Информация

Сплавы и расплавы

Сплавы и расплавы Сплавы и расплавы Сплавы и расплавы А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

СПЛАВЫ, макроскопические однородные системы, состоящие из двух или более металлов (реже-металлов и неметаллов) с характерными металлич. св-вами. В более широком смысле сплавы-любые однородные системы, полученные сплавлением металлов, неметаллов, неорг. соед. и т.д. Многие сплавы (напр., бронза, сталь, чугун) были известны в глубокой древности и уже тогда имели обширное практич. применение. Техн. значение металлических сплавов объясняется тем, что мн. их св-ва (прочность, твердость, электрич. сопротивление) гораздо выше, чем у составляющих их чистых металлов.

Называют сплавы исходя из названия элемента, содержащегося в них в наиб. кол-ве (основной элемент, основа), напр. сплавы железа, сплавы алюминия. Элементы, вводимые в сплавы для улучшения их св-в, наз. легирующими, а сам процесс -легированием.

По характеру металла-основы различают черные сплавы (основа -Fe), цветные сплавы (основа — цветные металлы), сплавы редких металлов, сплавы радиоактивных металлов. По числу компонентов сплавы делят на двойные, тройные и т.д.; по структуре-на гомогенные (однородные) и гетерогенные (смеси), состоящие из неск. фаз (последние м. б.

стабильными и метаста-бильными); по характерным св-вам — на тугоплавкие, легкоплавкие, высокопрочные, жаропрочные, твердые, антифрикционные, коррозионностойкие, сплавы со спец. св-вами и др. По технологии произ-ва выделяют литейные (для изготовления деталей методом литья) и деформируемые (подвергаемые ковке, штамповке, прокатке, прессованию и др.

видам обработки давлением).

Структура и получение. Физ.-хим. основой создания сплавов являются диаграмма состав — свойство и диаграмма состояния соответствующих систем, позволяющие определять св-ва сплавов в условиях их термич. обработки.

Диаграммы состояния строят на основании эксперим. данных или расчетным путем с использованием разл. термодинамич. моделей. В настоящее время в той или иной степени диаграммы состояния известны для большинства имеющих практич.

значение двойных и тройных систем.

Сплавы в кристаллич. состоянии представляют собой поликристаллич. тела, состоящие из большого числа мелких (10-3-10-7 м), различно ориентированных по отношению друг к другу кристаллов, называемых кристаллитами или зернами. Фазы кристаллических сплавов представляют собой твердые растворы или хим. соед. двух или более металлов (см. Металлические соединения, Интерметаллиды).

Макс. кол-во равновесных фаз в сплавах определяется числом составляющих его компонентов (см. Фаз правило). Форма, размеры и характер взаимного расположения фаз в сплавах характеризуют его структуру.

Различают макроструктуру (строение сплава, видимое невооруженным глазом или при увеличении в 30-40 раз) и микроструктуру (строение сплава, наблюдаемое с помощью светового или электронного микроскопа с увеличением в 100 тыс. раз). Макроструктуру обычно исследуют по излому и на спец. макрошлифах.

Кристаллические сплавы имеют зернистый (кристаллич.) излом. По нему судят о размерах зерна, условиях выплавки и кристаллизации, термин, обработке и св-вах сплава. Микроструктура показывает взаимное расположение фаз, их форму и размеры. Для изучения микроструктуры из сплава изготовляют микрошлиф, т. е.

небольшой образец, одну из плоскостей к-рого тщательно шлифуют, полируют и подвергают травлению. По микроструктуре можно оценить величину нек-рых мех. св-в сплавов.

Осн. метод получения сплавов-смешение и расплавление составляющих его компонентов с послед. затвердеванием в кристаллич. или аморфном состоянии. Сплавы можно получать и без расплавления осн. компонента-методами порошковой металлургии. Др.

способы получения — осаждение из р-ров и газовой фазы, диффузионное насыщение одного компонента другим, совместное электрохим. осаждение из р-ров и др.

