Теория сплавов
Чистые металлы относительно редко применяют в машиностроении, так как не обеспечивают необходимого комплекса механических и технологических свойств изготовляемых из них деталей. Широко используют сплавы, состоящие из двух и более элементов (из двух металлов, например меди и цинка, или из металла и неметалла, например железа и углерода).
Элементы, входящие в сплав, называют компонентами.
Сплавы получают сплавлением компонентов, спеканием, электролизом и возгонкой. Компоненты, входящие в сплав, в жидком состоянии почти всегда растворяются друг в друге, образуя жидкий раствор. Атомы такого раствора равномерно перемешаны друг с другом. Свойства сплавов зависят главным образом от взаимодействия компонентов при затвердевании. При затвердевании сплавов образуется твердый раствор, химическое соединение или механическая смесь.
Твердый раствор. При переходе в твердое состояние в сплавах сохраняется однородность распределения атомов различных компонентов, а следовательно и свойство растворимости. При кристаллизации сплава атомы компонентов входят в единую ячейку кристаллической решетки, поэтому получаются однородные и одинаковые по составу зерна. Твердый раствор, как и чистый металл, имеет однообразную кристаллическую решетку. В кристаллической решетке чистого металла все узлы заняты атомами одного компонента, а в решетке твердого раствора — атомами компонентов, составляющих сплав. В твердых растворах растворимость компонентов не ограничена при любом их количественном соотношении (медь с никелем).
Свойства сплавов, образующих твердые растворы, изменяются плавно и отличаются от свойств компонентов, из которых они стоят. Они отличаются ценными свойствами. Они тверже и прочнее, чем входящие в них компоненты, обладают хорошей пластичностью, высоким электросопротивлением, не изменяющимся при изменении температуры, повышенным сопротивлением к коррозии. Благодаря высокой пластичности такие сплавы хорошо обрабатываются давлением.
Химическое соединение. Компоненты некоторых сплавов при кристаллизации могут входить в химическую связь, образуя химическое соединение. Например, железо с углеродом образуют химическое соединение Fe3C — карбид железа (цементит); медь с магнием — Cu2Mg; магний со свинцом — Mg2Pb и др.
Химическое соединение, как и твердый раствор, обладает однородной структурой. Кристаллическая решетка его включает атомы обоих компонентов. Однако в кристаллической решетке химического соединения, в отличие от твердого раствора, атомы каждого компонента находятся в строго определенном количестве и расположены всегда одинаково. Например, химическое соединение железа с углеродом Fe3C всегда состоит из трех атомов железа и одного атома углерода, соединение Mg2Pb всегда имеет два атома магния и один атом свинца. Таким образом, химическое соединение имеет постоянный состав и выражается химической формулой, а состав твердых растворов изменяется в широких пределах, твердый раствор не может быть выражен химической формулой. Кристаллическая решетка химического соединения отличается от решеток входящих в него компонентов, поэтому при образовании сплава оно рассматривается как самостоятельный компонент. Например, сталь — сплав, одним компонентом которого является железо, а другим — химическое соединение Fe3C (цементит).
Химические соединения обладают очень высокой твердостью и хорошим электросопротивлением. Иногда их твердость в 10 раз превышает твердость чистых компонентов. Так, например, железо с углеродом образует химическое соединение Fe3C, твердость которого в 10 раз выше твердости железа. Химические соединения вольфрама и титана с углеродом (карбиды), отличающиеся очень высокой твердостью, используются для изготовления режущих инструментов. В отличие от твердых растворов химические соединения характеризуются высокой хрупкостью, для обработки давлением они непригодны.
Механическая смесь. Отдельные компоненты в твердом состоянии не растворяются друг в друге (с образованием твердого раствора) и не входят между собой в химическую реакцию (с образованием химического соединения). При кристаллизации у каждого из таких компонентов создается своя, свойственная только ему одному кристаллическая решетка. Перемешиваясь друг с другом при постоянной температуре и определенном процентном соотношении, они образуют механическую смесь, в которой при рассмотрении под микроскопом видны отдельные компоненты. Так, механическая смесь РЬ — Sb образуется при температуре 246°С и соотношении компонентов: РЬ -87%, Sb—13%.
