по физическому смыслу.

Вданном случае - это точки начала кристаллизации, образующие линию ликвидус, выше которой все сплавы находятся а жидком состоянии (Ж), и точки конца кристаллизации, образующие линию солидус, ниже которой все сплавы находятся в твердом состоянии. В рассматриваемом случае все сплавы в твер-

дом состоянии представляют собой твердые растворы α переменного состава. Между линиями ликвидус и солидус - двухфазная область Ж+α .

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

47

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

Р

Рис. 5.2. Термический метод построения диаграмм состояния (случай неограниченной растворимости компонентов в жидком и твердом состояниях)

Из этого частного примера наиболее простой диаграммы состояния двойных сплавов можно сделать общий вывод, справедливый для диаграмм состояния любого вида: линии диаграмм состояния - это линии фазовых превращений, разделяющие области существования различных фаз.

В предыдущей главе говорилось о том, что свойства фаз переменного состава (например, твердых растворов) зависят от их химического состава, а свойства двухфазных сплавов определяются в первую очередь относительными количествами этих фаз. Поэтому надо уметь определять химический состав фаз и их относительные количества.

5.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ФАЗ

Химический состав фазы - это процентное содержание в ней компонентов сплава. В однофазных областях диаграммы состояния (в твердой α или жидкой Ж, рис. 5.3, а), т. е. при тех температурах, где весь объем сплава занимает ка- кая-то одна фаза, ее химический состав, естественно, совпадает с составом самого сплава. Например, в сплаве, содержащем 25 % В, химический состав фазы

αпри любой температуре ниже линии солидус будет 25 % В (и 75 % А).

Вдвухфазной области, например, в сплаве состава X при температуре Тх атомы компонентов А и В распределены как в твердой фазе, так и жидкой.

Для определения химического состава фаз в двухфазной области необходимо через точку, характеризующую состояние сплава (она лежит на пересечении координат температура - состав сплава, т. е. точка а на рис. 5.3, а), провести горизонталь (изотерму) до пересечения с линиями, ограничивающими данную двухфазную область. Проекции точек пересечения на ось абсцисс диаграммы

показывают составы соответствующих фаз: точка b' - состав фазы α, точка с' - состав фазы Ж1.

1 В дальнейшем для сокращения записи будем считать, что точки, определяющие составы фаз, - это точки пересечения изотермы с границами двухфазной области (т. е. b и с на рис. 5.3, а).

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

48

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

Эта методика определения химического состава фаз вытекает из правила фаз Гиббса (5.1). Действительно, в двухкомпонентном сплаве (К=2) в двухфазной области (Ф=2), С=1, т. е. имеется лишь одна независимая переменная. Это значит, что выбор одного из параметров (например, температуры Тх) предопределяет величину другого (химический состав фаз: b и с).

Рис. 5.3. Определение химического состава и относительных количеств фаз в двухфазной области (а); (6) - схема, поясняющая определение относительных количеств фаз с помощью правила отрезков (правило рычага)

Отсюда следует также, что например, при Т=Тx в решетке компонента А может раствориться максимум b (точнее b'} атомов компонента В, или, другими словами, точка b показывает предельно возможное содержание компонента В в α фазе при Т =Тх. То же и при других температурах - линия солидус на рис. 5.3,а показывает состав твердой фазы, а линия ликвидус - жидкой фазы, которые могут находиться в равновесии при данной температуре.

Другими словами, линии диаграмм состояния - это не только линии фазовых превращений, но и линии предельной растворимости компонентов.

5.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНЫХ КОЛИЧЕСТВ ФАЗ В ДВУХФАЗНОИ ОБЛАСТИ («ПРАВИЛО ОТРЕЗКОВ»)

Изотерма, соединяющая составы фаз, находящихся в равновесии при данной температуре (аb при Т = Тx), называется конодой.

Конода используется для определения относительных количеств фаз в двухфазной области (в однофазной - количество данной фазы равно 100 %).

Отрезки коноды между точкой, задающей состояние сплава (точка а, рис. 5.3, а), и точками, определяющими составы фаз, находящихся в равновесии (точки b и с), обратно пропорциональны количествам этих («прилегающих») фаз – Qα и Qж, т. е.

