Ассоциация EAM
Ассоциация эффективного управления производственными активами

Основные понятия теории сплавов

материал предоставил СИДОРОВ Александр Владимирович

Сплав – макроскопически однородная смесь двух или большего числа химических элементов. Сплавы получают путём:

  • плавления – процесса перехода материалов из твёрдого состояния в жидкое при повышенных температурах;
  • спекания – процесса получения твёрдых и пористых материалов из мелких порошкообразных или пылевидных материалов при повышенных температурах;
  • осаждения из газовой фазы – процесса получение твёрдых материалов с помощью химических реакций, в которых участвуют газообразные реагенты.

Компоненты сплавов образуют между собой:

  • твёрдые растворы – образуются в результате перехода в твёрдое состояния однородных жидких растворов, причём одно из веществ при этом сохраняет присущую ему кристаллическую решётку, а другое в виде отдельных атомов располагается в кристаллической решётке первого вещества, на основании чего различают твёрдые растворы:
    • замещения, где часть атомов в кристаллической решётке одного вещества заменена атомами другого;
    • внедрения, где атомы растворённого компонента внедряются в межатомарное пространство кристаллической решётки другого компонента (растворителя);
  • химические соединения – сложные вещества, состоящие из химически связанных атомов двух или более элементов, причём возникающая при этом кристаллическая решётка упорядочена и отлична от кристаллических решёток элементов, образующих соединение;
  • механические смеси – продукты смешения двух и более веществ, которые при кристаллизации не способны к взаимному растворению и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.

Кристаллизация – процесс выделения твёрдой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов.

Фаза – однородная часть термодинамической системы отделённая от других частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав, структура и свойства вещества изменяются скачками.

Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия (переохлаждения жидкости, пересыщения пара), когда возникает множество мелких кристаллов – центров кристаллизации. Кристаллы растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости или пара (рисунок 1).

Схема образования слитка спокойной стали в металлической изложнице

Рисунок 1 – Схема образования слитка спокойной стали в металлической изложнице: 1 – стенки изложницы; 2 – мелкие равновесные кристаллы; 3 – древовидные кристаллы; 4 – равновесные крупные неориентированные кристаллы; 5 – рыхлый усадочный слой; 6 – усадочная раковина

Критические точки – температуры, при которых изменяется строение материалов.

Кривые охлаждения – графическое изображение зависимости температуры от времени для материалов. Вид этих кривых свидетельствует о наличии или отсутствии фазовых превращений при некоторых определённых температурах или в интервале температур.

Диаграмма состояния – графическое отображение фазовых превращений материалов в зависимости от температуры. Для сплавов также в зависимости от концентрации входящих в них компонент.

Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до 6,67%, то рассматривается часть диаграммы состояния от железа до цементита, содержащего углерод (рисунок 2).

Диаграмма состояния железо-углерод

Рисунок 2 – Диаграмма состояния железо-углерод

Железо (Fe) – вязкий, пластичный металл серебристо-белого цвета, плотностью 7,87 т/м3, температурой плавления 1539 °С, быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе. Существуют следующие устойчивые модификации:

  • от абсолютного нуля до 910 °C устойчива α-модификация с объёмноцентрированной кубической кристаллической решёткой (рисунок 3), после 910 °C теряет магнитные свойства (точка Кюри), переходя в δ-модификацию, которая отличается только размерами кристаллической решётки, поэтому отдельно не рассматривается;
  • от 910 до 1400 °C устойчива γ-модификация с гранецентрированной кубической кристаллической решёткой;
  • от 1400 до 1539 °C устойчива δ-модификация с объёмноцентрированной кубической кристаллической решёткой.

 Основные типы кристаллических решёток

Рисунок 3 – Основные типы кристаллических решёток: а) объёмноцентрированная; б) гранецентрированная; в) гексагональная плотноупакованная

Углерод (С) – матово-чёрный (графит) либо прозрачный (алмаз) неметалл, при температуре свыше 1827 °C алмаз переходит в графит. Плотность графита 2,23 т/м3 (алмаза – 3,51 т/м3), температура плавления – 3547 °C. Обладает хорошей электропроводностью, а также, в отличие от алмаза, низкой твёрдостью. Графит имеет слоистую структуру, слои которой могут по-разному располагаться друг относительно друга. При трении расслаивается на отдельные чешуйки.

Цементит (Fe3C) – метастабильная фаза внедрения, карбид железа, содержащий 6,67% углерода. Магнитные свойства теряет при температуре около 217 °С. Имеет высокую твёрдость (легко царапает стекло) и низкую пластичность. В зависимости от условий кристаллизации обладает различной формой (равноосные зёрна, сетка по границам зёрен, пластины, иглы). Является фазовой и структурной составляющей железоуглеродистых сплавов, составной частью ледебурита, перлита, сорбита и троостита. В сталях выделяется при охлаждении аустенита или при нагреве мартенсита. Вторичным и третичным называют цементит, выделяющийся из твёрдого раствора аустенита и феррита соответственно, в отличие от первичного цементита, выделяющегося из жидкого расплава. Распадается с образованием свободного углерода в виде графита.

Феррит – твёрдый раствор углерода и легирующих элементов в железе. Имеет объёмноцентрированную кристаллическую решётку. Различают α-феррит (твёрдый раствор углерода в α-железе) и δ-феррит (твёрдый раствор углерода в δ-железе), который появляется при температуре выше 1401 °С (высокотемпературный феррит). Нелегированный феррит относительно мягок, пластичен, сильно ферромагнитен до 768 °С. Обладает высокой растворимостью легирующих элементов, которое в большинстве случаев приводит к его упрочнению. При небольшом переохлаждении образует равноосные зёрна; при больших переохлаждениях и наличии легирующих элементов возникает по мартенситному механизму. Укрупнение зёрен аустенита приводит к выделению феррита на их границах.

