Рекомендована література

[1. с. 88 –139; 3. с. 49 – 70; 4. с. 20 – 26; 5. с. 62 – 63, 69 – 90; 6. с. 67 – 75; 7. с. 6 – 8 ]

Поняття про сплави, умови їх створення та способи одержання. Металічні сплави представляють собою поєднання двох або кількох компонентів (металів і неметалів), у яких зберігаються металеві властивості.

Більшість сплавів одержують в рідкому стані шляхом сплавляння, проте можуть бути одержані шляхом спікання, електролізу, конденсації.

Переваги сплавів, як конструкційних матеріалів, перед чистими металами. Чисті метали у більшості випадків не володіють необхідним комплексом механічних та технологічних властивостей і тому рідко використовуються для виготовлення виробів. В більшості випадків в техніці застосовують сплави.

Використання сплавів обумовлене ще й тим, що крім наявності у них специфічних властивостей або їх поєднання, властивості сплавів можна змінювати при допомозі пластичної деформації, термічної або термомеханічної обробки значно сильніше ніж металів.

Будова сплавів: механічні суміші, тверді розчини і хімічні сполуки та їх характеристики. У твердому стані в сплавах можуть утворюватись тверді розчини, хімічні сполуки та механічні суміші.

Твердим розчином двох (або більше) компонентів називають однорідне тверде тіло, що має певний тип кристалічної ґратки (ОЦК, ГЦК, ГПУ та ін.). Тверді розчини представляють собою однофазні сплави змінного хімічного складу, в яких зберігається кристалічна решітка одного з компонентів. Речовина, кристалічна решітка якої зберігається у твердому розчині, називається розчинником. Розрізняють тверді розчини заміщення та тверді розчини впровадження.

Тверді розчини заміщення. В цьому випадку атоми розчиненого компонента займають частину вузлів кристалічної ґратки розчинника – заміщують його атоми (слайд 1.2-1). Такі розчини утворюються при умові різниці атомних радіусів компонентів не більше як на 8...15 % і тому є обмеженими. Цей вид твердих розчинів може мати постійну і змінну взаємну розчинність компонентів при зміні температури.

Тверді розчини впровадження утворюються між металами і неметалами (вуглець, азот, водень), які характеризуються малими атомними радіусами порівняними за розмірами з порами у кристалічній решітці металів. Як правило, утворюються тверді розчини впровадження на базі перехідних металів (Fe, Co, Mn та ін.). Атоми розчиненого компонента “розсовують” атоми розчинника – параметри його кристалічної ґратки збільшуються (слайд 1.2-2).

Розчинність у твердому стані може бути обмеженою і необмеженою. При утворенні твердих розчинів властивості сплавів можуть змінюватись плавно в залежності від складу елементів і відрізняються від властивостей чистих металів, з яких вони утворені.

Хімічні сполуки – це поєднання компонентів у їх строгому масовому співвідношенні, що виражаються відповідною формулою A_mB_n (розташування атомів компонентів у кристалічній решітці строго впорядковане), утворюють нову упаковку, що відрізняється від кристалічних ґраток елементів, що сплавляються і мають постійну температуру плавлення. Прикладом хімічної сполуки є карбід заліза Fe₃C.

Механічна суміш. Якщо при затвердінні компоненти сплаву не взаємодіють між собою, то утворюється механічна суміш зерен кожного із компонентів. Механічна суміш сплаву може складатися із двох і більшого числа фаз. При цьому кожна з фаз зберігає свій тип кристалічної ґратки. Сплави – механічні суміші – неоднорідні і можуть мати змінний відсотковий вміст компонентів. Такі суміші утворюються при значній різниці атомних радіусів елементів і температур плавлення.

Поняття про діаграми стану, методи їх побудови та одержувані з їх допомогою відомості про будову і властивості сплавів. Як зазначалося раніше, теоретичні основи розробки діаграм стану сплаві були закладені ще Д.К. Черновим, який вивчав структурні та фазові перетворення в сталях при нагріванні.

Агрегатні та фазові стани сплавів згідно закону Гіббса визначаються температурою і хімічним складом. Взаємозв’язок фазового складу і змінних факторів описується діаграмою стану сплаву. Діаграма стану представляє собою графічне зображення фазового стану сплавів в залежності від температури і концентрації в умовах рівноваги.

За діаграмою стану сплавів можна оцінювати властивості всіх сплавів системи, прослідкувати за перетвореннями, що відбуваються при їх нагріванні і охолодженні, визначити температуру початку та кінця плавлення (затвердіння) сплаву, з’ясувати, чи буде сплав однорідним тощо. Діаграма стану дозволяє вибирати температуру нагрівання сплаву при термічній обробці сплаву, при обробці тиском, температуру нагрівання для лиття.