Для получения сплавов в виде тонких пленок и покрытий используют осаждение из газовой фазы, напыление, конденсацию паров, электролиз.

Большинство сплавов, получаемых обычными способами, при затвердевании кристаллизуются. При быстром охлаждении расплава (скорость охлаждения 1-10 млн. градусов в с), напр.

при контакте расплавленной капли металла с быстро-вращающейся охлажденной пов-стью, распылении расплава холодной струей газа или конденсации паров металлов в тонкие пленки на охлаждаемой подложке, получают аморфные сплавы. Мелкодисперсные порошки таких сплавов затем м. б. спрессованы путем горячей экструзии в заготовки или с помощью плазменного факела нанесены на разл.

детали в виде тонких покрытий. Аморфные сплавы по сравнению с кристаллическими обладают повыш. св-вами-износостойкостью, прочностью, пластичностью, коррозионной стойкостью, сопротивлением усталости.

Свойства. Различают структурно-нечувствит. и структурно-чувствит. св-ва сплавов. Первые определяются силами межатомного взаимод., т. е. природой составляющих сплавы элементов и их концентрацией. К ним относят плотность, т-ру плавления, теплоту испарения, тепловые и упругие св-ва, коэф. термич. расширения.

Структурно-чувствит. св-ва помимо природы элементов и их концентрации зависят от характеристик структуры: формы и размера зерен, наличия разл. вида дефектов кристаллич. структуры и концентрации этих дефектов; к ним относят прочность, пластичность, твердость, хрупкость, ползучесть, усталость, ударную вязкость.

Структурно-чувствит. св-ва формируются в процессах получения и обработки сплавов. При изготовлении полуфабрикатов и изделий из сплавов методом плавки, литья и послед. мех., термич., хим. и др.

обработки структура сплавов претерпевает ряд изменений. Характер этих изменений и условия управления ими подробно разработаны в теориях жидкого состояния, кристаллизации, термич. и термомех.

обработки металлов и сплавов.

Уже в процессе плавки исходных компонентов м. б. созданы условия для получения после затвердевания сплавов с разл. структурой. Величина перегрева расплава, время выдержки при высокой т-ре влияют на кол-во и степень дисперсности нерастворимых в расплаве примесей тугоплавких соединений.

При кристаллизации частицы этих примесей служат центрами зарождения зерен, поэтому чем больше примесных частиц (перед затвердеванием), тем мельче зерно в затвердевшем сплаве. В процессе кристаллизации в слитке возникает хим. микронеоднородность-дендритная ликвация, вызванная неравновесной кристаллизацией твердых р-ров.

Эта неоднородность устраняется отжигом, в результате к-рого путем диффузии в твердой фазе происходит выравнивание концентрации по всем участкам сплава (гомогенизирующий отжиг).

Способы обработки. Структура и св-ва сплавов поддаются изменению. В результате разл. видов мех. обработки-ковки, прокатки, прессования, штамповки, волочения, резания из сплавов получают полуфабрикаты (листы, прутки, ленты, трубы) или изделия заданной формы.

При этом, как правило, крупнозернистая после литья и гомогенизирующего отжига структура измельчается; в нек-рых случаях (после прокатки, прессования) образуется волокнистая текстура; на неск. порядков увеличивается плотность дефектов кристаллич. решетки.

Термич. обработка сплавов приводит к существ. изменению их физ.-мех. св-в. По т-ре нагрева, длительности выдержки, скорости охлаждения, а также по назначению термич. обработка подразделяется на отжиг, закалку (с полиморфным превращением или без него), отпуск и старение.

Отжиг заключается в нагреве сплавов до определенной т-ры, выдержке при этой т-ре и медленном (непрерывном или ступенчатом) охлаждении; приводит к получению равновесно-устойчивых структур, уменьшает остаточное напряжение в сплавах, повышает их пластичность.

Закалка-нагрев и выдержка сплавов при определенной т-ре с послед. быстрым охлаждением-приводит к получению нестабильных состояний в сплавах, способствует, как правило, повышению их твердости и хрупкости. Отпуск осуществляют обычно после закалки, нагревая сплавы до определенной т-ры с послед.

