Классификация сплавов.
Сплавы принято разделять, так и металлы, прежде всего на черные и цветные, причем в последние входят и легкие сплавы. Сплавы подразделяются на группы в зависимости от того, какой металл является основой сплава. Наиболее важными группами сплавов считают следующие:
1. Чугуны и стали – сплавы железа с углеродом и другими элементами;
2. Бронзы и латунь – сплавы меди с различными элементами;
3. Сплавы алюминия с различными элементами;
4. Сплавы магния с различными элементами;
5. Сплавы на основе титана;
6. Сплавы на основе цинния
В настоящие время наиболее широкое применение находят сплавы первой группы, т.е. сплавы черных металлов: около 73% всех отливок по массе изготавливают из чугуна и около 20%- из стали. Таким образом, на долю остальных групп сплавов приходится сравнительно небольшая часть общей массы отливок.
В химическом составе сплава различают основные элементы ( например, Fe и С в чугуне и стали), постоянные примеси, наличие которых обусловлено процессом производства сплава и случайные примеси, попавшие в сплав вследствие тех или иных причин.
Вредные примеси в каждом сплаве оказывают влияние на свойства и качество сплава и содержание их в сплаве должно быть ограничено. Таким образом, для каждого сплава устанавливается пределы содержания основных элементов и наибольшее допустимое содержание постоянных примесей, оказывающих вредное влияние на свойства сплава. Что касается случайных примесей, то их стремятся иметь меньше. Химические составы сплавов указаны в ГОСТах и технических условиях. Все сплавы маркируются, для сталей литейных в маркировку введена буква Л.
В магниевых сплавах буквы в марке сплава обозначают:
ПЧ – сплав повышенной чистоты,
ОН – сплав общего назначения,
Л – литейный сплав.
В зависимости от химического состава алюминиевые литейные сплавы разделяются на пять групп:
I – сплавы на основе системы Al – Si;
II – сплавы на основе системы Al – Si – Cu;
III - сплавы на основе системы Al – Cu;
IV - сплавы на основе системы Al – Mg;
V - сплавы на основе системы Al – прочие элементы.
Для изготовления отливок на медной основе используются оловянные бронзы, без оловянные бронзы, латуни. В обозначение марки бронзы введены буквы Бр. В обозначении марки латуни первая буква «Л» обозначает латунь, другими буквами указаны основные элементы сплава.
Строение сплавов и понятие о диаграммах состояния.
Современные представления о строении сплавов и его связи со свойствами сплавов в значительной степени основаны на положениях, выдвинутых русскими учеными А. С. Лавровым (1866г) и Д. К. Черновым (1878г), а так же последующих работах выдающихся русских ученых Н. С. Курнакова, А. А. Байкова, А. М. Бочвара и А. А. Бочвара. На свойства сплава оказывают большое влияние природа и особенности составляющих веществ. В сплавах принято различать первичную структуру, приобретаемую сплавом при его затвердевании и вторичную структуру, получающуюся или в процессе охлаждения сплава, или при последующей тепловой (термической) обработке.
Для того чтобы легче представить себе строение (структуру) сплавов, следует прежде всего ознакомиться со строением металлов, так как между сплавами и металлами много общего.
Металлы имеют кристаллическое строение, но атомы в них размещены в строгом, геометрически правильном порядке и удерживаются на месте взаимного притяжения (сцепления). Различие в свойствах металлов обусловлено природой атомов, порядком их расположения и расстояния между ними. Порядок расположения атомов характеризуется пространственной или кристаллической решеткой, состоящей из многих элементарных ячеек. Это может быть
- объемно-центрированный куб,
- гранецентрированный куб,
- гексагональный с плотной упаковкой параллелепипед.
Нужно иметь в виду, что такое изображение ячеек кристаллической решетки является условным, так как на самом деле никаких линий между атомами нет, они почти соприкасаются друг с другом и, кроме, не находятся в покое, а непрерывно колеблются около своего местоположения. При нагревании колебания атомов усиливаются, усиливаются расстояния между ними и кристаллы начинают изменять свою форму.
Сразу после расплавления строения жидкого металла остается сходный с тем, которое было у твердого металла остается, но контактная связь между атомами ослабевает, и металл становиться жидкотекучим. При дальнейшем нагреве жидкого металла его кристаллическое строение полностью нарушается, а при достижении температуры кипение атомы металла переходят в парообразное состояние.
Металлы чаще всего кристаллизуются в кубический объемно-центрированной ячейке (у W, Mo, Cr, Fe до t=910 градусов Цельсия, а у Тi при температуре выше 882 градусов Цельсия), кубической гранецентрированной ячейке (у Al, Cu, Ni, Pb, Fe при температуре выше 910 градусов Цельсия) и гексагональной (Be, Cd, Mg, Zn, Ti при температуре 882 градусов Цельсия).
