Связь между структурой и свойствами сплавов

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Российский государственный профессионально-педагогический университет»

Институт электроэнергетики и информатики

Кафедра Металлургии, сварочного производства и методики профессионального обучения

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Металловедение и термическая обработка металлов»

на тему: Связь между структурой и свойствами сплавов

Работу выполнил

студент 2 курса группы МП-203

Пряничников И.М.

Преподаватель: Строшков В.П.

Екатеринбург

Содержание

Введение

. Возможные фазы в сплавах

1.1 Твердый раствор

.2 Чистые металлы

.3 Химические соединения

. Фазовый состав и свойства сплавов

3. Диаграммы состояния

. Примеси в сплавах

Заключение

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Основную долю разнообразных металлических материалов, используемых в технике, составляют сплавы. Чистые металлы в технике не применяют, потому что они характеризуются низким пределом прочности. Путем сплавления или спекания нескольких металлов или металлов с неметаллическими элементами получают сплавы, которые обладают высокой прочностью, пластичностью, хорошо обрабатываются резанием, свариваются и т.д. При этом улучшаются эксплуатационные и технологические свойства металлического материала.

Сплавом называется макроскопически однородная система, состоящая из двух и более химических элементов. Вещества, образующие систему, называют компонентами.

Компонентами сплава могут быть металлы (железо, медь, алюминий, никель и т.д.) и неметаллические элементы (углерод). Компонентом могут быть и химические соединения, если в рассматриваемых интервалах температур они не диссоциируют на свои составные части. Количество компонентов, составляющих систему (сплав), может быть различным. Чистый металл - это однокомпонентная система; сплав двух металлов - двухкомпонентная, и т.д.

Техническое значение материалов зависит от строения и выражается в их свойствах. Строение материалов характеризует структура.

Структура - совокупность устойчивых связей материала, обеспечивающих его целостность и сохранение основных свойств, при внешних и внутренних изменениях.

Структура материалов определяется множеством факторов: строением атомов, ионов, молекул, распределением в них электронов, типом связей между частицами и т. д. В материаловедении принято рассматривать три уровня строения материалов: атом-молекула-фаза.

В зависимости от назначения изделий металлы и сплавы должны обладать определенными свойствами, которые разделяются на четыре группы: физические, химические, механические и технологические. Чистые металлы после кристаллизации всегда состоят из кристаллитов одного типа, т.е. из зерен одинакового химического состава. Совокупность зерен (кристаллитов) одинакового химического состава называется фазой. Все чистые металлы являются однофазными.

В отличие от чистых металлов процесс образования сплавов намного сложнее. Результат кристаллизации редко бывает однозначным, поскольку определяется несколькими факторами: взаимной растворимостью компонент, условиями охлаждения, последующей термообработкой. Если сплав состоит из зерен одного химического состава, то он является однофазным (гомогенным). Если образуются кристаллы разного химического состава, то сплав считается многофазным (гетерогенным), а разновидности образующихся кристаллов определяют его фазовый состав.

Зерна разных фаз могут по-разному сосуществовать друг с другом. Невооруженным глазом зёренное строение не видно, оно доступно только при микроскопическом исследовании полированных, предварительно протравленных шлифов. Строение сплава, наблюдаемое через микроскоп, называется микроструктурой (на практике очень часто говорят просто «структура»).

Рисунок 1 - схема микроструктур сплавов: а - доэвтектический, б - эвтектический, в - заэвтектический

Участки микроструктуры, которые одинаково выглядят при рассмотрении через микроскоп, называются структурными составляющими. Они имеют однообразную форму, дисперсность (размеры) и взаимное расположение зерен. Структурные составляющие могут состоять из кристаллов одной фазы или из зерен нескольких фаз.

Свойства сплавов определяются их микроструктурой, т.е. видом и составом структурных составляющих, которые, в свою очередь, определяются фазовым составом.

