4. Металлические сплавы

4.1. Основные положения

Чистые металлы в большинстве случаев не обеспечивают требуемого комплекса механических и технологических свойств, поэтому для изготовления деталей машин наибольшее распространение получили металлические сплавы. При изучении сплавов пользуются специальными терминами.

Системойназывают группу сплавов, выделяемую для изучения их строения и свойств.

Компонентаминазывают вещества, образующие систему. Компонентами могут быть чистые металлы, неметаллы, устойчивые химические соединения. Например, в сплавах железа с углеродом компонентами будут железо (чистый металл) и карбид железаFe₃C(химическое соединение).

Фаза– однородная часть сплава, имеющая свои состав, свойства и видимую границу раздела. Сплавы могут быть однофазными, когда все кристаллы однородны, имеют один состав и одинаковые свойства, а границы позволяют судить об их форме и размерах. Существуют двух- и многофазные сплавы, если они состоят из различных по составу и свойствам кристаллов.

Структурная составляющая– это однородная часть строения, образовавшаяся в результате первичной или вторичной кристаллизации сплава как из жидкого, так и из твердого раствора. В системе сплавов Fe–Fe₃Cфазы, как и структурные составляющие, имеют названия и обозначения, единые в мире.

Все сплавы образуют твердые растворы, химические соединения и механические смеси.

Твердым растворомназывается сплав, в котором атомы растворенного компонента или компонентов находятся в кристаллической решетке компонента растворителя. Кристаллическую решетку строит один компонент сплава – растворитель. Другой компонент (или компоненты) своими атомами размещается в этой решетке, изменяя ее размеры (параметры).

Твердые растворы мягки и пластичны. Благодаря высокой пластичности они хорошо поддаются ковке и другим видам обработки давлением. Литейные свойства и обрабатываемость резанием у твердых растворов низкие.

В системе железоуглеродистых сплавов существуют два твердых раствора. Твердый раствор углерода в альфа-железе называется ферритом. Альфа-железо растворяет углерода очень мало: от 0,006 % при 0С до 0,025 при 727С, поэтому феррит можно считать технически чистым железом. Твердость феррита (как и железа) – НВ80.

Твердый раствор углерода в гамма-железе называется аустенитом. Раст-воримость углерода в гамма-железе значительно больше – до 2,14 % при 1147С. При обычных условиях аустенит в железоуглеродистых сплавах может существовать только при температуре выше 727С. Как все твердые растворы, феррит и аустенит пластичны (= 40 – 50 %).

Химические соединения– это фазы, состав которых выражается химической формулой А_nВ_m, где А и В – химические элементы;nиm– простые числа. Так, в системе железоуглеродистых сплавов карбид железаFe₃C– цементит – в десять раз тверже чистого железа, твердость его – более НВ800.

Механическая смесь(сплав-смесь). Механические сплавы-смеси имеют хорошие литейные свойства. Сплав-смесь, образующийся из жидкости в результате первичной кристаллизации, называетсяэвтектикой, которая возникает при определенных температуре и концентрации компонентов сплава. Сплав-смесь, образованный из твердого раствора при вторичной кристаллизации сплава, называетсяэвтектоидом, который, как и эвтектика, имеет постоянный химический состав и определенную температуру образования.

В системе железоуглеродистых сплавов эвтектическая смесь кристаллов аустенита и цементита называется ледебуритом, который образуется при температуре 1147С и соответствует концентрации 4,3 % углерода. Второй сплав-смесь – эвтектоидная смесь кристаллов феррита и цементита – называетсяперлитом. Температура образования перлита – 727С, а концентрация углерода в нем – 0,8 %.