	Qα	= ac .	(5.2)
	Qж
		bc

Эта методика определения относительных количеств фаз называется правилом отрезков или правилом рычага, так как соответствует условию равновесия рычага, показанного на рис. 5.3, б.

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В			49		Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1
Учитывая, что Qα+Qж=100 % соотношение (5.2) можно записать в виде
Q	= ac	100%;	Q		= ba 100%.	(5.3)
α	bc			ж	bc

5.5. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ С ОГРАНИЧЕННОЙ РАСТВОРИМОСТЬЮ КОМПОНЕНТОВ В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ (ДИАГРАММА С ЭВТЕКТИКОЙ)

Рассмотренная выше диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии, как и другой крайний случай диаграммы, когда компоненты абсолютно не растворяются друг в друге, относительно редко встречаются на практике. Наиболее распространен вариант ограниченной взаимной растворимости компонентов в твердом состоянии.

Пусть, для определенности, компонент В, частично растворяясь в решетке А в твердом состоянии, образует твердый раствор α, причем предел растворимости возрастает с повышением температуры. Компонент А, в свою очередь, ограниченно растворяясь в В, образует твердый раствор β, причем предел растворимости не меняется с температурой.

Очевидно, что в этом случае на диаграмме состояния ниже линии солидус должны быть две однофазные области α и β, а между ними, т. е. за пределами растворимости компонентов, - двухфазная область α+β. Тогда при кристаллизации сплавов, принадлежащих к двухфазной области, возможно одновременное выпадение кристаллов α и β из жидкой фазы Ж. Этому случаю соответствует нонвариантное равновесие, так как, согласно правилу фаз (5.1), С=2- 3+1=0. Т. е. равновесие между указанными фазами определённого состава имеет место при фиксированной температуре. Значит на диаграмме состояния должна быть система линий типа

Действительно, диаграмма состояния для рассматриваемого случая имеет вид, показанный на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (диаграмма с эвтектикой)

Диаграммы подобного вида типичны для многих металлических сплавов

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

50

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

(или, по крайней мере, являются составной частью реальных диаграмм этих сплавов). Поэтому ниже будет дан достаточно подробный анализ этой диаграммы.

Главная цель анализа диаграмм состояния заключается в том, чтобы установить все возможные типы структур, которые могут иметь сплавы различного состава в данной системе. Для этого необходимо выяснить, какие превращения происходят в сплавах различного состава при их медленном (чтобы успели завершиться диффузионные процессы образования фаз) охлаждении из жидкого состояния до комнатной температуры.

Из дальнейшего будет ясно, что в рассматриваемом случае (рис. 5.4) достаточно проанализировать превращения в шести типовых сплавах, отмеченных на диаграмме штрих-пунктирными вертикалями (рис. 5.5). Там, где эти вертикали пересекают линии диаграммы происходят фазовые превращения, т. е. точки пересечения - это критические точки сплавов различного состава. Они обозначены на рис. 5.5, арабскими цифрами. Поставленная задача будет выполнена, если под каждой из шести вертикалей мы сможем схематически нарисовать микроструктуру (реально она изучается с помощью оптического микроскопа)

соответствующего сплава.1

Рис. 5.5. Анализ диаграммы состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Итак, рассматриваем кристаллизацию сплавов различного состава. Сплав I. Видно, что этот сплав особенный, так как линии ликвидус (cde)

и солидус (cfdge) сходятся здесь в одной точке d. Следовательно, и начало, и конец кристаллизации будут происходить при одной и той же температуре, соответствующей т. d (Тd). При этом будут постоянными и составы участвующих в кристаллизации фаз. Действительно, если считать, что т. d принадлежит одновременно областям cdf и edg, то из правила определения химического состава фаз (см. раздел 5.3) можем заключить, что в сплаве I при Т-Тd в равновесии находятся три фазы: жидкая, состава т. d (Жd), твердый раствор α, состава т. а (αf)

1 Чтобы не делать еще одного рисунка, окончательные сплавов уже приведены на рис. 5.5.

