Правила техники безопасности при работе в термической и металлографической лабораториях.

Предисловие

Государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования по направлениям технических специальностей предусматривается изучение дисциплины «Материаловедение». Рабочей программой дисциплины определены требования к уровню практических навыков студента. Он должен уметь анализировать структуру и фазовый состав черных и цветных металлов и сплавов для решения задач в области материаловедения.

Лабораторный практикум позволяет закрепить теоретические знания по курсу «Материаловедение» и приобрести практические навыки в области металлографического анализа. Лабораторные работы формируют мировоззрение студентов, основанное на знаниях о строении металлических материалов, об их структуре и свойствах и помогают в подготовке специалистов, способных правильно оценивать возможности материалов, решать технологические проблемы при обработке и поведении материалов в разнообразных условиях эксплуатации.

Студенты при выполнении лабораторных работ изучают под микроскопом микроструктуру образцов из черных или цветных металлов и сплавов, затем сопоставляют структуру с соответствующей диаграммой состояния, рассматривают механизм ее формирования при получении сплава в процессе кристаллизации и последующем охлаждении до комнатной температуры и определяют фазовые и структурные составляющие.

Лабораторные работы, представленные в практикуме, помогут студентам стать технически грамотными инженерами, владеющими высокими знаниями в области материаловедения.

 

Введение

Лабораторный практикум по курсу «Материаловедение» содержит 14 работ, охватывающих большинство разделов курса. Его назначение - углубить знания студентов при изучении теоретических разделов, ознакомиться со структурами конкретных машиностроительных материалов.

Вначале студенты знакомятся с наиболее распространенными и доступными методами исследования структуры материалов, осваивают методики построения и анализа диаграмм состояний бинарных сплавов. Несколько работ посвящено изучению процессов формирования структуры и свойств сплавов на основе железа в равновесном и термоупрочненном состояниях. Далее идут работы, знакомящие со структурами наиболее важных цветных металлов и сплавов, используемых при производстве изделий космической и авиационной техники. Имеются также работы по композиционным материалам и рекристаллизации металлов.

В начале каждой работы сформулирована ее цель, даны основные теоретические сведения, обосновывающие формирование структур сплавов в процессе кристаллизации или термической обработки. Затем изложено задание по каждой работе, указано, что должно содержаться в отчете, даны контрольные вопросы и необходимая литература.

Рекомендуется отчеты по всем выполненным работам оформлять в одной тетради объемом в 24 страницы. Защита лабораторных работ проводится в часы занятий, оценка учитывает качество оформления работы, ее содержание и уровень знаний.

Перечень и качество выполняемых в семестре работ определяется лектором совместно с преподавателем, ведущим лабораторные занятия.

Советы студентам

1. Регулярно посещайте лабораторные занятия. Это поможет вам лучше усвоить теоретический материал. Отработка пропущенных занятий потребует гораздо больших затрат времени и сил.

2. На лабораторные занятия приходите подготовленными. Для этого изучите раздел «Теоретические сведения» к предстоящей лабораторной работе и дополните его изучением соответствующего материала по учебнику. Это позволит вам принять активное учас­тие в обсуждении изучаемых процессов и явлений, а также быстро находить правильные ответы на контрольные вопросы.

3. Для оформления отчетов по лабораторным работам заведите отдельную тетрадь в клетку объемом 24-36 листов.

4. Любой преподаватель высоко ценит аккуратность студента при выполнении и оформлении работы. Эскизы, графики, рисунки выполняйте черной пастой или мягким карандашом, микроструктуры сплавов зарисовывайте в окружности диаметром с 2-рублевую монету или квадрате со стороной 3…3,5 см. Не забывайте указывать номер рисунка и подпись к нему, например:

Рис. 2. Диаграмма состояния сплавов Sn - Zn: или

Рис. 3. Микроструктуры сплавов Sn - Zn:

а - сплав с 4% Zn; б - сплав с 8% Zn;

в - сплав с 20% Zn; г - сплав с 60% Zn

На рисунке микроструктуры обязательно указывайте фазы и структурные составляющие сплава.