Как следует из рисунка, где темными кружками показано положение атомов, в металле, имеющим объемно-центрированной кристаллической решеткой атомы расположены по углам куба и в центре всех его шести граней, то есть решетка представляет собой куб с центрированными гранями.
Гексагональная плотноупакованная решетка представляет собой шестигранную призму, в которой атомы расположены в углах, а так же в центре шестигранных оснований призмы. Внутри призмы ещё имеется при атом. Расстояние между атомами у большинства атомов колеблется в пределах 2,2 – 6 А (ангстрема – 1А = 10-7мм). Ввиду этого строения металлов нельзя установить даже с помощью сильного микроскопа, для этой цели применяют рентгеновские лучи.
Такие металлы, как Fe и W, в зависимости от температуры, до которой они нагреты, могут иметь кристаллическую решетку центрированного куба или куба центрированного куба (α-железо), при температуре 910оС образуется решетка куба с центрированными гранями (γ-железо), которая при последующем нагреве (до t=1400оС) снова переходит в решетку центрированного куба (δ-железо), сохраняющуюся до температуры плавления Fe. Такие превращения структуры металла в твердом состоянии называются аллотропическими, а температуры, при которых происходят такие превращения – критическими температурами или критическими точками. Главное отличие α-Fe от γ-Fe состоит в том, что первая модификация (видоизменение) обладает магнитными свойствами до t= 768оС, но почти не образует твердых растворов с углеродом (в нем растворяется не более 0,04 % С); вторая модификация Fe не имеет магнитных свойств, но способна образовать твердый растворы с углеродом в количестве до 2%. Это обстоятельство объясняет тем, что в γ-Fe расстояние между некоторыми атомами в кристаллической решетке больше, чем в α-Fe, а поэтому атомы углерода имеют возможность проникать внутрь кристаллической решетки Fe, образуя с ним твердый раствор.
При рассматривании строения металла или сплава под микроскопом видны на отдельные кристаллы, а кристаллические образования, называемые кристаллитами или зернами. Процесс перехода металла или сплава из жидкого состояния в твердое состоит из образования центров или зародышей кристаллитов, причем размеры и форма кристаллитов (зерен) зависят помимо природы металла или сплава от скорости затвердевания и других факторов. Чем ниже скорость затвердевания металла или сплава (медленнее его охлаждения) тем меньше зародышей в нем возникает и тем крупнее будут зерна так как они имеют больше времени для своего роста.
При большой скорости охлаждения, наоборот, получается мелкозернистая структура. По этой причине строение металла или сплава, отлитого в металлическую форму, будет более мелкозернистым, чем при заливке в песчаную форму (см. рис)
Строение сплавов более сложно, чем чистых металлов. Как уже указывалось, компоненты составляющие сплав, могут при затвердевании образовать механическую смесь, твердый раствор или химическое соединение, причем в зависимости от характере образования структурных составляющих будут изменяться свойства сплава.
Механическая смесь – это такая структурная составляющая сплава, при которой кристаллиты одного компоненты расположены между кристаллами другого и могут быть различны при рассмотрении под микроскопом. Такая структура образуется в тех случаях, когда происходит разделенное выделение обоих компонентов из жидкого раствора, т. Е. каждый компонент затвердевает сам по себе, сохраняя свою кристаллическую решетку (см. рис.)
Твердым раствором называется такая структура составляющая, в которой атомы одного компонента располагаются в кристаллической решетке другого, образуя кристаллическую решетку (см. рис.) если сплав (твердый раствор) рассматривать под микроскопом, то будут видны однородные кристаллиты твердого раствора, в которых компоненты сплава не будут различимы.
Химическое соединение, так же как и твердый раствор, имеет однородную структуру, а кристаллическая решетка включает в себя атомы обоих компонентов. Но в кристаллической решетке химического соединения атомы каждого компонента находятся в строго определенном количестве и расположены всегда одинаково. Так химическое соединение, железа с углеродом (Fe3C) три атома железа приходятся на один атом углерода, а в соединении меди с магнием (Сu2Mg) два атома меди приходятся на один атом магния. Следовательно, химическое соединение имеет постояный состав, который может быть выражен химической формулой. Кристалическая решетка химическое соединение отличается от решеток исходным элементом, поэтому, поэтому химическое соединение рассматривают как самостоятельную структурную состовляющую сплава, которая может существовать в сплавах наряду с механической смесью и твердым раствором.