1.      ВОЗМОЖНЫЕ ФАЗЫ В СПЛАВАХ

1.1    Твердый раствор

сплав металл раствор фазовый

Твердые растворы составляют основу большинства промышленных сплавов. Например, стали - многокомпонентные твердые растворы на основе железа, латуни и бронзы - твердые растворы на основе меди.

Твердый раствор это кристаллическое образование, состоящее из атомов разного сорта, которые образовали общую кристаллическую решетку. Важно, что эта решетка того же типа, что и решетка основного металла (растворителя), хотя имеет искажения, степень которых возрастает с увеличением доли растворенной компоненты. Свойства твердого раствора изменяются по отношению к свойствам основного металла пропорционально доле атомов, вошедших в раствор. В частности, увеличивается прочность. По этой причине сплавы на основе твердого раствора всегда прочнее "базового" металла.

По степени концентрации растворенной компоненты твердый раствор может быть ненасыщенным, насыщенным и пересыщенным.

Чаще всего растворимость одного металла в другом не только ограничена, но и зависит от температуры. Например, максимальная растворимость хрома в меди при 1072°С составляет 0.65%, а при 400°С только 0.05%. Если концентрация хрома в сплаве меньше 0.05%, то всегда образуются кристаллы ненасыщенного твердого раствора.

При большей концентрации возможны варианты. Медленное охлаждение приведет к тому, что при комнатной температуре будут существовать кристаллы насыщенного твердого раствора с предельной концентрацией хрома 0.05%, а остальная часть хрома выделится в виде избыточных кристаллов хрома. При быстром же охлаждении (закалка) образуются зерна пересыщенного твердого раствора (с концентрацией хрома выше предельной). Кристаллы пересыщенного раствора содержат больше растворенных компонентов, чем кристаллы насыщенного раствора. Поэтому закаленный сплав имеет большую прочность, чем медленно охлажденный, при этом уровень пластичности сохраняется (если же закалка приводит к мартенситному превращению, например в сталях, то упрочнение сопровождается снижением пластичности).

Ненасыщенный раствор устойчив к изменениям температуры, являясь стабильной фазой. Пересыщенный раствор является метастабильной, т.е. неустойчивой фазой. При определенных условиях он распадается на насыщенный раствор и избыточные кристаллы растворенных компонентов (или химического соединения, образованного компонентами сплава). Этот процесс лежит в основе термоупрочнения сплавов с переменной растворимостью.

1.2 Чистые металлы

В сплавах могут присутствовать кристаллы чистых металлов (образующих эти сплавы). Они образуются в тех случаях, когда компоненты сплавов растворимы в жидком, но нерастворимы в твердом состоянии (например в системах Pb-Sb, Sn-Zn, Bi-Cd).

1.3 Химические соединения

Чистые металлы - однофазны, поскольку состоят только из кристаллов чистого металла. Сплавы могут быть и однофазными и многофазными. Однофазные сплавы всегда состоят из кристаллов твердого раствора одного вида (состава).

В многофазных сплавах может одновременно присутствовать несколько структурных составляющих: кристаллы твердого раствора (одного или нескольких составов), кристаллы химических соединений, кристаллы компонентов сплава, эвтектики и эвтектоиды.

Первые три структурных составляющих представляют собой кристаллы рассмотренных выше фаз. А эвтектики и эвтектоиды - это однородные композиции из кристаллов разных фаз. Важно, что кристаллы в них сильно измельчены по сравнению с кристаллами твердого раствора или первичными кристаллами. При рассмотрении в микроскоп они выглядят одинаковыми участками, имеют особые свойства и поэтому являются самостоятельными структурными составляющими.

Эвтектика - это композиция из кристаллов, которые образуются при распаде жидкого раствора (при первичной кристаллизации). В зависимости от состава они обозначаются следующим образом:

Эвт (А+В) - первичные кристаллы чистых металлов А и В.

Эвт (α+В) - зерна твердого раствора α и кристаллы компоненты В и т.д.

