Эвтектика – механическая смесь двух и более компонентов, кристаллизующихся при постоянной температуре одновременно и обособленно друг от друга.

ТЕОРИЯ СПЛАВОВ

Сплаваминазывают сложные вещества, полученные сплавлением нескольких элементов.

Элементы, образующие сплав, называются компонентами.

В твердом состоянии компоненты могут образовывать три типа сплава (типа взаимодействия между собой):

1. Механические смеси.

2. Химические соединения.

3. Твердые растворы.

При рассмотрении типов взаимодействия компонентов в сплаве обозначим один компонент как А и второй компонент как В.

Твердые растворы.

При образовании твердого раствора один компонент является растворителем, другой компонент – растворимый. Растворитель – тот компонент, кристаллическая решетка которого сохраняется.

Растворимый компонент – его атомы располагаются в кристаллической решетке растворителя.

В зависимости от расположения атомов в кристаллической решетке различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения.

В твердом растворе замещения атомы компонента - растворителя замещаются атомами растворимого компонента (рис.1, а).

В твердом растворе внедрения атомы растворимого компонента размещаются между атомами компонента – растворителя (рис.1, б).

а	б

Рис.1. Кристаллическая решетка твердого раствора замещения (а) и твердого раствора внедрения (б)

Обозначение твердых растворов: А (В), где А – растворитель, В – растворимый компонент или буквами греческого алфавита: α, β, γ.

В зависимости от концентрации компонентов в сплаве различают ограниченные и неограниченные твердые растворы.

Неограниченные твердые растворы образуются во всем интервале концентрации компонентов в сплаве.

Ограниченные твердые растворы образуются только в определенном интервале концентрации компонентов.

Твердые растворы в структуре имеют одинаковые однородные зерна, т.е. имеют одну фазу – фазу твердого раствора. Кристаллизация твердых растворов происходит в интервале температур.

Сплавы, представляющие твердые растворы, отличаются хорошей пластичностью и технологичностью. Такие сплавы хорошо обрабатываются.

Механические смеси.

Если элементы, входящие в состав сплава, при кристаллизации из жидкого состояния не растворяются друг в друге и не взаимодействуют, то образуется механическая смесь.

При кристаллизации у каждого из таких компонентов образуется своя кристаллическая решетка.

В структуре различаются зерна каждого из компонентов, т.е. образуются две фазы.Механические смеси кристаллизуются из жидкости припостоянной температуре. При этом компоненты кристаллизуются обособленно друг от друга, но одновременно.

Механическую смесь могут образовывать не только компоненты, но и два твердых раствора или один из компонентов и ограниченный твердый раствор.

В металловедении механическую смесь двух компонентов называют эвтектикой.

Эвтектика – механическая смесь двух и более компонентов, кристаллизующихся при постоянной температуре одновременно и обособленно друг от друга.

Обозначение механических смесей: (А + В) или в случае твердых растворов: (α + γ).

 

Химические соединения.

Если элементы, составляющие сплав, взаимодействуют друг с другом, то образуются химические соединения. Они имеют однороднуюструктуру (одну фазу). Химические соединенияимеют постоянную температуру плавления и кристаллизации. Кристаллические решетки химического соединения и исходных элементов различаются.

В химическом соединении сохраняется определенное соотношение атомов элементов, позволяющее выразить их состав с техиометрической пропорцией в виде формулы А_nВ_m.

ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ

 

Диаграмма состояния сплавов – графическое изображение фазового и структурного состояния сплавов при определенной температуре и определенной концентрации компонентов.

Диаграммы состояния сплавов строятся в координатах температура и концентрация компонентов.

В зависимости от типа взаимодействия компонентов в сплаве диаграммы состояния имеют разный вид.

Все диаграммы состояния строятся экспериментально методом термического анализа.

Линия, ограничивающая на диаграмме область жидкой фазы сплавов, называется линией ликвидус.

СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА

 

Железо в твердом состоянии может находиться в двух модификациях:

- с ОЦК решеткой ниже 911°С устойчиво α –железо (обозначается Fe_α).

- с ГЦК решеткой в интервале температур 911-1392°С устойчиво γ-железо (обозначается Fe_γ).

К железоуглеродистым сплавам относятся стали и чугуны.

Сталь – сплав железа с углеродом при содержании углерода не более 2,14%.

Чугун – сплав железа с углеродом при содержании углерода от 2,14% до 6,67%.