охлаждением с заданной скоростью на воздухе или в воде; повышает пластичность закаленного сплава, уменьшает хрупкость. Старение-самопроизвольное изменение структуры сплава в результате длит.

выдержки при определенной т-ре (комнатной или при нагреве)-способствует увеличению прочности и твердости сплава с одновременным уменьшением пластичности и ударной вязкости.

При произ-ве сплавов термич. обработку чаще всего чередуют с механической или совмещают с ней. Если при этом приобретенные в процессе мех. обработки пластич. деформация и плотность дефектов кристаллич. решетки влияют на формирование структуры при термич. воздействии, то такая обработка наз. термомеханической.

Применяя разнообразные виды термич. и мех. обработки, можно одному и тому же сплаву придавать существенно разл. св-ва. Напр., углеродистая сталь после пластич. деформации становится тверже и прочнее, в результате послед.

отжига-мягче и пластичнее; если затем применить закалку, то сталь станет еще более твердой и прочной, чем первоначально.

Хим.-термич. обработка сочетает одновременное тепловое и хим. воздействие, в результате чего изменяется состав и структура поверхностных слоев, а иногда и всего изделия. Наиб.

распространено насыщение поверхностных слоев сплавов разл.

соединениями — борирование (насыщение бором), азотирование (насыщение азотом), силицирование (насыщение кремнием), оксидирование (насыщение кислородом), цементация (насыщение углеродом, науглероживание).

Применение. По назначению сплавы разделяют на большое число видов.

Конструкционные сплавы предназначены для изготовления деталей машин, строит. конструкций и др. сооружений. Такие сплавы обладают целым комплексом св-в, обеспечивающих надежную и долговечную работу в условиях высоких мех. напряжений — высокой прочностью, ударной вязкостью, хорошим сопротивлением к усталости, динамич. и ударным нагрузкам.

Основную (по объему) часть выпускаемых во всем мире конструкционных сплавов составляют разл. марки сталей и чугунов. В авиац., судостроит. и космич. технике, где кроме перечисленных выше св-в необходимо учитывать плотность материала, находят применение конструкционные сплавы на основе А1 и Ti, к-рые по уд. прочности во мн.

случаях не уступают, а иногда даже превосходят наиб. прочные стали.

Из инструментальных сплавов изготовляют гл. обр. измерит. и металлообрабатывающие инструменты. Первые изготовляют в осн. из углеродистых или легированных сталей, вторые — из быстрорежущих, штамповых сталей (см. Железа сплавы) и твердых сплавов.

Изделия из быстрорежущих и штамповых сталей получают традиц. методами литья с послед. мех. и термич. обработкой.

Инструменты из твердых сплавов обладают более высокой твердостью, чем инструменты из стали, и способны работать при более высоких т-рах и с более высокой производительностью.

Читайте также:  Развитие транспортной системы москвы

В группу электротехнических входят сплавы с особыми магн. (см. Магнитные материалы) и электрич. св-вами.

К сплавам с особыми электрич. св-вами относят: электроконтактные сплавы (размыкающие, скользящие); с высоким, слабо зависящим от т-ры электрич. сопротивлением; термоэлектродные; резисторные; сплавы для нагреват. элементов и др.

Размыкающие контакты должны обладать высокой тепло-и электропроводностью, эрозионной стойкостью, сопротивлением свариваемости. Их изготовляют из сплавов благородных металлов, сплавов систем W-Ni-Cu, W-Ni-Ag, Ag-CuO(CdO). Скользящие контакты, кроме того, должны обладать низким коэф.

трения и высокой износостойкостью. Для их изготовления используют сплавы на основе систем Сu-С, Ag-Ni, Ag-Pd с добавками MoS2 , Sb и др., получаемые методами порошковой металлургии. Сплавы с высоким электрич. сопротивлением и малым температурным коэф. для реостатов, измерит. и др.