Побудова діаграми стану здійснюється за кривими охолодження, одержаними шляхом термічного аналізу. Діаграми стану часто називають діаграмами фазової рівноваги, оскільки критичні точки визначаються при надто повільному нагріванні або охолодженні сплавів системи. Діаграма стану будується в системі координат, де по вертикалі розташовують шкалу температур, а по горизонталі – вісь концентрацій компонентів. При такій побудові діаграма відбиває стан сплаву будь-якої концентрації при будь-якій температурі.

Характеристика діаграми стану сплавів – механічні суміші. Для випадку, коли у твердому стані компоненти сплаву взаємно нерозчинні діаграма має наступний вигляд (слайд 1.2-3). Така діаграма складається із двох ліній: верхньої – ліквідус (рідкий) і нижньої – солідус (твердий). Плавлення і затвердіння сплавів-сумішей відбувається в інтервалі температур між цими лініями (ліквідусу і солідуса). Вище лінії ліквідусу сплав знаходиться в рідкому стані, а нижче лінії солідуса – в твердому. Тільки сплав з концентрацією компонентів, що відповідає точці С, плавиться і твердне при постійній температурі, як і чисті метали. Цей сплав після затвердіння складається із суміші мілких зерен обох компонентів. Така суміш зветьсяевтектикою(з грецької “легкоплавкий”), а сплав –евтектичнимі має найнижчу температуру плавлення.

Характеристика діаграми стану сплавів – твердих розчинів. Діаграма стану сплавів, компоненти яких А і В володіють необмеженою розчинністю один в одному має наступний вигляд (слайд 1.2-4). Вище лінії ліквідусу сплави знаходяться в однофазному рідкому стані, між лініями ліквідусу і солідусу – в двохфазному стані (кристали твердого розчину і рідина) і нижче лінії солідусу – в однофазному твердому стані: із зерен твердого розчину компонентів А і В. Сплави – тверді розчини на відміну від чистих компонентів затвердіють і плавляться в інтервалі температур між лініями ліквідусу і солідусу. У випадку обмеженої розчинності компонентів на діаграмі стану нижче лінії солідусу буде ще одна лінія, що відображає цю розчинність.

Характеристика діаграм склад – властивість. Практична цінність діаграм стану полягає ще й у тому, що поряд з відображенням агрегатного і фазового стану сплавів, вона відображає зміну їх властивостей. Вперше цей зв’язок встановив Н.С. Курнаков у вигляді діаграм “склад – властивість” (Л.2 – с. 8). Так для сплаву – механічні суміші властивості (твердість, електропровідність і ін.) змінюються за лінійним законом. В сплавах – тверді розчини ці властивості змінюються по кривій з максимумом або мінімумом.

Встановлено, що тверді розчини володіють підвищеною пластичністю, тому добре обробляються тиском. Наявність евтектики в сплавах, навпаки, робить їх більш крихкими, але покращує ливарні властивості.

Лекція 1.3 Діаграма стану залізо - вуглець. Будова, властивості та застосування вуглецевих сталей і чавунів

Мета: Ознайомити студентів із значенням діаграми стану залізо-цементит, властивостями основних компонентів залізовуглецевих сплавів, особливостями побудови діаграми та її фазовими і структурними складовими.

1. Призначення діаграми стану залізо – цементит.

2. Характеристика компонентів: заліза і вуглецю.

3. Взаємодія заліза з вуглецем та характеристика фазових і структурних складових.

4. Особливості діаграми стану. Характеристика крапок і діаграми.

5. Перетворення в сталях і чавунах при нагріванні та охолодженні.

6. Взаємозв’язок будови і властивостей сплавів.

7. Практичне застосування діаграми.

8. Класифікація сталей за наступними ознаками:

а) хімічним складом; б) призначенням; в) якістю; г) способом виробництва; д) будовою; е) способами розкислення.

9. Поняття про вуглецеві сталі. Їх класифікація, будова, властивості, позначення, застосування.

10. Переваги і недоліки вуглецевих сталей.

11. Поняття про чавуни, їх класифікація за видом зламу і структурою.

12. Вплив домішок чавуну на його структуру і властивості.

13. Сірі чавуни, їх хімічний склад, будова, властивості, застосування.

14. Ковкий та високоміцний чавуни. Способи їх виготовлення, хімічний склад, будова, властивості, позначення, застосування.

15. Поняття про спеціальні чавуни.

16. Вплив домішок на властивості вуглецевих сталей.