Максимальное содержание углерода в железоуглеродистых сплавах составляет 6,67%.

При взаимодействии в твердом состоянии железо и углерод могут образовывать различные структурные составляющие.

В структуре сталей могут образовываться следующие составляющие: феррит, аустенит, цементит, перлит.

Аустенит - твердый раствор углерода в γ-Fe. Образуется из жидкости при первичной кристаллизации. Может присутствовать в структуре сталей только при высоких температурах (выше 727^оС). Максимальное содержание углерода в аустените 2,14% при 1147 ^оС. Аустенит имеет невысокую прочность и твердость и достаточно пластичен. Является однородной однофазной структурой. Обозначается буквой А. Формула аустенита Fe_γ (С).

Феррит – твердый раствор углерода в α-Fe. Образуется из аустенита при вторичной кристаллизации. Растворимость углерода в α-Fe при комнатной температуре равна 0,006%. Максимальное содержание углерода в феррите 0,02% при 727^оС. Феррит является самой мягкой структурной составляющей. Имеет незначительную прочность и твердость, но высокую пластичность. В структуре проявляется в виде зерен правильной округлой формы. Является однородной однофазной структурой. Может присутствовать в структуре при комнатной температуре. Обозначается буквой Ф. Формула феррита Fe_α (С).

Цементит – химическое соединение железа и углерода. Формула цементита Fe₃C. В цементите содержится 6,67% углерода. Образуется из аустенита при вторичной кристаллизации. Температура плавления цементита около 1240 -1250 ^оС. Цементит имеет очень высокую твердость, но обладает при этом высокой хрупкостью и практически нулевой пластичностью. Цементит является самой твердой структурной составляющей. Имеет пластинчатое строение. Является однофазной структурой. В сталях может образовываться только цементит вторичный. Обозначается буквой Ц _II.

Перлит – механическая смесь феррита и цементита вторичного. Образуется из аустенита при температуре 727^оС. Называется эвтектоидом (аналогично эвтектике, но образуется из твердой фазы). Перлит содержит 0,8% углерода. Является двухфазной структурой. Имеет пластинчатое строение (чередование пластин феррита и цементита). Может присутствовать в структуре при температурах ниже 727^оС, вплоть до комнатной. Является основной структурной составляющей сталей. Есть в структуре всех сталей независимо от содержания углерода. Обозначается буквой П. Формула перлита

(Fe_α (С) + Fe₃C).

В структуре чугунов могут образовываться следующие структурные составляющие: аустенит (также как и в сталях образуется из жидкости при первичной кристаллизации), перлит (также как и в сталях образуется из аустенита при 727^оС и может присутствовать при комнатной температуре), цементит первичный (то же, что и в сталях, но образуется из жидкости при первичной кристаллизации, обозначается Ц _I), ледебурит.

Ледебурит – механическая смесь аустенита и цементита первичного. Образуется из жидкости при первичной кристаллизации при температуре 1147 ^оС. Содержит 4,3% углерода. Является эвтектикой. Может присутствовать в структуре при температурах выше 727^оС. Является двухфазной структурой. Обозначается буквой Л.

Ледебурит превращенный – механическая смесь перлита и цементита. Образуется из ледебурита первичного в результате превращения аустенита в перлит (в составе ледебурита) при температуре 727^оС. Содержит также 4,3% углерода, является также эвтектикой и двухфазной структурой. Может присутствовать в структуре при температурах ниже 727^оС. Обозначается буквой Лпр.

УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ

В состав углеродистых сталей входят основные компоненты – железо и углерод и небольшое количество примесей.

Углерод оказывает значительное влияние на свойства стали. Увеличение содержания углерода в стали приводит к повышениюпрочности, твердости и понижению пластичности, что связано с изменением структуры стали, а именно: с увеличением содержания углерода в стали увеличивается количество цементита в структуре (самой твердой составляющей) и уменьшается количество феррита (самой мягкой составляющей).

ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Легированные стали – стали, в состав которых дополнительно вводятся химические элементы с целью получения или изменения свойств. Эти элементы называются легирующими элементами.

Основными легирующими элементами являются Cr, Ni, Mn, Si, W, Mo, V, Al, Cu, Ti, Nb, Zr. Часто сталь легируют не одним, а несколькими элементами.