Эвтектики имеют важную особенность. Они плавятся при температуре, которая меньше температуры плавления составляющих её фаз.

Другой тип структурной составляющей, внешне похожий на эвтектику - эвтектоид. Он образуется из твердой фазы (при вторичной кристаллизации), поэтому при нагреве эвтектоид не плавится. Самый известный пример эвтектоида - перлит в углеродистых сталях.

Особой структурной составляющей является мартенсит (чаще всего образуется в сталях).

2.      ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И СВОЙСТВА СПЛАВОВ

Механические, технологические и другие свойства, в конечном счете, определяются фазовым составом и структурными составляющими. Этим объясняется целесообразность существования большого количества сплавов, часто «незначительно» отличающихся по своему химическому составу. Существует определенная связь между фазовым составом и свойствами сплавов.

. Однофазные сплавы на основе ненасыщенного α-раствора имеют высокую пластичность при низких и высоких температурах, поэтому хорошо поддаются и холодной и горячей деформации. Отсутствие фазовых превращений при изменении температуры исключает возможность их термоупрочнения, поэтому они упрочняются только холодной деформацией.

. Многофазные сплавы с малопластичными или хрупкими фазами имеют пониженную пластичность. Обычно они ограниченно поддаются обработке давлением (например, только в «горячем» или «холодном» состоянии) или вообще не деформируются.

. Сплавы, имеющие в своем составе компоненты с переменной растворимостью, допускают термоупрочнение (путем закалки и последующего старения).

. Сплавы с составом, близким к эвтектическому, имеют повышенные литейные свойства (из-за отсутствия крупных первичных кристаллов применяются доэвтектические сплавы).

Сплавы, допускающие горячую и (или) холодную обработку давлением (прессование, волочение, прокатка, ковка) относятся к деформируемым сплавам. Сплавы с хорошими литейными свойствами называются литейными. Такое деление часто условное, т.к. многие сплавы используются и как деформируемые и как литейные.

По способу упрочнения сплавы делят на термоупрочняемые и упрочняемые давлением. Многие сплавы допускают упрочнение и термообработкой и давлением.

.       
ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ

Описание любых сплавов всегда начинается с рассмотрения их диаграмм состояний. Поэтому имеет смысл разобраться, что на них изображено и зачем они нужны. Существует с десяток видов диаграмм.

Одна из них показана на рисунке 2 и описывает систему, два компонента которой (А и В) неограниченно растворимы в жидком состоянии, но ограниченно растворимы в твердом состоянии. По вертикальной оси отложена температура, по горизонтальной - концентрация компонента В. Такая диаграмма позволяет рассматривать свойства целого семейства сплавов.

Линии KCD и KE показывают как зависят от концентрации В температуры начала (ликвидус TL) и окончания кристаллизации (солидус TS). Величина интервала кристаллизации, (TL - TS), в котором растут кристаллы твердого раствора А и В, зависит от состава сплава.

Линия SE (линия сольвус) характеризует растворимость компонента В от температуры (в данном случае она уменьшается при охлаждении). Линии солидус и сольвус пересекаются в точке Е, ей соответствует температура Тэвт, при которой кристаллы твердого раствора, растущие из расплава, становятся насыщенными и поэтому не могут расти дальше.

Поскольку «нормальная» кристаллизация не завершается, отвердение жидкой фазы должно закончиться иначе: при температуре Тэат из оставшейся части жидкого раствора образуется эвтектика. Соответствующая температура называется эвтектической, а линия EF - линией эвтектики.

Диаграмма состояния позволяет определить:

. области существования сплавов с однотипной микроструктурой (на рисунке выделены цветом)

. превращения, которые могут происходить при изменении температуры

. возможные фазы и структурные составляющие, которые и определяют свойства сплавов.

. интервалы кристаллизации и температуры проведения различных видов термообработки.