Механические смеси имеют хорошие литейные свойства. Особенно это относится к эвтектическим сплавам, которые обладают большей жидкотекучестью и меньшей температурой плавления, чем составляющие их компоненты.
Знание строения сплавов облегчает их выбор при изготовлении деталей машин и разработке технологических процессов. При изучении процессов, происходящих в металлах и сплавах в случае изменения их температуры и состава, пользуются такими понятиями, как компонент, система, фаза.
Системой в термодинамике называют совокупность веществ или тел, между которыми может беспрепятственно проходить обмен энергией и массой. В качестве системы может выступать химический элемент (сера, алюминий, водород), химическое соединение (Fe3C, вода, поваренная соль), сплав двух и более металлов (медь- никель, олово — свинец — сурьма), водный раствор (сахар в воде), смесь газов (воздух, состоящий из азота, кислорода, углекислого газа и пяти инертны газов).
Фазой называется часть системы, имеющая однородное строение и отделенная от других частей поверхностью раздела. В состав фазы может входить любое число компонентов, из которых состоит система. Система может содержать одну фазу и более. Однокомпонентные системы «сера», «алюминий», «поваренная соль» при комнатной температуре имеют одну твердую фазу, система «вода» в этих же условиях содержит одну жидкую фазу, а система «водород» — одну газообразную фазу. При температурах ниже нуля система «вода» также однофазна, имеет одну твердую фазу — лед. При нуле градусов эта система двухфазна, так как при этой температуре сосуществуют жидкая (вода) и твердая (лед) фазы.
Двухкомпонентная система «раствор сахара в воде» — однофазная, т. е. имеет одну жидкую фазу, если раствор ненасыщенный. Эта же система будет двухфазной при насыщенном растворе, содержащем нерастворившиеся кристаллы сахара, которые являются второй (твердой) фазой. Жидкая фаза в данном случае будет содержать два компонента (воду и сахар), а твердая только один (сахар).
Узловые критические точки
Диаграмма «железо-углерод» с пояснениями позволяет облегчить изучение кинематики формирования различных микроструктур. Фазовые диаграммы помогают металлургам понять, какие фазы являются термодинамически стабильными, метастабильными или нестабильными. Пользуясь ими, можно выбрать соответствующие элементы для легирования стали. Фазовые диаграммы показывают нам также, как решать такие проблемы, как межкристаллитная коррозия, горячая коррозия, водородное повреждение и т.п.
Характерной точкой на диаграмме является точка эвтектики — место, где встречаются несколько фаз. На диаграмме «железо-углерод» эвтектическая точка находится там, где пересекаются линии A1, A3 и ACM. Образование этих точек случайно.
В этих точках происходят эвтектические реакции, при которых жидкая фаза затвердевает и превращается в смесь двух твердых фаз. Это происходит при охлаждении жидкого сплава эвтектического состава до его эвтектической температуры.
Сплавы, образующиеся на этом этапе, известны как эвтектические сплавы. Слева от этой точки сплавы называются заэвтектическими, а справа – заэвтектическими.
Железоуглеродистые сплавы
2.1 Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов
Чугун и сталь — основные машиностроительные материалы. Они составляют 95% всех используемых в технике сплавов.
Чугун — сплав на железной основе. Принципиальное отличие чугуна от стали заключается в более высоком содержании в нем углерода (более 2,14%). Наибольшее распространение получили чугуны, содержащие 3- 3,5% углерода. В состав чугунов входят те же примеси, что и в сталь, т. е. кремний, марганец, сера и фосфор, но в несколько больших количествах. Углерод в чугуне может находиться в химическом соединении с железом либо в свободном состоянии в виде графита. Чугуны, у которых весь углерод находится в химическом соединении с железом, называют белыми (по виду излома), а чугуны, весь углерод которых или большая его часть представляют собой графит, получили название серых.