приборов изготовляют на основе систем Cu-Ni (константан), Cu-Mn-Ni (манганин). Сплавы для нагреват. элементов обладают высоким электрич. сопротивлением, достаточной прочностью и стойкостью против окисления при высоких т-рах, напр.

сплавы, содержащие Ni и Сr (нихромы), Fe, Сr и А1 (фехраль), Ni и Сг (хромаль). Для изготовления термопар используют сплавы на основе систем Pt-Ph, Ni-Cr (хромель), Ni-Аl-Мn-Si (алюмель), Cu-Ni (копель).

Триботехнические сплавы, предназначенные для работы в узлах трения, подразделяют на фрикционные (увеличивающие трение) и антифрикционные (снижающие трение). Первые должны обладать высокими и стабильными в широком интервале т-р коэф.

трения, износостойкостью, теплопроводностью, сопротивлением схватыванию, достаточной прочностью; вторые-низким коэф. трения, высокой износостойкостью. Фрикционные сплавы получают в осн.

методами порошковой металлургии на основе Fe и Си с добавками асбеста, оксидов и карбидов (увеличивающих трение), Pb, Sn, графита, сульфидов, солей (улучшающих износ и предотвращающих схватывание).

Антифрикционные сплавы-чугуны, бронзы и баббиты-сплавы на основе Pb, Sn, Zn или Аl (см. Антифрикционные материалы). Методами порошковой металлургии получают антифрикционные сплавы на основе системы Fe-графит и бронза—графит.

О жаропрочных и коррозионностойких сплавах см. соотв. Жаропрочные сплавы, Коррозионностойкие материалы.

Большую группу составляют сплавы со специфич. св-вами: тугоплавкие, легкоплавкие, пористые, с постоянным коэф. термич. расширения, с особыми ядерными св-вами, с эффектом памяти формы и др. Тугоплавкие сплавы для нагреват. элементов и др.

деталей, работающих при т-ре > 1500°С, изготовляют на основе переходных металлов IV-VI гр., a также тугоплавких карбидов, нитридов, силицидов, боридов разл. металлов. Легкоплавкие сплавы на основе Sn, Pb, Cd, Bi (напр.

, сплав Вуда), Та, Hg, Zn имеют т-ры плавления ниже отдельных компонентов и используются в качестве предохранит. вставок, пробок, легкоплавких припоев. Пористые сплавы создают в осн. методами порошковой металлургии.

Сплавы со сквозными порами используют в качестве фильтров, самосмазывающихся подшипников, пламегасителей; с изолир. порами (пеноматериалы)-в качестве теплозащиты.

В атомной технике используют сплавы с особыми ядерными св-вами: высоким или низким сечением захвата (вероятностью поглощения) нейтронов, g-лучей; способностью замедлять и отражать нейтроны; способностью передавать тепло, выделившееся в результате ядерных р-ций (напр., сплавы для твэлов). Для их изготовления используют актиноиды Li, Be, В, С, Zr, Ag, Cd, In, Gd, Er; Sm, Hf, W, Pb и др. элементы.

В последнее время созданы сплавы с эффектом памяти формы, напр. на основе никелида Ti. Изделия определенной формы из таких сплавов, будучи многократно деформированы, после нагрева восстанавливают свою первоначальную форму.

Анализ. Для установления и проверки св-в сплавов применяют разл. методы контроля, в т.ч. разрушающего-испытания на мех. прочность и пластичность, жаропрочность, на прочность против коррозии, и неразрушающего (измерения твердости, электрич., оптич., магн. св-в). Хим. и фазовый состав сплавов определяют хим.-аналит. методами (см.

Качественный анализ, Количественный анализ), с помощью спектрального анализа (в т.ч. рентгеновского), рентгеновского структурного анализа и др. методов. Весьма эффективны для практич. применения методы быстрого («экспрессного») хим. анализа, используемые в процессе произ-ва сплавов, полуфабрикатов и изделий.

Для исследования самой структуры сплавов и ее дефектов используют методы хим. металловедения.