5. Не откладывайте защиту лабораторной работы на потом. Используйте оставшееся от занятий время, консультации преподавателя и контрольные занятия.

6. Помните, что знания о машиностроительных материалах будут необходимы вам не только при изучении спецкурсов, но и во время профессиональной деятельности, в повседневной жизни.

Теоретические сведения

Макроанализ изломов

Непосредственно по виду излома можно установить характер разрушения металлического изделия, которое может быть хруп­ким, вязким, смешанным или усталостным.

Хрупкий излом довольно ровный, блестящий. Обычно в хрупком изломе можно видеть форму и размер зерен металла, т.к. излом происходит без значительной деформации и зерна при разрушении металла не искажаются (рис. 1.1, а). Излом может происходить как по границам зерен (межкристаллический), так и по зернам металла (транскристаллический).

 

а б в

Рис. 1.1. Внешний вид изломов металла:

а - хрупкий; б - вязкий; в – усталостный

 

Вязкий излом имеет волокнистое строение. Форма и размер зерен металла при вязком изломе сильно искажены, т.к. разрушение в этом случае сопровождается значительной пластической деформацией (рис. 1.1, б).

Усталостный излом (рис. 1.1, в) всегда имеет две зоны разрушения: усталостную, с мелкозернистым, фарфоровидным, часто ступенчато-слоистым строением, иногда с отдельными участками блестящей, как бы шлифованой поверхности, и зону вязкого или хрупкого, в зависимости от строения и свойств металла, окончательного разрушения (долома).

В изломах можно увидеть дефекты, которые способствовали разрушению изделия, например флокены, трещины, раковины, инородные включения.

Макроанализ шлифов

При анализе макрошлифов выявляются структурная и химическая неоднородность металла, волокнистое строение деформированного металла, дендритное строение литого металла, качество сварного соединения, а также выявляются дефекты, нарушающие сплошность строения металла.

Выявление ликвации серы

Для выявления характера распределения серы по сечению детали применяют метод Баумана. Последовательность эксперимента:

а) микрошлифы протирают ватой, смоченной спиртом, и кладут на стол шлифованной поверхностью вверх;

б) лист бромсеребряной фотобумаги вымачивают на свету в течение 5 мин в 5% - ном водном растворе серной кислоты, удаляют избыток раствора (капли) с помощью фильтровальной бумаги, накладывают эмульсионной стороной на микрошлиф и, приглаживая сверху рукой, удаляют образовавшиеся пузыри, выдерживают на макрошлифе в течение 3…4 мин и осторожно сни­мают с него;

в) полученный отпечаток промывают в воде, фиксируют в 25% - ном водном растворе гипосульфита, снова промывают в воде и просушивают.

Полученные на фотобумаге участки коричневого цвета указывают на места, обогащенные серой (скопления сульфидов). Если фотобумага имеет равномерную окраску, то, следовательно, сера распределена равномерно.

Появление темно-коричневых пятен на фотоотпечатке объясняется тем, что сначала между серной кислотой, впитанной в фотобумагу, и включениями MnS и FeS, в виде которых сера находится в стали, происходит следующая реакция:

FeS + H₂SO₄ = FeSO₄ = H₂S↑,

MnS + H₂SO₄ = MnSO₄ = H₂S↑,

Образующийся сероводород действует на бромистое серебро эмульсионного слоя, в результате получается сернистое серебро, имеющее темно-коричневый цвет:

2AgBr + H₂S = MnSO₄ + 2НВг.

Выявление ликвации фосфора

Ликвацию фосфора в стали выявляют травлением шлифованного образца в реактиве состава: 85 г хлорной меди, 53 г хлористого аммония в 1000 см³ воды. Образец помещают в реактив шлифованной поверхностью вверх. После выдержи около 3 мин вся поверхность образца должна быть покрыта медью, т.к. железо переходит в раствор, вытесняя из него медь. Слой меди нуж­но смыть с поверхности макрошлифа и просушить его.