Аустенит – высокотемпературная гранецентрированная модификация железа и его сплавов. В углеродистых сталях аустенит – это твёрдый раствор внедрения, в котором атомы углерода входят внутрь ячеек γ-железа во время конечной термообработки. В легированных сталях атомы металлов замещают атомы железа в кристаллической решётке. В чистом железе существует в интервале температур 910-1401 °С. В углеродистых сталях аустенит существует при температурах не ниже 723 °С.

Перлит – структурная составляющая железоуглеродистых сплавов, представляющая собой смесь фаз феррита и цементита (в легированных сталях – карбидов). Является продуктом распада аустенита при сравнительно медленном охлаждении ниже 727 °C. При этом γ-железо переходит в α-железо, избыточный углерод выделяется в форме цементита и карбидов. В зависимости от формы различают перлит пластинчатый (основной вид перлита, обе фазы имеют форму пластинок) и зернистый (округлые зёрнышки, глобули, цементита располагаются на фоне зёрен феррита). С увеличением переохлаждения растёт число колоний перлита (участков с однообразной ориентацией пластинок феррита и цементита либо карбидов), а сами пластинки становятся более тонкими. Механические свойства перлита зависят от межпластиночного расстояния (суммарная толщина пластинок обеих фаз): чем оно меньше, тем выше значение предела прочности и предела текучести и ниже критическая температура хладоломкости. При перлитной структуре облегчается механическая обработка стали. Дисперсные и высокодисперсные разновидности перлита называют сорбитом и трооститом соответственно.

Ледебурит – структурная составляющая железоуглеродистых сплавов (главным образом, чугунов), представляющая собой смесь аустенита и цементита в интервале температур 723-1147 °C или феррита и цементита ниже 723 °C. Основная фаза, инициирующая зарождение ледебурита, – цементит. На пластинке цементита, зародившейся в жидкости, разрастается плоский дендрит аустенита. Далее идёт сравнительно быстрый парный рост взаимно проросших кристаллов обеих фаз. Каждая из фаз в пределах одной колонии ледебурита непрерывна, то есть относится к одному кристаллу. Ледебурит обладает высокими твёрдостью и хрупкостью.

Мартенсит – микроструктура игольчатого вида, наблюдаемая в закалённых металлических сплавах и в некоторых чистых металлах, которым свойствен полиморфизм (существование кристаллических веществ с одинаковым составом, но с разной структурой). Основная структурная составляющая закалённой стали, представляющая собой упорядоченный пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе такой же концентрации, как у исходного аустенита.

Бейнит – игольчатый троостит, структура стали, образующаяся в результате промежуточного превращения аустенита. Состоит из смеси частиц пересыщенного углеродом феррита и карбида железа.

Список литературы

  1. Сажин В.Б. Иллюстрации к началам курса “Основы материаловедения”. – М.: ТЕИС, 2005. – 156 с.
  2. Свирская С.Н., Трубников И.Л., Летовальцев А.О. Методическое пособие к теме “Диаграмма состояния железо-углерод”. – Ростов-на-Дону: Ростовский государственный университет, 2006. – 16 с.
< Введение в материаловедение Содержание Чугуны >

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.

Аналогичные записи
  • Введение в материаловедение материал предоставил СИДОРОВ Александр Владимирович Материаловедение – научная дисциплина, изучающая взаимосвязь между составом, строением и свойствами материалов. Назначение материала определяется требованиями конструкции (конструкционные критерии – прочность, долговечность, коррозийные свойства и т.п.) и возможностью переработки в изделие (технологические критерии – коэффициент обрабатываемости резанием, сварки и обработки давлением и т.п.). Разновидности материалов: металлические материалы; неметаллические материалы (резина, [...]
  • Свойства конструкционных материалов материал предоставил СИДОРОВ Александр Владимирович Механические свойства определяются по результатам механических испытаний, при которых материалы подвергаются воздействию внешних (статических, динамических, циклических) сил, вызывающих напряжение и деформацию. Напряжение – величина нагрузки, отнесённая к единице площади поперечного сечения испытуемого образца. Деформация – изменение формы и размеров твёрдого тела под влиянием внешних сил. Различают деформации растяжения, сжатия, изгиба, [...]
  • Цветные сплавы материал предоставил СИДОРОВ Александр Владимирович Алюминиевые сплавы Алюминий (Al) – лёгкий металл серебристо-белого цвета. Плотность – 2,7 т/м3, температура плавления – 660 °С, временное сопротивление разрыву – 80 МПа, относительное удлинение – 45%, твёрдость – 20 НВ. Обладает высокой удельной прочностью (отношением предела прочности к плотности), пластичностью, хорошими тепло- и электропроводимостью, коррозионной стойкостью благодаря образованию [...]
  • Стали материал предоставил СИДОРОВ Александр Владимирович Сталь – сплав железа (не менее 45%) с углеродом (0,022-2,14%) и другими элементами. Обычно сталь имеет плотность 7,6-7,9 т/м3, временное сопротивление растяжению – 800-3000 МПа, относительное удлинение – 5-12%. Сталь является важнейшим конструкционным материалом для тяжёлой промышленности, строительства и прочих отраслей. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства сталей Углерод [...]
  • Чугуны материал предоставил СИДОРОВ Александр Владимирович Чугун – сплав железа с углеродом с содержанием последнего более 2,14%. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Чугуны дешевле сталей, широко применяются в машиностроении, обладают [...]

Поддержите нас

Подписка

Рубрики