Лит.: Захаров М. В., Захаров A.M., Жаропрочные сплавы, М., 1972; Гуляев А. П., Металловедение, 5 изд., М., 1977; Ульянин E. А., Коррозионностойкие стали и сплавы, М., 1980; Колачев Б. А., Ливанов В. А., Елагин В. И.

, Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов, 2 изд., М., 1981; Рахштадт А. Г., Пружинные стали и сплавы, 3 изд., М., 1982; Геллер Ю. А., Инструментальные стали, 5 изд., М., 1983; Новиков И. И., Теория термической обработки металлов, 4 изд., М.

, 1986; Аморфные металлические сплавы, пер. с англ., под ред. Ф.Е. Люборского, М., 1987.

Ю. В. Левинский.

А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Понятие о сплавах. Фазы металлических сплавов

Под сплавом понимают вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. Возможны другие способы приготовления сплавов: спекание, электролиз, возгонка. В этом случае вещества называются псевдосплавами.

Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом.

Сплавы обладают более разнообразным комплексом свойств, которые изменяются в зависимости от состава и метода обработки.

Характеристика основных фаз в сплавах

Чистые металлы обычно имеют низкую прочность и невысокие технологические свойства. В технике обычно применяются сплавы. Сплавами обычно называют сложные вещества, полученные сплавлением нескольких элементов.

Элементы или химические соединения, образующие сплав, называют компонентами. Компонентами металлических сплавов могут быть не только металлы, но и неметаллы.

В зависимости от числа компонентов сплавы могут быть двойные, тройные и т. д.

В зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов в сплавах образуются фазы, число и тип которых характеризуют состояние сплава.

Фазой называют однородную часть сплава, характеризующуюся определенным составом, свойствами, типом кристаллической решетки и отделенную от других частей сплава поверхностью раздела. Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения фаз в сплаве. Фазовый состав и структура, определяющие свойства сплава, зависят от состава и технологии его обработки.

В сплавах возможно образование следующих фаз:

1) жидких растворов; 2) твердых чистых металлов; 3) твердых растворов; 4) химических соединений. В зависимости от количества фаз сплавы могут быть одно-, двух- и многофазными.

  • В жидком состоянии компоненты сплава обычно неограниченно растворяются друг в друге, образуя жидкие растворы. В твердом состоянии компоненты могут образовывать:
  • 1) механические смеси, представляющие собой смесь двух или нескольких фаз; 2) химические соединения, когда компоненты вступают в химические взаимодействия; 3) твердые растворы, когда один компонент растворяется в другом, который называется растворителем.
  • Механические смеси
  • Если элементы, входящие в состав сплава, при затвердевании из жидкого состояния не растворяются друг в друге и не взаимодействуют, то образуется механическая смесь. Механические смеси образуются при кристаллизации многих сплавов, например Pb — Sb,

А1 — Си. По структуре смесь представляет собой неоднородное тело. При металлографическом анализе на шлифе видны кристаллиты разных компонентов, образующих механическую смесь. Химический анализ определяет также разные элементы. Рентгеноструктурный анализ определяет два типа кристаллических решеток, образующих такую смесь.

Химические соединения

Если же элементы, составляющие сплав, взаимодействуют друг с другом, то образуются химические соединения. По структуре они представляют собой однородные твердые тела. Свойства химических соединений отличаются от свойств образующих их элементов. Они имеют постоянную температуру плавления (диссоциации).

Рентгеноструктурный анализ показывает различие кристаллических решеток химического соединения и исходных элементов. В химическом соединении сохраняется определенное соотношение атомов элементов, позволяющее выразить их состав стехиометрической пропорцией в виде простой формулы А„Вт, где А и В — соответствующие элементы, an vim — целые числа.

Составы этих соединений на диаграммах «состав — свойство» характеризуются особыми сингулярными точками.

Различают химические соединения двух типов: металл — неметалл и металл — металл.

К химическим соединениям металлов с неметаллами относят фазы с ионным типом связи и фазы внедрения.