Сталь — сплавы железа с углеродом и другими элементами, содержащие до 2,14% углерода. Углерод — важнейшая примесь стали. От его содержания зависят прочность, твердость и пластичность стали. Кроме железа и углерода в состав стали входят кремний, марганец, сера и фосфор. Эти примеси обычно попадают в сталь в процессе выплавки и являются ее неизбежными спутниками. Если марганец и кремний необходимы по условиям технологии выплавки, то сера и фосфор относятся к вредным примесям, не поддающимся полному удалению. В малом количестве в стали постоянно присутствуют скрытые примеси: кислород, водород, азот. Чем меньше вредных примесей, тем выше качество стали. Различают стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.
В железоуглеродистые сплавы входят различные структурные составляющие, свойства которых обусловливают свойства стали и чугуна.
Феррит — твердый раствор небольшого количества углерода (до 0,04%) и других примесей в железе — мягкая, пластичная и недостаточно прочная структурная составляющая. Его относительное удлинение 5 =30%, твердость — 50÷80 НВ, предел прочности σв = 300 МПа (30 кгс/мм2). Практически это чистое железо. Механические свойства феррита в большой степени зависят от величины зерен. Феррит обладает магнитными свойствами (до температуры 768 °С).
Цементит (Fe3C) — химическое соединение железа с углеродом — карбид железа. Он содержит 93,33% железа и 6,67% углерода, отличается большой твердостью (800 НВ, т. е. в 10 раз тверже феррита) и значительной хрупкостью. Цементит слабо магнитен, а при температурах выше 215 °С — немагнитен. Углерод может проникать в железо двумя способами. Атомы углерода могут занимать в пространственной решетке свободные места между атомами железа. Однако при комнатной температуре в пространственной решетке железа может поместиться всего 0,0001 % углерода. Остальные атомы углерода проникают в железо другим путем — вступают с ним в химическую связь. При этом образуется карбид железа Fe3C (цементит), состоящий из трех атомов железа и одного атома углерода.
Феррит и цементит являются основными структурными составляющими железоуглеродистых сплавов. Они могут располагаться, например, в структуре стали каждый в отдельности или в виде равномерной механической смеси, которая называется перлитом. Такое название эта смесь получила потому, что шлиф ее при травлении имеет перламутровый отлив. Так как перлит образуется в результате процессов вторичной кристаллизации, его называют эвтектоидом (в отличие от эвтектики). Образование перлита происходит при температуре 727 °С. В нем содержится 0,8% углерода.
Перлит имеет две разновидности. Если цементит в нем расположен в виде пластинок, его называют пластинчатым, если же цементит расположен в виде зерен, перлит называют зернистым. Под микроскопом пластинки цементита кажутся блестящими, потому что обладают большой твердостью, хорошо полируются и при травлении кислотами разъедаются меньше, чем пластинки мягкого феррита. После травления можно наблюдать темные участки перлита в сочетании с ферритом или цементитом. Поскольку перлит состоит из феррита и цементита, его свойства определяются количеством этих составляющих. Феррита содержится в перлите в шесть раз больше, чем цементита. Механические свойства перлита зависят также от формы цементита. У пластинчатого перлита твердость составляет 180÷200 НВ, предел прочности σв — 800 МПа (80 кгс/мм2), относительное удлинение δ = 10÷12%. У зернистого перлита прочность и твердость несколько ниже, а пластические свойства выше. Так как перлит содержит железо, он обладает магнитными свойствами.
Если железоуглеродистые сплавы нагреть до определенных температур, произойдет аллотропическое превращение железа и образуется структурная составляющая, которая называется аустенитом.
Аустенит представляет собой твердый раствор углерода (до 2,14%) и других примесей в железе. Способность углерода растворяться в железе неодинакова при различных температурах. При температуре 1147 °С и выше в кристаллической решетке у железа может раствориться максимальное количество углерода (2,14%). При температурах ниже 1147 °С растворимость углерода в железе постепенно уменьшается, а избыточный углерод выделяется в виде цементита. При 727 °С железо может растворять не более 0,8% углерода. При этой температуре происходит распад аустенита с образованием перлита. Лишь в некоторых сталях, содержащих большое количество никеля или марганца, структура аустенита .может сохраниться и при температурах ниже 727 °С (вплоть до комнатной). Аустенит — мягкая структурная составляющая (хотя и тверже феррита). Его твердость — 180 НВ, относительное удлинение δ = 40÷50%. Он отличается большой пластичностью, магнитными свойствами не обладает.
