Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2013 » Август » 5 » Сплавы
21:59
Сплавы

В промышленности конструкционных материалов практически не находят применения чистые металлы. Исключения составляют ряд цветных металлов для изготовления проводников и емкостей для агрессивных веществ. Намного более широкие области применения имеют сплавы.

В отличие от чистых металлов, для сплавов можно добиться практически любых свойств. На сегодняшний день, в промышленности и народном хозяйстве используется несколько тысяч различных сплавов, имеющих самые различные области применения, от протезирования элементов скелета, до изготовления деталей высокоточных приборов.

Все сплавы подразделяют на три группы: механическая смесь, твердый раствор и химическое соединение.

В первом случае, мы имеем дело с системой из ограниченно растворимых друг в друге компонентов. Если металлы совсем не растворимы друг в друге (как например, свинец с железом или цинком), то получить сплав таких металлов невозможно ни при каких соотношениях. При кристаллизации такой системы будет происходить рост макрокристаллов, практически не связанных друг с другом. При обеспечении смешиваемости компонентов (например, свинец-сурьма, медь-олово или свинец-висмут), происходит кристаллизация металлов в виде микрокристалликов, сохраняющих структуру чистого металла.

Образование такой механической смеси, возможно, как при одинаковой кристаллической структуре металлов, так и при различной.

В случае твердого раствора компонентов, смешение металлов происходит на атомном уровне, а кристаллизация из расплава приводит к построению кристаллической решетки, включающей атомы обоих металлов.

При близком диаметре атомов металлов, происходит встраивание их в одну кристаллическую решетку, геометрия которой обусловлена типом решетки металла-растворителя (которого в сплаве содержится больше). Такие сплавы получаются для систем: медь-никель, железо-марганец, железо-хром и др. Данные сплавы отличаются высокой пластичностью, хорошей ударной вязкостью и упругостью. Такие сплавы называют "твердые растворы замещения.

Если размеры атомов компонентов сплава сильно отличаются (например, железо-углерод или алюминий-марганец) тогда происходит внедрение одного компонента в кристаллическую решетку другого. Этот процесс сопровождается некоторым увеличением размеров решетки основного компонента сплава. Полученные сплавы обладают большей жесткостью и твердостью, их принято называть – "твердые растворы включения”.

Сплавы с образованием химических соединений характерны для систем, содержащих компоненты с сильно отличающейся электроотрицательностью. Например, железо-углерод или алюминий-кремний. В этом случае может наблюдаться, как растворение получившегося солеподобного соединения в структуре сплава, так и выпадение его в отдельную фазу. Возможно равновесное состояние подобного сплава, зависящее от температуры, соотношения компонентов, наличия примесей и др.

Процесс перехода сплава из жидкого состояния в твердое состояние отличается от процесса кристаллизации чистых металлов. Из-за разницы в температурах плавления компонентов и типов их кристаллических решеток, происходит равновесное выпадение твердой фазы в трехкомпонентной системе: расплав, кристаллы первого металла, кристаллы второго металла.

На рисунке 1 представлена диаграмма состояния системы свинец-сурьма, яркого представителя двухкомпонентных механических смесей.

Рисунок 1.

По вертикали отложена температура, по горизонтали содержание сурьмы, от ноля до 100%. При соотношении сурьма-свинец равном 13:87, точка С, наблюдается точка эвтектики. Эвтектика – это такой состав двухкомпонентной смеси, при котором получается наиболее мелкодисперсная и легкоплавкая структура сплава (эвтектика, в переводе с греческого, "хорошо построенная”). Температура плавления данной эвтектики равна 245оС, ниже линии ДСЕ находятся твердые смеси эвтектики с кристаллами: левее точки С – свинца, правее точки С – сурьмы. Температура плавления сурьмы – 631оС, температура плавления свинца – 327оС. Выше линии АСБ находится однородный расплав, это линия ликвидус. Ниже этой линии происходит выпадение из расплава кристаллов сурьмы или свинца (соответственно, правее или левее точки С). Линия ДСЕ – солидус, ниже ее находится только твердая фаза.

Точки на диаграммах, в которых происходит изменение строения металлов и сплавов, называются критическими точками. На данной диаграмме, критическими точками являются: АБСДЕ.

На практике, используются в основном, сплавы близкие по составу к эвтектике. Так как, они имеют наиболее однородную структуру и минимум внутренних напряжений. Хотя, если требуется получить не столько прочностные свойства, сколько удовлетворить специфические требования (коэффициент теплового расширения, магнитные и резистивные свойства и др.) тогда могут использоваться сплавы с любым соотношением компонентов.

Для твердых растворов характерна диаграмма, представлена на рисунке 2, система никель-медь.

Рисунок 2.

Температура плавления никеля 1452оС, температура плавления меди 1083оС. Ликвидус и солидус для твердых растворов образуют некий овал, ниже которого только твердая фаза, выше только смешанный расплав. Между ликвидусом и солидусом происходит выпадение смешанных кристаллов, с доминированием в составе более тугоплавкого компонента. Также, состав кристаллов зависит от соотношения металлов для данного сплава. Наибольшее применение из сплавов меди и никеля нашел мельхиор, состава 20% никеля и 80% меди. Он сочетает высокие прочностные свойства, эластичность, коррозионную стойкость и относительно невысокую себестоимость.

При выпадении из расплава первых кристалликов металла, они содержат минимум неметаллических примесей. Так как, примеси, способные растворяться в расплаве металла (и проникать в его структуру), но, сильно отличающиеся от него по геометрии атомов и другим свойствам, нарушают кристаллическую решетку металла. Как следствие, способствуют разрыхлению структуры, поэтому, металл с большим количеством неметаллических примесей, имеет более низкую температуру плавления, чем чистый металл. Поэтому, металл с примесями кристаллизуется в последнюю очередь, образуя прослойки между уже растущими макрокристаллами металла (зернами). Поэтому, примеси сосредоточенны на границе структурных зерен. Об этом мы говорили ранее.

Диаграммы состояния сплавов имеют огромное значение для производства отливок, ковки, проката и термической обработки готовых изделий.

Категория: Металлургия | Просмотров: 1717 | Добавил: Chemadm | Теги: Материаловедение, конструкционные материалы, Металлургия | Рейтинг: 4.3/15
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]