Фазы с ионным типом связи образуются в тех случаях, когда атом металла отдает валентные электроны и становится положительным ионом, а атом неметалла (например, кислорода, серы) принимает их на свою внешнюю оболочку и становится отрицательным ионом.

В такой кристаллической решетке элементы удерживаются электростатическими силами. Химические соединения этой группы имеют строго стехиометрический состав, их формулы определяются валентностью составляющих элементов.

В структуре сплавов они находятся в виде неметаллических включений сульфидов, оксидов, фосфидов и т. д. Например, оксид марганца МnО, карбид железа Fe3C и др.

Фазы внедрения образуются в результате взаимодействия железа, марганца, хрома, вольфрама, молибдена и других металлов с неметаллами с малым атомным диаметром — углеродом, азотом, бором и водородом. К этим фазам относятся карбиды, нитриды, бориды и гидриды. Условием образования фаз внедрения является отношение атомных диаметров у неметалла и металла меньше

0,59. Атомы металла размещаются в узлах решетки, а атомы неметалла — в ее октаэдрических или тетраэдрических порах. Из-за меньших объемов тетраэдрических пор в них могут разместиться только атомы водорода.

Читайте также:  Особый характер труда

Фазы внедрения имеют простую химическую формулу Ме,Х (Fe4N, Mn4N), Ме2Х (Fe2N, Мо2С), МеХ (карбиды VC, TiC, WC, NbC и нитриды FeN, VN, TiN), где Me — металл, X — неметалл. Такие фазы внедрения, как карбиды и нитриды, обладают высокой твердостью. На базе фаз внедрения с избытком металлических атомов могут образовываться твердые растворы.

К системе металл — металл относятся электронные соединения (фазы Юм-Розери), фазы Лавеса и G-фазы.

Электронные соединения образуются между одновалентными (Си, Ag, Li) металлами или металлами переходных групп (Fe, Мп, Со), с одной стороны, и металлами с валентностью от 2 до 5 (А1, Be, Mg, Zn) — с другой стороны.

Электронные соединения являются фазами переменного состава. Соединения этого типа имеют определенную электронную концентрацию, т. е. определенное отношение числа валентных электронов к числу атомов: 3/2, 21/13, 7/4.

Фазы с такими значениями электронной концентрации принято обозначать соответственно Р-, у- и є-фазами.

К P-соединениям с электронной концентрацией N1 = 3/2, обычно имеющим ОЦК решетку, относятся соединения CuZn, CuBe, Cu3Al и др. Например, для соединения CuZn N. = (1-1 + + 2 • 1)/(1 + 1) = 3/2.

К у-соединениям с электронной концентрацией 21/13 и сложной кубической решеткой относятся Cu5Zn8, Co5Zn21, Fe5Zn21. Для соединения Cu5Zng N2 = (1 • 5 + 2 • 8)/(5 + 8) = 21/13.

Электронная концентрация 7/4 с гексагональной решеткой характерна для е-соединений CuZn3, Cu3Sn, Cu3Si. Для соединения CuZn3 с гексагональной е-решеткой N3 = (1? 1 + 2 • 3) /(1 + 3) = 7/4.

Электронные соединения характерны для сплавов на медной основе (латуней и бронз), где они являются упрочняющими фазами.

Фазы Лавеса имеют формулу АВ2. Они образуются между компонентами А и В при отношении их атомных диаметров от 1,1 до 1,6, обычно 1,2. К фазам Лавеса относятся соединения TiFe2, TiCr2, MoFe2, NbFe2, TiCo2, присутствующие в ряде жаропрочных сплавов и способствующие их упрочнению. Они имеют гексагональную плотноупакованную или гранецентрированную кубическую решетку.