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В 51 Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

и твердый раствор β, состава т. g (βg). То есть имеет место нонвариантное равновесие (С=0), о чем говорилось в начале этого раздела. Это трехфазное равновесие ,может сохраняться при Т=Тd бесконечно долго, так как свободные энергии жидкой Fж и твердых фаз Fα+β здесь одинаковы (Тd соответствует равновесной температуре Т0 на рис. 2.1). При понижении температуры свободная энергия Fα+β< Fж, равновесие нарушается, жидкость затвердевает в смесь фаз α и β:

Жd →охл αf + βg.

(5.4)

Реакция (превращение) такого типа называется эвтектической, а образующаяся смесь твердых фаз определенного состава - эвтектикой.1

Сплав I, имеющий эвтектический состав (т. й), называется эвтектическим сплавом. Его структура - эвтектика - Э(α+β). Эвтектика представляет собой мелкодисперсную смесь кристаллов двух фаз, поскольку кристаллизация происходит при постоянной и достаточно низкой температуре, когда из жидкости одновременно выпадает множество кристалликов, возможностей роста которых ограничены.

Сплав II. В т. 1 из жидкости начинают выпадать первые кристаллы твердого раствора α. Их состав отвечает т. 1' (см. правило определения состава фаз, раздел 5.3). При дальнейшем понижении температуры до т. 2 развивается процесс кристаллизации, т. е. увеличивается количество фазы α, уменьшается количество жидкой фазы (Ж), из которой образуются кристаллы. При этом химический состав фазы а изменяется по линии 1'f, а фазы Ж - по линии 1d. В сказанном можно убедиться, проводя коноды при различных температурах в интервале т. 1 - т. 2. Вблизи т. 2 (подошли к ней вплотную, но еще не пересекли ее) сплав состоит из кристаллов α состава т. f(αf) в количестве Qα=2d/fd (см. «правило отрезков», раздел 5.4) и жидкой фазы состава т. d (Жd) в количестве

Qж= f2/fd.

При пересечении эвтектической горизонтали (fdg) вся эта жидкость (Qж), достигшая эвтектического состава (т. d), превращается в эвтектику (α+β), согласно реакции (5.4). Поэтому окончательная структура сплава II состоит из эвтектики (в количестве, равном Qж) и избыточных2 кристаллов α (в количестве Qα , образовавшихся в интервале температур т. 1 - т. 2.

1От греческого слова, означающего в переводе «легко плавящийся». Действительно, из рис. 5.5 видно, что эвтектическая температура (равная Тd) самая низкая температура плавления в данной системе.

2 Избыточные, т. е. те кристаллы α, которые присутствуют в структуре сплава помимо кристаллов α, содержащихся в эвтектике. Избыточные кристаллы α кристаллизуются в широком интервале температур (т. 1 - т. 2), поэтому более крупные, чем кристаллы α эвтектики.

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

52

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

Аналогичную структуру α+э(α+β) имеют все доэвтектические сплавы (состав в интервале f-d).

Если «алгоритм» формирования структуры доэвтектических сплавов понятен, то нетрудно будет смоделировать структуру за эвтектических сплавов (состав в интервале d-g), к которому принадлежит сплав III.

Эти сплавы также имеют две структурные составляющие: избыточные кристаллы β, выпавшие из жидкости между линиями de и dg, и эвтектику, образовавшуюся из последних порций жидкости, когда сплавы при охлаждении пересекают эвтектическую горизонталь.

Кристаллизация сплава IV заканчивается в т. 6 образованием однофазной структуры твердого раствора α. Такая же структура у всех сплавов в интервале составов 0-h. Аналогично сплавы, расположенные правее т. g1 (например, сплав V) имеют однофазную структуру твердого раствора β.

Кристаллизация сплава VI начинается в т. 9 - выпадают первые кристаллы α. В т. 10 этот процесс заканчивается и до т. 11 сплав имеет однофазную α структуру. При температуре, соответствующей т. 11, содержание компонента В в α растворе определяется т. 11'. При дальнейшем понижении температуры предел растворимости уменьшается (по линии fh). Поэтому ниже т. 11 α раствор уже не может содержать то количество В, которое определяется т. 11'. Вследствие этого избыток компонента В выделяется по границам зерен а в виде кристаллов богатой компонентом В фазы, т. е. кристаллов β (эти кристаллы называются вторичными (βII) в отличие от первичных кристаллов β, выпадающих непосредственно из жидкости). В результате при комнатной температуре сплав VI имеет структуру α+βII, причем содержание компонента В в α фазе отвечает т. h.