В белых чугунах всегда имеется еще одна структурная составляющая — ледебурит. Это эвтектика, т. е. равномерная механическая смесь зерен аустенита и цементита, получающаяся в процессе кристаллизации. Ледебурит содержит 4,3% углерода. Он образуется при температуре 1147°С. Первоначальная структура его не сохраняется при температурах ниже 727 °С, так как содержащийся в нем аустенит при 727 °С превращается в перлит. При температурах ниже 727 °С (вплоть до комнатной) ледебурит представляет собой механическую смесь перлита и цементита. Ледебурит отличается большой твердостью (550 НВ) и хрупкостью.
Изучение структурных составляющих железоуглеродистых сплавов позволяет сделать следующий важный вывод — при комнатной температуре железоуглеродистые сплавы всегда состоят из двух структурных элементов: мягкого пластичного феррита и твердого цементита, упрочняющего сплав. Эти элементы могут образовать механическую смесь либо находиться в свободном состоянии.
Чтение диаграммы железо-углерод
Состав сплава с данным исходным содержанием углерода при заданной температуре мы можем увидеть, двигаясь по вертикальной линии, соответствующей содержанию углерода в сплаве.
Рассмотрим, например, область AEC. С ней соседствуют области аустенита AESG и жидкой фазы. Сплавы в ней состоят из жидкой фазы и образующегося твердого аустенита. Как определить концентрацию углерода в разных фазах для данного сплава? Рассмотрим для примера сплав с исходной концентрацией углерода 2,5% при температуре 1250°С.
Проведем из этой точки графика «2,5% C – 1250°С» горизонтальную прямую. Пересечение этой прямой с линией AE, граничащей с областью аустенита, покажет концентрацию углерода в аустените при данной температуре (~1.5%).
Пересечение этой же горизонтальной прямой с линией AС, граничащей с областью жидкой фазы, покажет концентрацию углерода в жидкой фазе при данной температуре (~3.5%).
Именно таким образом мы можем определить концентрацию углерода в фазах любого сплава при заданной температуре:
- в жидкой фазе и аустените в области AEC;
- в жидкой фазе в области CDF (концентрация углерода в цементите, конечно, постоянна – 6,67%);
- в аустените в области SEFK;
- в феррите в области QPKL;
- в феррите и аустените в области GPS.
Как видим, при концентрации углерода выше 2,14% насыщение охлаждаемого расплава углеродом всегда стремится к 4,3% (по линиям AC и DC) по мере приближения к температуре 1147°С (уровень ECF). Далее происходит превращение жидкости в ледебурит (эвтектику). Естественно, с этим же средним содержанием углерода.
По мере приближения к температуре 727°С (уровень PSK) концентрация углерода в аустените («свободном» и/или входящем в состав ледебурита) стремится к 0,8% (по линиям GS и ES). Далее происходит превращение аустенита в перлит (эвтектоид). Перлит, конечно, имеет среднее содержанием углерода 0,8%.
Диаграмма состояния [ править | править код ]
Железо образует с углеродом химическое соединение Fe3C цементит. Так как на практике применяют металлические сплавы на основе железа с содержанием углерода до 5 %, практически интересна часть диаграммы состояния от чистого железа до цементита . Поскольку цементит — метастабильная фаза, то и соответствующая диаграмма называется метастабильной
(сплошные линии на рисунке).
Для серых чугунов и графитизированных сталей рассматривают стабильную
часть диаграммы железо—графит (Fe—Гр), поскольку именно графит является в этом случае стабильной фазой. Цементит выделяется из расплава намного быстрее графита и во многих сталях и белых чугунах может существовать достаточно долго, несмотря на метастабильность. В серых чугунах графит существует обязательно.
На рисунке тонкими пунктирными линиями показаны линии стабильного равновесия (то есть с участием графита), там где они отличаются от линий метастабильного равновесия (с участием цементита), а соответствующие точки обозначены штрихом. Обозначения фаз и точек на этой диаграмме приведены согласно неофициальному международному соглашению.