Более темные, т. е. глубоко протравленные участки - это места, обогащенные фосфором, т.к. чем больше в железе фосфора, тем быстрее оно переходит в раствор.

Выявление макроструктуры

Строение литого сплава (дендритной структуры) выявляют травлением шлифованного образца в 15% - ном растворе персульфата аммония (для сталей и медных сплавов) или 15% ном водном растворе едкого натра (для легких сплавов). После травления алюминиевых сплавов макрошлиф промывают в воде и на несколько секунд погружают в 50% раствор НМО для удаления темной пленки.

Макроструктуру деформированных сплавов (волокнистость) можно выявить травлением образцов:

а) стальных - в растворе хлорной меди и хлористого аммония (по методике выявления ликвации фосфора);

б) легких сплавов - в водном растворе щелочей (по методике выявления литой структуры).

Варианты заданий

1. Выполнить макроанализ шлифов двух стальных образцов и определить, какой из них был изготовлен из стали более высокого качества (с меньшим содержанием серы и фосфора).

Зарисовать макростроение стали, обнаруженное в образцах, и описать способы макроанализа, использованные при решении задачи. Объяснить, почему макроанализ позволяет определить степень чистоты стали.

2. Образцы углеродистой стали вырезаны из катаной штанги, причем один - по длине штанги (в продольном направлении), а другой - по диаметру (в поперечном направлении).

Зарисовать макростроение исследуемых образцов. Определить, какой из образцов вырезан в продольном направлении, и объяснить, почему макроанализ позволяет решить этот вопрос.

3. Провести макроанализ двух образцов и на основании полученных данных определить, какой из них изготовлен сваркой двух полос стали, а какой вырезан из цельной стальной заготовки.

Зарисовать макростроение образцов. Описать способы макроанализа, использованные при решении задачи и объяснить, почему применение их позволяет установить способ изготовления образцов.

4. Провести макроанализ сварного соединения стали и определить, какие зоны этого соединения - из электрода или основного металла - являются более качественными. Зарисовать макростроение стали в исследованном образце и объяснить, какой способ макроанализа следует применить для решения поставленной задачи.

5. Провести макроанализ двух образцов, вырезанных из стальных деталей и зарисовать макростроение.

Определить, какая деталь была изготовлена из литой стали и какая из катаной. Объяснить, почему макроанализ позволяет характеризовать строение металла и способ изготовления деталей.

6. Провести макроанализ двух втулок, изготовленных из оловянистой бронзы и зарисовать макростроение. Определить, какая втулка изготовлена литьем и какая из прессованного прутка бронзы.

Указать способ макроанализа, необходимый для решения этой задачи.

7. Выполнить макроанализ двух отливок из алюминиевого сплава: одной - отлитой в землю, другой - отлитой в кокиль.

Объяснить по данным исследования характерные особенности первичной кристаллизации, протекавшей в каждой отливке, и объяснить различие в их строении.

Указать реактив, необходимый для решения этой задачи.

8. Выполнить макроанализ двух деталей из алюминиевых сплавов.

Определить, какая деталь была изготовлена литьем и какая ковкой (штамповкой).

Указать способ макроанализа, использованный в задаче.

Контрольные вопросы

1. Что называют макроанализом?

2. Что такое макроструктура, макрошлиф?

3. Какие дефекты в сплавах можно выявить с помощью макроанализа?

4. Каковы характерные особенности хрупкого, вязкого и усталостного изломов?

5. В чем заключается метод Баумана и для чего он используется?

6. Как определить ликвацию фосфора в стали?

7. Каким образом выявить дефекты, нарушающие сплошность металла (поры, раковины, трещины)?

8. Какие реактивы используются для выявления строения литой стали? Деформированной стали?

9. Как выявить макроструктуру алюминиевых сплавов?