Аналогичный процесс выделения вторичных кристаллов βII из α фазы имеет место и в доэвтектических сплавах. Однако эти выделения микроскопические, как правило, не обнаруживаются, так как «затушевываются» мелкодисперсной эвтектикой.

Подчеркнем, что выделение вторичных кристаллов обусловлено тем, что предельная растворимость компонентов в твердом состоянии уменьшается с понижением температуры. Поскольку растворимость компонента А в В в нашем случае не меняется с температурой (линия gg1), то выделения вторичных кристаллов α из фазы β не происходит.

Количество кристаллов βII в структуре сплавов, состав которых принадлежит интервалу h-f1 невелико (максимальное количество равно отношению hf1/hg1), однако если они имеют повышенную твердость и хрупкость, то могут

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

53

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

существенно повлиять на свойства сплавов (об этом подробнее в разделе 5.8). Таким образом, задача выполнена - прослежены процессы кристаллиза-

ции сплавов различного состава и установлены все типы структур, которые могут иметь сплавы в данной системе. Таких структур шесть (рис. 5.5). Следует обратить внимание на сплавы, расположенные между точками h и g1. Видно, что все эти сплавы при комнатной температуре состоят из двух фаз - α и β, но их структуры различны, т. е. эти две фазы образуют разные структурные составляющие. В сплавах VI, II, III, по две структурных составляющих, а в сплаве I - только одна (эвтектика), хотя она и сформирована из двух фаз. Многообразие структур этих сплавов обусловлено тем, что в процессе кристаллизации они пересекают линии диаграммы, соответствующие различным фазовым превращениям. Например, сплав VI, не пересекающий эвтектическую горизонталь (fdg), не содержит эвтектики в структуре.

5.6. О ДИАГРАММАХ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ, КОМПОНЕНТЫ КОТОРЫХ ОБРАЗУЮТ УСТОЙЧИВЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Если при сплавлении компонентов А и В при некоторой их взаимной концентрации образуется устойчивое химическое соединение состава АпВт, то на диаграмме состояния оно изображается вертикалью. Эта вертикаль делит диаграмму на части, каждую из которых можно анализировать независимо, считая одним из компонентов это соединение. То есть система А-В разбивается на две независимые системы: А-АпВт и АпВт-В. Конкретный вид такой диаграммы зависит от характера физико-химического взаимодействия компонентов в этих двух подсистемах, т. е. от возможности их взаимного растворения, образования между собой соединений и т. п.

Если, например, АпВт в твердом состоянии растворяется в А, а А в АпВт не растворим и не растворимы взаимно АпВт и В, то соответствующая диаграмма состояния имеет вид, показанный на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых образуют устойчивое химическое соединение АпВт

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

54

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

Учитывая сказанное выше и подробный анализ диаграммы, проведенный в предыдущем разделе (см. рис. 5.5), можем легко установить окончательную структуру сплавов в системе, представленной на рис. 5.6:

Интервал по	о-а	а-b	b-с	c	c-d	d-e	e	e-100
хим. составу:
Структура:	α	α+АпВтII	α+Э1		АпВт+Э1	АпВт+Э2	Э1(АпВт+В)	В+Э2

5.7. ДИАГРАММАХ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ, ИСПЫТЫВАЮЩИХ ПЕРИТЕКТИЧЕСКОЕ ПРЕВРАЩЕНИЁ

В разделе 5.5 был рассмотрен случай нонварйантного эвтектического превращения - затвердевания жидкости в смесь двух твердых фаз, происходящего при постоянной температуре и фиксированных составах фаз. Другой пример нонвариантного превращения имеет место, когда жидкая фаза реагирует с ранее выпавшими кристаллами, в результате чего образуется новая твердая фаза. В этом случае, как и при эвтектическом превращении, С=К-Ф+1=2-3+1=0, т. е. температура и составы реагирующих фаз постоянны. Такое превращение называется перитектическим.