Рисунок 2 - Диаграмма состояния

Пользуясь диаграммами состояния, можно определить превращения, протекающие в сплавах данной системы в зависимости от температуры и концентрации, образующиеся при этом фазы и структурные составляющие. Так как микроструктура сплавов обусловливает их физико-механические, технологические и эксплуатационные свойства, можно сделать вывод, что однофазные сплавы будут иметь иные свойства, чем многофазные.

Зависимость между химическим составом, структурой и свойствами сплавов установлена Н.С. Курнаковым, разработавшим метод физико-химического анализа металлов. Эта зависимость выражается графически в виде диаграмм состав - свойство.

На рисунке 3 показано изменение свойств в зависимости от типа диаграммы состояния.

Рисунок 3 - Изменение свойств сплавов в зависимости от типа диаграммы состояния

При образовании механической смеси (диаграмма состояния первого типа) свойства сплавов (например, твердость, электрическое сопротивление, коэрцитивная сила) изменяются линейно (рис. 3, а). Следовательно, в случае образования механической смеси свойства сплавов имеют среднее значение из количественных значений свойств компонентов.

В сплавах, образующих твердый раствор с неограниченной растворимостью (диаграмма состояния второго типа), свойства изменяются по криволинейной зависимости (рис. 3, б). Уже при небольших добавках второго компонента твердость, прочность, электрическое сопротивление и коэрцитивная сила сплавов повышаются и становятся выше численных значений этих же свойств у компонентов, а электропроводность и магнитная проницаемость снижаются.

В сплавах, образующих твердые растворы с ограниченной растворимостью (диаграмма состояния третьего типа), свойства в областях, соответствующих твердым растворам, изменяются по криволинейной зависимости, а в областях, соответствующих механической смеси, - по линейной зависимости (рис. 3, в).

При образовании устойчивых химических соединений (диаграмма состояния четвертого типа) твердость, электрическое сопротивление и коэрцитивная сила в сингулярной точке резко повышаются, а электропроводность и магнитная проницаемость уменьшаются (рис. 3, г).

Зная диаграммы состояния, можно также определить технологические свойства сплавов: литейные свойства, деформируемость, обрабатываемость резанием и другие. По данным исследований А. А. Бочвара, большое расстояние между линиями ликвидуса и солидуса на диаграмме состояния указывает на склонность сплава к ликвации по плотности (удельному весу), образованию рассеянных усадочных раковин и столбчатой структуры, к появлению трещин в отливках (горячих трещин). Лучшими литейными свойствами обладают двухфазные сплавы, особенно эвтектические, являющиеся наиболее легкоплавкими. Наоборот, лучше деформируются в холодном и горячем состоянии однофазные сплавы - твердые растворы, обладающие меньшим сопротивлением пластическому деформированию. Тесно связана со структурой сплавов и их обрабатываемость резанием. Если в сплаве нет очень твердых фаз, изнашивающих режущий инструмент, то двухфазные сплавы обрабатываются резанием легче, чем однофазные (твердые растворы и химические соединения). Но однофазные сплавы лучше сопротивляются коррозии, чем двухфазные.

Особенно большое значение имеет знание диаграмм состояния сплавов для решения вопроса о возможности их термической обработки.

Зная диаграмму состояния сплавов данной системы и зависимость между химическим составом и свойствами, можно подобрать сплав, обладающий комплексом необходимых свойств.

Между составом и структурой сплава, определяемой типом диаграммы состояния, и свойствами сплава существует определенная зависимость.

При образовании твердого раствора предел прочности, текучести и твердость повышаются при сохранении достаточно высокой пластичности. При образовании твердого раствора внедрения прочность во много раз больше, чем при образовании твердого раствора замещения той же концентрации.

Сочетание повышенной прочности и хорошей пластичности позволяет использовать твердые растворы как основу конструкционных сплавов.

Благодаря высокой пластичности сплавы - твердые растворы легко деформируются, но плохо обрабатываются резанием. Такие сплавы имеют низкие литейные свойства.

При образовании твердых растворов значительно увеличивается электросопротивление. Поэтому сплавы - твердые растворы широко применяют для изготовления проволоки электронагревательных элементов и реостатов.