10. Будет ли отличаться макроструктура двух болтов, изготовленных из проката, штамповкой и резанием? Какой из них будет иметь более однородные механические свойства в продольном и поперечном направлениях?

Лабораторная работа №2

Теоретические сведения

Теоретические сведения

Сталь – сплав железа с углеродом (до 2,14% С). В сталях постоянно присутствуют примеси, которые попадают при выплавке. К ним относятся: марганец и кремний, которые являются полезными (технологическими), а так же сера и фосфор, которые являются вредными. Сера вызывает красноломкость стали – хрупкость при горячей обработке давлением. В сталях сера находится в виде сульфита FeS, который образует с железом легкоплавкую эвтектику, отличающуюся низкой температурой плавления (988⁰ С) и располагающуюся по границам зерен. При горячей деформации границы зерен оплавляются и сталь хрупко разрушается. Фосфор вызывает в сталях хладноломкость – хрупкость при низких температурах. Каждая сотая доля фосфора повышает порог хладноломкости на 25⁰ С. Содержание серы и фосфора влияет на качество сталей и в зависимости от их содержания стали подразделяются на 4 группы:

1. Стали обыкновенного качества содержат примерное количество серы и фосфора (до 0,045% каждого). Стали обозначают марками Ст0, Ст1, Ст 2 … Ст6. Буквы Ст обозначает сталь, цифры – условный номер марки, чем больше число, тем больше содержание углерода. Ориентировочно можно считать, что цифра обозначает содержание углерода в десятых долях процента. Для обозначения степени раскисления добавляют индексы: кп – кипящая, сп – спокойная, пс – полуспокойная (Ст3 кп, Ст3пс);

2. Качественные стали содержат серы и фосфора до 0,035% каждого, регламентированы по химическому составу и механическим свойствам. Марки стали обозначают цифрами, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Стали 08, 20, 25,…, 60. Например, сталь 20–0,20% С.

Инструментальные стали содержат более 0,7% углерода. Цифра в марке указывает на среднее содержание углерода в десятых долях процента. Например, сталь У7 – 0,7% С, У13 – 1,3% С.

3. Высококачественные стали содержат не более 0,025% Si и P каждого. Обозначаются буквой А, стоящей в конце марки. Например, У12А.

4. Особовысококачественные стали содержат не более 0,015% S и 0,025% P. В конце марки стоит буква, указывающая способ переплава. Например, Ш – электрошлаковый, ВДП – вакуумно-дуговой, ЭЛП – электронно-лучевой.

Легированные стали. Легирующие элементы обозначают буквами: Х – хром, Н – никель, Г – марганец, С – кремний, В – вольфрам, М – молибден, Ф – ванадий, К – кобальт, Ю – алюминий, Д – медь. Первая цифра указывает на среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента, а цифры, следующие за буквами – процентное содержание этих элементов. Например, 30ХН3М – 0,30% С, 1% Cr, 3% Ni, 1% Mo.

 

Механические свойства металлов и сплавов

 

При выборе материала исходят из комплекса свойств, которые подразделяют на механические, физические, химические и технологические.

Физические свойства определяют поведение материалов в тепловых, гравитационных, электромагнитных и радиационных полях. К физическим относятся такие свойства материалов как плотность, теплоемкость, температура плавления, термическое расширение, магнитные характеристики, теплопроводность, электропроводность.

Под химическими свойствами понимают способность материалов вступать в химическое взаимодействие с другими веществами, сопротивляемость окислению, проникновению газов и химически активных веществ. Характерным примером химического взаимодействия среды и металла является коррозия.

Технологические свойства металлов и сплавов характеризуют их способность подвергаться горячей и холодной обработке. Комплекс этих свойств включает в себя технологичность при выплавке, горячем и холодном деформировании, обработке резанием, термической обработке и, особенно, сварке.

При конструировании изделий в первую очередь руководствуются механическими свойствами материалов.