Рис. 5.7. Участки диаграмм состояния сплавов, испытывающих перитектическое превращение: а - кристаллизация твердого раствора α в результате перитектического пре-

вращения Жа+β→аb;	б – кристаллизация неустойчивого химического соединения А3В4 в
результате превращения	перитектического типа Жа+ А2В3 → А3В4

Участок диаграммы для сплавов, испытывающих перитектическое превращение, показан на рис. 5.7, а. Видно, что в сплаве состава т. b при пересечении перитектической горизонтали (аbс) происходит перитектическое превращение

Жа + βc→охл αb,

(5.5)

Для получения однофазной а структуры необходимо, чтобы относительные количества реагирующих фаз (Qж и Qβ) и удовлетворяли соотношению Qж/Qβ=bc/ab. В сплавах из интервала a-b это отношение нарушаётся из-за избытка жидкой фазы, например, в сплаве состава X Qж/Qβ=1c/a1>bc/ab. Поэтому

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В 55 Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

в этих сплавах в результате перитектического превращения сохраняется часть жидкой фазы:

Жа + βc→охл αb + Жа,

(5.6)

икристаллизация заканчивается лишь при дальнейшем охлаждении до т.2.

Всплавах из интервала b-с при перитектическом превращении в избытке

находятся кристаллы β, поэтому кристаллизация заканчивается согласно реакции

Жа + βc→охл αb +βc

(5.7)

На рис. 5.7, б показан участок диаграммы, где компоненты А и В образуют два химических соединения различного состава - А3В4 и А2В3. Видно, что соединение А2В3 при нагревании до температуры плавления (т. d) расплавляется, переходит непосредственно в жидкую фазу. Такие соединения называются устойчивыми. Соединение А3В4 при нагреве до т. b разлагается на жидкую фазу и кристаллы А2В3. Такие соединения называются неустойчивыми. Видно, что кристаллизация неустойчивого химического соединения происходит по перитектической реакции:

Жа + А2В3→охл А3В4

(5.7)

В сплавах, расположенных левее и правее перитектической точки b, в результате перитектического превращения остаются избыточные фазы Ж или А2В3 соответственно (по причине, обсужденной выше).

Подводя итог сказанному в предыдущих разделах, отметим, что любые сложные реальные диаграммы состояния состоят из «типовых блоков», умение анализировать которые позволяет расшифровать диаграмму в целом. Рассмотренные выше диаграммы состояния и являются такими блоками.

5.8. О ПРАКТИЧЕСКОМ ЗНАЧЕНИИ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ

В главе 4 подчеркивалось, что свойства сплавов в первую очередь зависят от их фазового состояния, т. е. от типа (и, конечно, количества и свойств) фаз, из которых они состоят. Из предыдущих разделов данной темы следует, что вид диаграмм состояния также зависит от того, какие фазы образуются при сплавлении компонентов. Отсюда, между видом диаграмм состояния и свойствами сплавов должна существовать определенная связь.1

Многочисленные исследования приводят к зависимостям, показанным на рис. 5.8. При неограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии (рис. 5.8, а) зависимость свойств от химического состава сплавов в данной системе (А-В) имеет криволинейный характер с экстремумом, приходящимся при-

1 Изучение этой связи положено Н. С. Курнаковым в основу физико-химического анализа.

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

56

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

мерно на равное соотношение компонентов. Это обусловлено тем, что увеличение количества атомов компонента В в решетке компонента А (т. е. в твердом растворе а) приводит к росту внутренних напряжений, что сопровождается повышением прочности σв, твердости НВ, электросопротивления ρ и снижением пластичности δ - все это подробно обсуждалось в разделе 4.3.

В случае изоморфных компонентов, которым присуща неограниченная взаимная растворимость компонентов в твердом состоянии (см. раздел 4.2.1), твердый раствор а, содержащий более 50 % компонента В, можно рассматривать как твердый раствор А в В. Тогда дальнейшее увеличение концентрации В в сплаве эквивалентно снижению концентрации А в решетке В - при этом происходит уменьшение внутренних напряжений, соответственно снижается прочность и твердость, повышается пластичность.