  1. Сигма-фаза, образующаяся на базе металлов с близкими атомными диаметрами (как, например, о-фаза в системе Fe — Сг), появляется в структуре высокохромистых сплавов при их очень медленном охлаждении или изотермической выдержке при 600-800 °С.
  2. Образование кристаллов о-фазы сопровождается увеличением твердости и резким охрупчиванием коррозионностойких сталей.
  3. Твердые растворы
  4. Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (растворяемых) компонентов располагаются в его решетке, искажая ее.
  5. Химический анализ твердого раствора показывает несколько элементов, а металлографический и рентгеноструктурный — однородные зерна и один тип решетки, как у металла-растворителя.

Различают твердые растворы замещения и внедрения. Твердый раствор замещения образуется замещением части атомов растворителя в его кристаллической решетке атомами растворенного компонента (рис. 1, а).

Атомы растворенного элемента обычно не занимают особых мест в кристаллической решетке, а только замещают в некоторых узлах атомы растворителя. Такое размещение атомов называют неупорядоченным (рис. 4.2, а).

Оно образуется в тех случаях, когда взаимодействие разнородных элементов твердого раствора недостаточно выражено.

Если же атомы разных элементов твердого раствора взаимодействуют между собой несколько сильнее, чем однородные атомы, то они стремятся расположиться в определенном порядке. Атомы растворителя и растворенного элемента располагаются на разных кристаллографических плоскостях.

Например, в системе Au — Си после медленного охлаждения расплава одни кристаллографические плоскости состоят целиком из атомов меди, а другие — из атомов золота (рис. 4.2, б). Такие твердые растворы называют упорядоченными.

Полностью упорядоченные растворы образуются, когда отношение компонентов в сплаве составляют целые числа: 1:1, 1:2, 1:3

Сплавы и расплавы

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

Сплавы и расплавы

Рис. 2. Размещение атомов в кристаллической решетке твердых растворов:

а — неупорядоченное (сплав Cu-Au); б — упорядоченное (сплав Cu-Au); в — решетка твердого раствора вычитания

и т. д. Такой сплав с упорядоченной структурой можно характеризовать формулой химического соединения, например CuAu или Cu3Au.

Упорядоченные твердые растворы характеризуются более высокой твердостью и хрупкостью и могут рассматриваться как промежуточные фазы между неупорядоченными твердыми растворами и химическими соединениями.

В связи с различием в размерах атомов, при замещении атомов одного компонента атомами другого компонента происходит искажение кристаллической решетки. Это искажение тем больше, чем больше разница в размерах атомов и строении их кристаллических решеток.

При чрезмерном искажении решетки дальнейшая растворимость становится невозможной. Наступает предельная растворимость, при которой дополнительно вводимые атомы не могут войти в решетку и образуют самостоятельную фазу.

Если же оба компонента имеют однотипные кристаллические решетки, а атомные диаметры различаются не более чем на 8-15 %, то возможна неограниченная растворимость.

Неограниченно растворяются в твердом состоянии такие металлы с ГЦК решеткой, имеющие небольшую разницу в атомных размерах AR, как Ag и Au (AR = 0,2 %), Ni и Си (AR = 2,7 %) и др., а также металлы с ОЦК решеткой: Мо и W (AR = 9,9 %), V и Ті (AR = 2 %). Металлы с большим атомным диаметром (Na, Са, РЬ) в Fe, Си, Ni нерастворимы.

Предельная растворимость зависит также от различия в строении валентных оболочек электронов. Одновалентные металлы полностью растворяются только в одновалентных: Cu-Ag, Ag-Au, Cu-Ni.

Ограниченная растворимость компонентов наступает при достижении критической величины электронной концентрации в

твердом растворе N, где электронная концентрация — это количество валентных электронов на атом. Для ОЦК решетки N = 1,36, для ГЦК решетки N = 1,40. Если электронная концентрация превышает эти значения, то образуется новая фаза с другой кристаллической решеткой.

Например, из диаграммы состояния Си — Zn известно, что предел растворимости Zn в Си составляет 39 %. Для сплава, содержащего 61 % Си и 39 % Zn, N = (61? 1 + 39? 2)/100 = 1,39, что меньше предельного значения 1,40.