Механические свойства материалов характеризуют их способность сопротивляться деформированию и разрушению под действием различного рода нагрузок. Механические нагрузки могут быть статическими, динамическими и циклическими. Кроме того, материалы могут подвергаться деформации и разрушению как при разных температурных условиях, так и в различных, в том числе агрессивных средах. Для того, чтобы обеспечить надежную работу конкретных машин и приборов, необходимо учитывать условия эксплуатации, т.е. к материалу предъявляют эксплуатационные требования.

К основным механическим свойствам относят прочность, упругость, ударную вязкость, пластичность, твердость. Механические свойства некоторых марок сталей приведены в таблице 3.1.

Для определения механических свойств материалов разработаны различные методы испытаний. При статических методах материал подвергают воздействию постоянной силы, возрастающей весьма медленно. При динамических испытаниях материал подвергают воздействию удара или силы быстро возрастающей.

 

Определение прочности, пластичности, упругости

 

Прочность – способность материала сопротивляться разрушению под действием внешних сил.

Пластичность – способность материала к пластической деформации, т.е. к получению остаточного изменения формы и размеров без разрушения.

Упругость – свойство материала восстанавливать свои размеры и форму после прекращения действия нагрузки.

Прочность, пластичность и упругость материала определяют при статических испытаниях на растяжение.

 

 

Рис. 3.1. Статические испытания на растяжение:

а – схема испытания; б – диаграмма растяжения

 

Испытания производятся на цилиндрических (или плоских) образцах с определенным соотношением между длиной l ₀ и диаметром d ₀. Образец растягивается под действием приложенной силы P (рис. 3.1.) до разрушения. Внешняя нагрузка вызывает в образце напряжение и деформацию. Напряжение σ – это отношение силы P к площади поперечного сечения F, МПа:

 

= .

 

Деформация характеризует изменение размеров образца под действием нагрузки, %

 

= 100,

 

где l – длина растянутого образца. Деформация может быть упругой (исчезающей после снятия нагрузки) и пластической (остающейся после снятия нагрузки).

При испытаниях строится диаграмма растяжения, представляющая собой зависимость напряжения от деформации (рис.3.1.).

После проведения испытаний определяются следующие характеристики механических свойств:

Предел упругости σ_У – это максимальное напряжение, при котором в образце не возникают пластические деформации.

Предел текучести σ_Т – это напряжение, соответствующее площадке текучести на диаграмме растяжения (рис. 3.1, б). Если на диаграмме нет площадки текучести (что наблюдается для хрупких материалов), то определяют условный предел текучести σ_0,2 – напряжение, вызывающее пластическую деформацию, равную 0,2%.

Предел прочности (или временное сопротивление) σ_В – это напряжение, отвечающее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец при испытании.

Относительное удлинение после разрыва – отношение приращения длины образца при растяжении к начальной длине l₀, %:

= 100,

где l_k – длина образца после разрыва.

Относительным сужением после разрыва называется уменьшение площади поперечного сечения образца, отнесенное к начальному сечению образца, %:

= ·100,

где F_k – площадь поперечного сечения образца в месте разрыва. Относительное удлинение и относительное сужение являются характеристиками пластичности.

Определение твердости

 

Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него стандартного тела (индентора).

Твердость материала испытывается при статическом характере вдавливания в него шарика, конуса или пирамиды.

Наиболее широкое применение нашли методы определения твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу (рис. 3.2.).

Твердость по Бринеллю (НВ) определяется вдавливанием в испытываемую поверхность под нагрузкой Р стального шарика диаметром Д (рис.3.2, а).

После снятия нагрузки на поверхности образца остается отпечаток (лунка).

Твердость определяется по формуле

НВ = , Па,

где F – площадь поверхности отпечатка.

 

Рис. 3.2. Схемы определения твердости:

а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

 

Практически величину твердости определяют не по формуле, а по прилагаемой к прибору таблице в зависимости от диаметра отпечатка.

Между твердостью по Бринеллю и пределом прочности металла существует приближенная зависимость:

 

σ_В = k * НВ, МПа

 

Для стали σ_В = (0,34…0,35) НВ.