Для получения высоких литейных свойств концентрация компонентов в сплавах должна превышать их предельную растворимость в твердом состоянии и приближаться к эвтектическому составу. Эвтектические сплавы обладают хорошей жидкотекучестью. Но при появлении в структуре сплава эвтектики сильно снижается его пластичность. Поэтому в деформируемых сплавах содержание компонентов не превышает величины предельной растворимости при эвтектической температуре.

Химические соединения, образующиеся в сплавах, обладают свойствами, резко отличающимися от свойств исходных компонентов. Они имеют очень высокую твердость, но хрупки. Химические соединения имеют большое значение в качестве твердых структурных составляющих в сплавах.

Структуру и свойства металлических сплавов, как уже известно, можно изменять в широких пределах с помощью термической обработки. Особенно эффективна термическая обработка для стали. Однако не все свойства изменяются при такой обработке. Одни (структурно чувствительные свойства) зависят от структуры металла (это большинство свойств), и, следовательно, изменяются при термической обработке, другие (структурно нечувствительные свойства) практически не зависят от структуры. К последним относятся характеристики жесткости (модуль нормальной упругости Е, модуль сдвига С). Такое деление условно, так как все свойства зависят, от структуры (в том числе и модуль упругости), вопрос лишь в какой степени. К структурно нечувствительным свойствам относят такие, которые практически не зависят от структуры, для их изменения не следует применять термическую обработку.

Структурно-нечувствительные свойства (модули упругости, плотность, температура плавления, тепловое расширение и др.) являются строго определенными для той или иной фазы и слабо меняются из-за дефектности строения кристалла (зерна). Тщательно проводившиеся измерения показали, что модуль Юнга любого материала не зависит от вида испытаний (при растяжении или сжатии). Тогда как структурно-чувствительные свойства (сопротивление разрушению, пластичность, наклеп, ползучесть, твердость и др.) зависят не только от состава и кристаллической структуры металла, но и от несовершенств структуры зерна, возникших на протяжении всей предыстории металла детали.

Все другие механические свойства в большей или меньшей степени структурно, чувствительны и анизотропны. Резкая анизотропия упругих и других механических характеристик присуща многим неметаллическим материалам, что определяется их ориентированным строением. Некоторая анизотропия свойственна и большинству металлических материалов. Уровень прочности, пластичности, выносливости и характеристик разрушения, обычно, в продольном направлении относительно оси деформации полуфабриката выше, чем в поперечном. Однако для некоторых, например титановых, сплавов характерна обратная анизотропия. Наблюдается значительная разница в пределах текучести при растяжении и сжатии у большинства магниевых деформируемых сплавов.

4.     
ПРИМЕСИ В СПЛАВАХ

В заключение вкратце рассмотрим влияние примесей. Они неизбежно присутствуют в металлах и сплавах, в той или иной степени ухудшая их свойства. Сначала рассмотрим влияние примесей на «чистые» металлы.

.Примесь растворима в металле.

В этом случае она образует с металлом твердый раствор малой концентрации. При этом самостоятельная структурная составляющая не образуется. Такие примеси слабо влияют на механические свойства металлов, но сильно изменяют их физико-химические свойства - ухудшают коррозионную стойкость, тепло- и электропроводность.

.Примесь нерастворима в металле.

В этом случае примесь входит в металл в составе эвтектики, которая выпадает по границам зерен основного металла. Нерастворимые примеси могут влиять на механические и технологические свойства металлов даже в малых концентрациях.

В частности, нерастворимые легкоплавкие примеси приводят к красноломкости. Это относится, например, к примесям Pb, Bi и Sb в меди. Висмут, не растворяясь в меди, присутствует в ней в составе эвтектики. Она состоит практически из чистого висмута (0.2%Cu+99.8%Bi) и плавится при 270оС. При нагреве эвтектика плавится, образуя межкристаллитные прослойки жидкой фазы, что ведет к снижению пластичности при температурах 300-400оС (красноломкость). Тугоплавкие примеси образуют тугоплавкие эвтектики и к красноломкости не приводят.

