6.4. Зависимость между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния. Правило н.С. Курнакова.

Правило Н.С. Курнакова устанавливает связь между типом диаграммы состояния и характером изменения физико–механических свойств сплавов в зависимости от содержания в них компонентов. Схематично эти зависимости представлены на рис.6.8.

При образовании смесей значения твердости, прочности, электропроводности и некоторых других свойств изменяются прямолинейно в зависимости от концентрации компонентов.

При образовании твердых растворов свойства сплавов изменяются по криволинейной зависимости. Образование твердых растворов всегда сопровождается увеличением удельного электрического сопротивления, у сплавов оно всегда выше, чем у компонентов, образующих этот сплав.

При образовании химического соединения на кривой изменения свойств наблюдается «перелом» при концентрации компонентов, соответствующей химическому соединению, поскольку его свойства резко отличаются от свойств компонентов.

6.5. Диаграммы состояния сплавов, упрочняемых термической обработкой.

Упрочнение связано с превращениями, происходящими в сплавах в твердом состоянии, которые изменяют структуру и, следовательно, свойства сплавов. Эти превращения делятся на диффузионные ибездиффузионные.

При бездиффузионныхпревращениях атомы перемещаются на весьма малые расстояния, не более 1…2 периодов кристаллической решетки. Скорость превращений очень велика и значительно превосходит скорости нагрева и охлаждения сплавов при термической обработке, поэтому управлять такими превращениями или регулировать их весьма трудно или невозможно.

При диффузионных превращениях атомы перемещаются на значительные расстояния (до нескольких мм), эти превращения протекают медленно. Поэтому степень прохождения этих превращений можно регулировать при термической обработке, изменяя скорость нагрева или охлаждения, температуру или время выдержки.

Методы упрочнения связаны с созданием препятствий перемещению дислокаций. Это достигается за счет разных механизмов - перекристаллизации, дисперсионного твердения, мартенситного превращения (эти механизмы реализуются при термической обработке), а также за счет наклепа, при пластической деформации.

В этом параграфе рассматриваются перекристаллизация и дисперсионное твердение. Мартенситное превращение, наиболее характерное для сталей, рассматривается ниже (см. 8.3.2 и 11.1).

Перекристаллизация — это изменение типа кристаллической решетки, происходящее при полиморфном бездиффузионном превращении.

Перекристаллизация возможна в сплавах типа твердый раствор, если компонент растворитель претерпевает при нагреве полиморфное превращение, т.е. изменение кристаллической решетки. Диаграммы состояния имеют три области существования сплавов в твердом состоянии (например, система «Fe – Cr» рис. 6.9). Две - это области существования однофазных твердых растворов замещения (В в А) на основе разных кристаллических решеток компонента-растворителя (А) – α и γ, а также переходной двухфазной области, в которой происходит α→γ - превращение.

Упрочнение достигается за счет измельчения зерна в результате изменения типа кристаллической решетки, т.е. при образовании новой фазы. Так, в исходном состоянии сплав имеет крупнозернистое строение. При его нагреве до t₁ начинается α→γ превращение. Вновь образующаяся γ-фаза возникает по границам исходной α-фазы и имеет меньшую величину зерна. Превращение заканчивается при нагреве до t₂, при этом структура сплава представлена только мелкозернистой γ-фазой. При охлаждении происходит обратное γ→α превращение и вторичное измельчение зерна. Мелкозернистые структуры обладают повышенной прочностью, т.к. границы зерен являются барьерами для дислокаций. Измельчение зерна повышает также пластичность.

Дисперсионное твердение — это упрочнение сплава за счет выделения из пересыщенного твердого раствора большого количества мельчайших частиц второй дисперсной (т.е. очень мелкой) фазы – диффузионного процесса. Прочность возрастает за счет того, что эти частицы препятствуют перемещению дислокаций. Дисперсионное твердение возможно для сплавов типа «твердый раствор с ограниченной растворимостью».

В исходном состоянии частицы второй фазы крупные (рис. 6.10). Упрочнение достигается нагревом в однофазную область (выше линии предельной растворимости – выше температуры t₁), при этом частицы второй фазы растворяются в твердом растворе. Образуется однофазная структура, которая фиксируется последующим быстрым охлаждением, т.е. закалкой. Выделение второй фазы подавляется из-за быстрого охлаждения, поэтому при комнатной температуре получается структура пересыщенного твердого раствора. Выделение вторичной фазы происходит при старении – естественном (при температуре цеха) или искусственном - при нагреве (обязательно ниже температуры t₁) до температур, вызывающем выделение второй фазы, но не ее рост. В результате получается структура с зернами твердого раствора и мельчайшими частицами второй фазы.

Таким образом, упрочняющая термическая обработка включает две операции: закалку и старение.

Этот механизм упрочнения реализуется для алюминиевых сплавов, быстрорежущих сталей и др.