Твердость по Роквеллу определяют по глубине отпечатка. Метод основан по вдавливании в испытуемый образец закаленного стального шарика диаметром 1,588 мм (шкала В) или алмазного конуса с углом при вершине 120^о (шкалы А и С). Вдавливание производится под действием двух нагрузок – предварительной Р ₀, равной 100 Н и окончательной Р, равной 600, 1000, 1500 Н для шкал А, В и С, соответственно. Число твердости по Роквеллу HRA, HRB и HRC определяется по разности глубин вдавливания в условных единицах, обратно пропорциональных глубине проникновения индентора.

Твердость по Виккерсу определяют вдавливанием в испытываемую поверхность (шлифованную или даже полированную) четырехгранной алмазной пирамиды с углом при вершине 136^о. Метод используют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость. Число твердости по Виккерсу HV определяется отношением приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка.

Практически величину твердости определяют не по формуле, а по прилагаемым к прибору таблицам по измеренной величине d (диагональ отпечатка) рис. 3.2, в.

 

Определение ударной вязкости

 

Ударная вязкость – это способность материала поглощать механическую энергию.

Ударные испытания на изгиб проводятся над образцами стандартной формы на приборах, называемых маятниковыми копрами (рис. 1).

Для испытания образец устанавливаетсяна опорах копра (рис. 3.3, б) надрезом по ходу маятника. Маятник 1 весом Q и длиной l поднимают на высоту Н; в этом положении маятник обладает известным запасом потенциальной энергии. Затем маятник освобождают, и он, свободно падая, ударяет по образцу и разрушает его; на это расходуется часть энергии. Оставшаяся энергия поднимает маятник на некоторую высоту h, которую определяют по шкале копра.

Рис. 3.3. Схема испытания образца на маятниковом копре:

а) схема маятникового копра; б) установка образца на опорах копра.

 

Работу удара, поглощенную образцом, вычисляют по формуле

 

A_H =Q(H—h) кДж.

Высоту подъема маятника до и после удара можно определить через углы α₁ и α₂ соответствующие его предельным отклонениям (что удобно определить по угловой шкале копра). Подсчет работы удара через углы производят по формуле

A_H =Ql(cos α₁ — cos α₂ ) кДж.

Сопротивление удару называют ударной вязкостью и подсчитывают в килограммометрах на квадратный сантиметр.

Ударная вязкость KC вычисляется по формуле

KC = A_H /F кДж/м²,

где Ан— работа удара, затраченная на излом образца, кДж;

F— площадь поперечного сечения образца в месте надреза, м².

КС - ударная вязкость; индексы V,U (KCV, КСU) характеризуют форму надреза.

Таблица 3.1.

Механические свойства сталей

Стали	Содержание С, %	Свойства
σв, МПа	δ, %	Ψ, %	НВ, МПа
Ст 0 Ст 1 Ст 2 Ст 3 Ст 4 Ст 5 Ст 6 30ХГТ 12Х2Н4А	≤ 0,23 0,06–0,12 0,09–0,15 0,14–0,22 0,18–0,27 0,28–0,37 0,38–0,49 0,05–0,12 0,07–0,14 0,17–0,24 0,22–0,3 0,27–0,35 0,37–0,45 0,47–0,55 0,57–0,65 0,67–0,75 0,77–0,85 0,30 0,12	320–420 340–440 380–490 420–540 500–640 1 100 1 500 1 150			1 310 1 430 1 630 1 700 1 790 2 170 2 410 2 550 2 690 2 850   3 000

 

Порядок выполнения работы и содержание отчета

1. Изучить маркировку сталей;

2. Изучить механические свойства материалов и способы их определения;

3. Получить образцы для испытаний;

4. Провести испытания образцов на твердость;

5. По результатам испытаний и табличным данным построить графики, отражающие зависимость твердости, прочности и пластичности от содержания углерода;

6. Составить письменный отчет по работе. Содержание отчета: название и цель работы, теоретическая часть, таблица «Механические свойства сталей», графики, выводы.