.Примесь образует с основным металлом химическое соединение.

Например, кислород образует с медью закись меди Cu2O. Её кристаллы входят в эвтектику Эвт(Cu - Cu2O), располагающуюся по границам кристаллов меди. Т.е. кислород присутствует в меди в составе эвтектики. Примеси серы и фосфора образуют с медью сульфиды и фосфиды, которые образуют самостоятельные структурные составляющие. Такие примеси обычно ухудшают механические и технологические свойства. Например, кислородсодержащая медь менее технологична при производстве тонкой проволоки, (электропроводность при этом уменьшается незначительно).

.Различные примеси взаимодействуют между собой, образуя самостоятельное соединение.

Обычно это проявляется в уменьшении пластичности. Но в некоторых случаях происходит нейтрализация вредного воздействия одних примесей другими. Например, примесь висмута в меди, взаимодействуя с кислородом, образует окись висмута, которая оказывает менее вредное действие, чем кислород и висмут по отдельности.

Общий вывод состоит в следующем. Растворимые примеси изменяют физико-химические свойства металла. Примеси, образующие структурные составляющие, влияют на механические и технологические свойства и часто ухудшают коррозионные свойства. Увеличение содержания примесей часто ведет к увеличению температуры начала рекристаллизации, т.е. улучшает жаропрочность.

Из сказанного следует, что свойства чистых металлов характеризует не содержание основного металла, а количество конкретных примесей. Разные примеси присутствуют в разной форме и по-разному влияют на свойства основного металла. Поэтому для конкретных целей металл с чистотой 99.6% может оказаться хуже металла 99.5%, если у них разное содержание критической примеси.

Сказанное в отношении чистых металлов, в целом справедливо и для сплавов.

Например, нерастворимые в меди примеси Pb, Bi и Sb, образуя легкоплавкие эвтектики, являются такими же вредными примесями в простых латунях, как и в меди. В многокомпонентных сплавах количество примесей всегда больше, чем в чистых металлах (они попадают в сплав с каждой компонентой), кроме того, они могут взаимодействовать не только друг с другом, но и с легирующими компонентами. Структурные составляющие, образованные примесями, как правило, ухудшают коррозионные свойства, конструкционную прочность и технологичность сплавов. Поэтому сплавы, предназначенные для ответственного применения, производят из металлов повышенной чистоты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом изменение технологических свойств в сопоставлении с диаграммой состояния показывает, что сплавы с содержанием легирующего компонента меньше предела растворимости обладают наибольшей пластичностью и наименьшей прочностью при высокой температуре, следовательно, хорошо подвергаются горячей обработке давлением. Наилучшую жидкотекучесть, меньшую пластичность и большую прочность имеют сплавы, содержащие эвтектику. Такие сплавы используются как литейные. Содержание эвтектики в литейных сплавах не должно превышать 15-20 % по объему из-за ухудшения механических и некоторых технологических свойств.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.      Сдвижков, М.А. Механические свойства и структура металлов - ознакомительный курс/М.А. Сдвижков. - 195 с.

.        Кропивницкий Н.Н. Технология металлов/Н.Н. Кропивницкий. - Ленинград: Лениздат, 1973 - 151 с.

.        Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка/Ю.М. Лахтин. - Москва: Металлургия, 1983 - 360 с.

.        Жадан В.Т. Технология металлов и других конструкционных материалов/В.Т. Жадан, В.Г. Гринберг, В.Я. Никонов. - Москва: Высшая школа, 1970 - 704 с.

.        Худяков М.А. Материаловедение/М.А. Худяков. - Уфа: Монография, 2006 - 162 с.

.        Бочвар А.А. Основы термической обработки сплавов/А.А. Бочвар. - Москва: Металлургиздат, 1940 - 298 с.