Рис. 5.8. Связь между свойствами сплавов и видом их диаграмм состояния

В гетерогенных сплавах, состоящих из смеси различных фаз, свойства в зависимости от состава меняются по линейному закону (рис. 5.8,б). Такая зависимость объясняется тем, что каждая фаза имеет свои индивидуальные неизменные свойства, а свойства смеси фаз (сплава) определяются их относительными количествами (см. раздел 4.3, в частности формулы (4.4) и (4.5)). Количество же каждой фазы линейно изменяется с изменением состава сплава («правило отрезков», раздел 5.4).

При образовании химического соединения происходит резкое, экстремальное изменение свойств, так как такой сплав качественно (типом решетки, свойствами) отличается от исходных компонентов (см. разделы 4.2.2 и 4.3). Поэтому на зависимостях свойств от состава при концентрации компонентов, соответствующей образованию химического соединения, наблюдается острый

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

57

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

экстремум - переломная точка (рис. 5.8, в; в отличие от плавного изменения свойств при образовании твердых растворов - рис. 5.8, а). В остальных частях сложной диаграммы (рис. 5.8, в) свойства изменяются согласно рассмотренным выше закономерностям для сплавов - твердых растворов и механических сме-

сей (т. е. рис. 5.8, а, б).

Таким образом, из рис. 5.8 следует, что знание диаграмм состояния позволяет прогнозировать свойства сплавов. Это имеет огромное значение при разработке сплавов с заданными свойствами.

Например, если требуется создать сплав для проволочного электронагревателя (или сопротивления - резистора), необходимо выбрать такие компоненты, которые неограниченно растворяются друг в друге в твердом состоянии (это можно сделать, воспользовавшись справочной литературой по диаграммам состояния; в настоящее время опубликовано несколько тысяч диаграмм состояния различных компонентов). Сплавив такие компоненты примерно в одинаковых количествах, получим сплав - твердый раствор, обладающий максимальным электросопротивление (рис. 5.8,а). Поскольку твердые растворы обладают высокой пластичностью, они хорошо поддаются обработке давлением, т. е. элемент электросопротивления может быть изготовлен в виде проволоки или ленты.

Многие химические соединения также обладают высоким электросопротивление (рис. 5.8, в), но низкая пластичность не позволяет обрабатывать их давлением. В этом случае элементы электросопротивления можно изготавливать методами порошковой металлургии.

Этот примёр показывает, что знание диаграммы состояния дает возможность предусмотреть и технологию изготовления изделий (полуфабрикатов) из сплавов различного состава. Приведем еще один пример на эту тему.

Известно, что сплавы, содержащие в структуре эвтектику,1 обладают хорошими литейными свойствами, в частности высокой жидкотекучестью (заполняемостью формы), так как их кристаллизация происходит при постоянной и наиболее низкой температуре в данной системе (раздел 5.5). Поэтому по технологическими свойствам сплавы, в процессе кристаллизации испытывающие эвтектическое превращение (состав в интервале 3-4 и 4-5, рис. 5.8,в), следует отнести к группе литейных, а сплавы со структурой твердого раствора (интервал 1-3 и 5-7) - к группе обрабатываемых давлением (деформируемых). Если при этом мы говорим о различии свойств сплавов с одинаковым фазовым со-

1 Именно такими являются хорошо известные литейные сплавы - чугуны и силумины, которые будут обсуждаться при дальнейшем изучении курса.

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

58

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

ставом (например, сплавы из интервала 2-3 и 3-4 состоят из фаз α и АпВт), то, очевидно, что это обусловлено особенностями их строения - структуры.

В предыдущих разделах мы убедились в том, что формирование окончательной структуры сплавов различного состава также определяется видом диаграммы состояния. Например, при медленном охлаждении сплавов, принадлежащих интервалу 2-3 (рис. 5.8, в), вторичные кристаллы химического соединения (АпВт) располагаются обычно по границам зерен твердого раствора а (см. раздел 5.5). Так как кристаллы химических соединений обладают повышенной хрупкостью, то такая структура может приводить к растрескиванию металла при пластическом деформировании. Это ограничивает круг сплавов, обрабатываемых давлением, составами 1-2, или чуть правее т. 2, где количество АпВт минимально. И, если продолжить разговор о сплавах из интервала 2-3, то здесь диаграмма состояния дает еще один важный пример своей полезности.