Легирующие элементы вводятся в стали в различных количествах. Их содержание может изменяться от сотых долей процента до нескольких десятков процентов. Суммарное количество легирующих элементов не должно превышать 50%. При большем содержании будет уже не сталь, а сплав на основе какого -либо элемента. В сталях должно быть более 50% железа.

Легирующие элементы, взаимодействуют с железом и углеродом и могут образовывать различные фазы в структуре.

Стали с особыми свойствами.

К этой группе легированных сталей относятся коррозионностойкие (нержавеющие) стали; жаропрочные и жаростойкие стали.

Требования, предъявляемые к каждой группе зависят от условий их работы и соответствуют эксплуатационным свойствам, которые были рассмотрены ранее: жаростойкость, жаропрочность, устойчивость против воздействия агрессивных сред.

 

 

ТЕОРИЯ СПЛАВОВ

Сплаваминазывают сложные вещества, полученные сплавлением нескольких элементов.

Элементы, образующие сплав, называются компонентами.

В твердом состоянии компоненты могут образовывать три типа сплава (типа взаимодействия между собой):

1. Механические смеси.

2. Химические соединения.

3. Твердые растворы.

При рассмотрении типов взаимодействия компонентов в сплаве обозначим один компонент как А и второй компонент как В.

Твердые растворы.

При образовании твердого раствора один компонент является растворителем, другой компонент – растворимый. Растворитель – тот компонент, кристаллическая решетка которого сохраняется.

Растворимый компонент – его атомы располагаются в кристаллической решетке растворителя.

В зависимости от расположения атомов в кристаллической решетке различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения.

В твердом растворе замещения атомы компонента - растворителя замещаются атомами растворимого компонента (рис.1, а).

В твердом растворе внедрения атомы растворимого компонента размещаются между атомами компонента – растворителя (рис.1, б).

а	б

Рис.1. Кристаллическая решетка твердого раствора замещения (а) и твердого раствора внедрения (б)

Обозначение твердых растворов: А (В), где А – растворитель, В – растворимый компонент или буквами греческого алфавита: α, β, γ.

В зависимости от концентрации компонентов в сплаве различают ограниченные и неограниченные твердые растворы.

Неограниченные твердые растворы образуются во всем интервале концентрации компонентов в сплаве.

Ограниченные твердые растворы образуются только в определенном интервале концентрации компонентов.

Твердые растворы в структуре имеют одинаковые однородные зерна, т.е. имеют одну фазу – фазу твердого раствора. Кристаллизация твердых растворов происходит в интервале температур.

Сплавы, представляющие твердые растворы, отличаются хорошей пластичностью и технологичностью. Такие сплавы хорошо обрабатываются.

Механические смеси.

Если элементы, входящие в состав сплава, при кристаллизации из жидкого состояния не растворяются друг в друге и не взаимодействуют, то образуется механическая смесь.

При кристаллизации у каждого из таких компонентов образуется своя кристаллическая решетка.

В структуре различаются зерна каждого из компонентов, т.е. образуются две фазы.Механические смеси кристаллизуются из жидкости припостоянной температуре. При этом компоненты кристаллизуются обособленно друг от друга, но одновременно.

Механическую смесь могут образовывать не только компоненты, но и два твердых раствора или один из компонентов и ограниченный твердый раствор.

В металловедении механическую смесь двух компонентов называют эвтектикой.

Эвтектика – механическая смесь двух и более компонентов, кристаллизующихся при постоянной температуре одновременно и обособленно друг от друга.

Обозначение механических смесей: (А + В) или в случае твердых растворов: (α + γ).

 

Химические соединения.

Если элементы, составляющие сплав, взаимодействуют друг с другом, то образуются химические соединения. Они имеют однороднуюструктуру (одну фазу). Химические соединенияимеют постоянную температуру плавления и кристаллизации. Кристаллические решетки химического соединения и исходных элементов различаются.

В химическом соединении сохраняется определенное соотношение атомов элементов, позволяющее выразить их состав с техиометрической пропорцией в виде формулы А_nВ_m.

ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ

 

Диаграмма состояния сплавов – графическое изображение фазового и структурного состояния сплавов при определенной температуре и определенной концентрации компонентов.

Диаграммы состояния сплавов строятся в координатах температура и концентрация компонентов.

В зависимости от типа взаимодействия компонентов в сплаве диаграммы состояния имеют разный вид.

Все диаграммы состояния строятся экспериментально методом термического анализа.

Линия, ограничивающая на диаграмме область жидкой фазы сплавов, называется линией ликвидус.