 

Контрольные вопросы

1. Как маркируют стали обыкновенного качества, качественные, легированные?

2. Что такое прочность? Методы измерения, характеристики, единицы измерения.

3. Чем отличается упругая деформация от пластической?

4. Что такое пластичность? Методы измерения, характеристики, единицы измерения.

5. Что такое твердость? Методы определения твердости.

6. Что такое ударная вязкость?

7. Чем отличаются статические методы испытаний от динамических?

 

Лабораторная работа №4

Теоретические сведения

Теоретические сведения

Основные понятия

1. Система. Системой называют группу тел (веществ), которую выделяют из прочих окружающих тел и в которой наблюдают интересующие явления.

Для металлических сплавов системой будет являться совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия. Система, состоящая из одной фазы, называется гомогенной; система, состоящая из двух и более фаз – гетерогенной.

2. Фаза. Фазой называют однородную (гомогенную) составную часть системы, имеющую одинаковый состав, строение и свойства, одно и тоже агрегатное состояние и отделенную от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства резко меняются.

Фазами могут быть:

· сами компоненты в твердом, жидком состоянии и их аллотропические модификации;

· жидкие и твердые растворы, химические соединения.

3. Структура. Под структурой понимают форму, размеры, количество и характер взаимного расположения соответствующих фаз.

4. Компонент. Компонентами называют независимые индивидуальные вещества, способные существовать в изолированном виде, наименьшее число которых достаточно для образования всех фаз данной системы.

5. Металлический сплав – вещество, обладающее металлическими свойствами, полученное сплавлением или спеканием двух или более компонентов. В металлических сплавах компонентами являются чистые металлы и неметаллы, а также химические соединения.

Выделяют три основных типа сплавов по характеру взаимодействия компонентов в твердом состоянии – механическая смесь, твердый раствор (замещения, внедрения) и химическое соединение.

Правило фаз

Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз могут быть выражены в математической форме, именуемой правилом фаз или законом Гиббса.

Правило фаз показывает количественную зависимость между числом степеней свободы С, числом компонентов К и числом фаз Ф:

С = К – Ф + 2 (1)

Независимыми переменными в уравнении правила фаз являются концентрация, температура, давление. Если признать, что все превращения происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшается на единицу и уравнение правила фаз примет следующий вид:

С = К – Ф + 1. (2)

Число степеней свободы С (вариантность) показывает, сколько переменных могут изменяться в системе одновременно и независимо друг от друга, без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.

Для случая, характеризуемого уравнением (2), таких переменных две – температура и концентрация.

Если С = 2 (система бивариантная), то в рассматриваемой области и температура, и концентрация могут изменяться независимо друг от друга. Это значит, что никаких превращений в сплаве не происходит (например, в жидком расплаве из двух компонентов С = 2 – 1 + 1 = 2).

Если С = 1 (система моновариантная), то это значит, что в данной области при изменении одного параметра (например, температуры сплава) одновременно по определенному закону изменяется и второй (концентрация). На кривой охлаждения будет наблюдаться перегиб (например, сплав из двух компонентов в области первичной кристаллизации будет иметь С = 2–2+1=1).

Если С = 0 (система нонвариантная), то это значит, что оба параметра (температура и концентрация) должны оставаться постоянными до окончания данного превращения. На кривой охлаждения будет наблюдаться горизонтальная площадка при температуре этого превращения (например, сплав из 2-х компонентов при эвтектических концентрациях и температуре будет иметь С = 2–3+1=0).

Основные типы диаграмм состояния

 

Диаграммы состояния или диаграммы фазового равновесия в удобной графической форме показывают фазовый состав сплава в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Диаграммы состояния строят для условий равновесия или условий, достаточно близких к ним. Они дают наглядное представление о процессах, происходящих в сплавах при нагревании и охлаждении, что может быть использовано при оценке физико-химических, механических и технологических свойств сплава и позволяет рационально подойти к выбору материалов для изготовления изделий.