Действительно, если сплав из интервала 2-3 (например, состава X; рис. 5,8, в) нагреть выше линии предельной растворимости (2-3) до однофазного а состояния, а затем охладить быстро (закалить), то кристаллы АпВт не успеют образоваться, и при комнатной температуре сохранится однофазная структура α. Полученный закалкой твердый раствор будет пересыщен компонентом В (так как его количество X выше равновесной концентрации 2), т. е. неравновесным. Поэтому при длительной выдержке, особенно если несколько нагреть такой сплав (такая термообработка называется старением), диффузионные процессы приведут к выделению мелких частиц твердой фазы АпВт. Эти частицы, создавая препятствия скольжению дислокаций, повышают твердость и прочность сплава (см. раздел 4.3).

Таким образом, все сплавы, на диаграммах состояния которых имеются линии, указывающие на изменение растворимости в твердом состоянии (типа линии 2-3' на рис. 5.8, в), принципиально могут быть упрочнены путем закалки и старения.1

По-видимому приведенных примеров достаточно, чтобы убедиться в исключительно важном практическом значении диаграмм состояния. В дальнейшем, при изучении конкретных сплавов, круг этих примеров будет расширен. Следует, однако, остановиться на некоторой ограниченности рассмотренных закономерностей, связывающих свойства сплавов с видом диаграмм состояния

(рис. 5.8).

Во-первых, диаграммы состояния не дают полных сведений о всех дета-

1 Типичным примером таких сплавов является дуралюмин, упрочнение которого термической обработкой подробно рассматривается в курсе «Материаловедение».

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

59

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

лях структуры сплавов, например, в зависимости от реальных условий кристаллизации сплав данного состава с одними и теми же структурными составляющими может иметь различный размёр зерна и, соответственно, различные свойства.

Во-вторых, сами диаграммы состояния и указанные закономерности строго относятся к сплавам, находящимся в равновесном состоянии. На практике сплавы используются в состояниях, которые, как правило, не достигают истинно равновесного. Это происходит либо в силу специфики технологических процессов (высокие скорости нагрева и охлаждения, быстрота производимых операций), либо осуществляется специально для получения необходимых свойств, например, при закалке (см. выше).

Однако при длительной выдержке в процессе эксплуатации или при последующей термической обработке (например, старении, см. выше) неравновесные сплавы стремятся к равновесному, устойчивому состоянию.1 В этих условиях диаграммы состояния позволяют предвидеть направления, в которых должны изменяться структура и свойства сплавов.

Таким образом, диаграммы состояния имеют исключительно важное значение, так как дают сведения о структуре и свойствах сплавов. Диаграммы состояния можно считать основным инструментом теоретического и прикладного материаловедения. Поэтому умение анализировать, «читать» диаграммы состояния является одним из главных условий успешного освоения основ материаловедения.

Этой важной темой, позволяющей закономерно связать химический состав и структуру сплавов с их свойствами, завершается учебное пособие. В нем даны фундаментальные сведения о строении и свойствах сплавов, составляющие основу металловедения.2

Знание рассмотренных здесь представлений и закономерностей необходимо для изучения структуры и свойств конкретных промышленных сплавов.

1Вспомним, что такое состояние характеризуется минимумом свободной энергии (глава 2).

2Стремление к доступности изложения материала (обязательное для учебной литературы, предназначенной студентам, обучающимся без отрыва от производства) может отражаться на строгости интерпретации отдельных вопросов. При необходимости более детального изучения соответствующих разделов программы следует обратиться к основным учебникам по курсу «Материаловедение» (или «Металловедение»):

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

60

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

ЛИТЕРАТУРА

1.Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. - М.: Машино-

строение, 1990. - 528с.

2.Материаловедение./ Под ред. Б. Н. Арзамасова. - М.: Машиностроение, 1986. - 384 с.

3.Гуляев А. П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1986. - 544 с.