Диаграммы состояния двойных систем строят в координатах “концентрация компонентов - температура”. Линии, соединяющие точки аналогичных превращений в системе, разграничивают области существования равновесных фаз. Каждая точка на диаграмме определяет фазовый и химический состав сплава, а также его структуру при данной температуре.

Как известно, при кристаллизации чистых металлов атомы, ранее находящиеся в жидкости хаотично, выстраиваются в определенном порядке и образуют, так называемую, кристаллическую решетку, наиболее распространенными из которых являются ОЦК, ГЦК, ГПУ. Если же в жидкости присутствуют атомы двух компонентов, то при кристаллизации возможно образование трех типов сплавов.

Первый тип сплавов – твердые растворы. В этом случае образуется кристаллическая решетка одного из компонентов (растворителя), а атомы второго компонента в этой решетке располагаются. Твердые растворы на диаграммах соответствуют областям и обозначаются греческими буквами a, b, g и т.д.

Второй тип сплавов – химическое соединение. В этом случае образуется новая сложная кристаллическая решетка, отличающаяся от кристаллических решеток образующих ее компонентов. На диаграммах химическим соединениям соответствуют вертикальным линиям, и как правило, указывается формула этого соединения.

Третий тип сплавов – механические смеси. В этом случае при кристаллизации образуются одновременно две кристаллические решетки. Различают эвтектические и эвтектоидные механические смеси. Эвтектические образуются при кристаллизации из жидкости, Эвтектоидные – при распаде твердого раствора.

В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают разные типы диаграмм состояния.

Рассмотрим пять основных типов диаграмм состояния.

Диаграмма состояния сплавов I рода, образующих механические смеси из чистых компонентов, представлена на рис. 5.1.

Рис 5.1 Диаграмма состояния I рода сплавов, образующих механическую смесь из чистых компонентов (нерастворимых друг в друге)

 

Оба компонента в жидком состоянии неограниченно растворимы, а в твердом состоянии нерастворимы (или ничтожно мало растворимы) и не образуют химических реакций. На этой диаграмме линия MBN – линия ликвидус, линия Д СЕ – линия солидус. Точки М и N – температуры плавления компонентов А и В. При охлаждении жидкого сплава I в интервале между линиями ликвидус и солидус от точки 1 до 2 происходит образование кристаллов компонента А. При охлаждении жидкого сплава II в интервале между линиями ликвидус и солидус от точки 1 до 2 происходит образование кристаллов компонента В. При достижении температуры t ₁, весь оставшийся жидкий сплав превращается в эвтектическую смесь, состоящую из кристаллов А и В с химическим составом, соответствующим точке С. Точка С называется эвтектической точкой. При температуре t ₁ и концентрации, соответствующей точке С, до завершения кристаллизации система будет нонвариантной (С = 2 – 3 + 1 = 0).

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (II рода) представлена на рис. 5.2.

Рис 5.2 Диаграмма состояния II рода сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

Полная взаимная растворимость в твердом состоянии возможна тогда, когда оба компонента имеют одинаковые кристаллические решетки и атомные диаметры компонентов отличаются по размерам не более чем на 15%.

Линия M1N – линия ликвидус, линия M2N – линия солидус. Точки М и N – температуры плавления компонентов А и В. При охлаждении жидкого сплава в интервале температур между линиями ликвидус и солидус (от точки 1 до точки 2) происходит выпадение кристаллов твердого раствора a разного химического состава, изменяющегося от точки С до точки 2. При медленном охлаждении концентрация всех зерен твердого раствора выравнивается за счет диффузии между кристаллами. При охлаждении сплава в интервале кристаллизации от t ₁ до t ₂ система будет моновариантной (С = 2 – 2 + 1 = 1).

Диаграмма состояния сплавов эвтектического типа с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (III рода) представлена на рис.5.3.

Рис 5.3 Диаграмма состояния III рода – эвтектического типа с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

 

Линия MEN – линия ли