Твердый раствор внедрения образуется путем внедрения атомов растворенного компонента в междоузлия (пустоты) кристаллической решетки (рис. 1, б). В решетке ГЦК такая пустота находится в центре куба и образует сферу диаметром 0,4D, где D -диаметр атомов растворителя. В решетке ОЦК пустота находится в центре грани и образует сферу диаметром 0,29.0.

Образование твердых растворов внедрения, как правило, сопровождается увеличением параметров кристаллической решетки и ее искажением.

Твердый раствор внедрения характерен для сплавов металлов с элементами 1-го и 2-го периодов, имеющими малые атомные диаметры (С, В, N, Н, О).

Концентрация второго компонента в твердом растворе внедрения обычно невысока и всегда ниже, чем в твердых растворах замещения и химических соединениях этих элементов.

В отличие от химических соединений твердые растворы внедрения имеют кристаллическую решетку металла-растворителя, в то время как химические соединения образуют решетку, отличающуюся от решетки металла.

На базе химических соединений — фаз внедрения могут образовываться твердые растворы вычитания (рис. 2, в), иногда называемые твердыми растворами с дефектной решеткой.

В таких твердых растворах уменьшается число атомов растворителя и появляются свободные узлы в его решетке.

Твердые растворы вычитания образуются при растворении атомов V, Ті, Nb, Zr в их карбидах VC, TiC, NbC, ZrC в тех узлах, которые ранее были заняты атомами углерода.

Атомы растворенных элементов скапливаются в кристаллической решетке растворителя преимущественно вблизи дислокаций, снижая их упругую энергию (рис. 3). В растворах замещения атомы меньшего, по сравнению с атомами растворителя, размера присутствуют в сжатой зоне решетки, а большего размера — в растянутой зоне.

При образовании твердых растворов внедрения атомы располагаются в растянутой зоне решетки под экстраплоскостью. Вблизи дислокации они образуют группы в виде облаков, называемые атмосферами Коттрелла.

Такое расположение сопровождается уменьшением искажений кристаллической решетки и отвечает наименьшему запасу свободной энергии.

Тема №20

9. Металлы и сплавы. Стекло и расплавы

9.1. Металлы и сплавы. Технология их получения

Основными
металлами, применяемыми в строительстве,
являются черные металлы – сталь и чугун.
Из цветных металлов больше других
применяют алюминий и его сплавы.

Чугун
и сталь представляют собой сплав железа
с углеродом, кремнием, марганцем,
фосфором, серой и другими химическими
элементами. В основу деления черных
металлов на чугуны и стали положено
процентное содержание в сплаве углерода.

  • Чугун
    – это сплав железа с углеродом, содержание
    которого превышает 2%; в обычных чугунах
    углерода содержится не более 4%.
  • Сталь
    – это сплав железа с углеродом, содержание
    углерода не должно превышать 2%.
  • В зависимости от
    количества углерода различают сталь:
    низкоуглеродистую, с содержанием
    углерода в ней не более 2,5%; среднеуглеродистую,
    когда углерода в сплаве содержится от
    0,25 до 0,6%; высокоуглеродистую, с содержанием
    углерода более 0,6%.

При
повышении содержания углерода уменьшается
пластичность и повышается хрупкость
сталей. Для строительных конструкций,
подвергающихся динамическим воздействиям
в процессе эксплуатации или при монтаже,
применяют низкоуглеродистые стали.
Содержание других компонентов – кремния,
марганца, фосфора, серы – может достигать
в сталях более 1%, в чугунах – более 2 –
4%.

Для
повышения технических свойств чугунов
и сталей к ним добавляют различные
легирующие вещества: марганец, хром,
никель, молибден, алюминий, медь.

Читайте также:  Расшифровка строки 1150

Низколегированные стали содержат менее
2,5% легированных компонентов;
среднелегированные – от 2,5 до 10%;
высоколегированные стали – свыше 10%.

Введением легирующих веществ можно
существенно повысить коррозионную
стойкость, ковкость, упругость и другие
свойства черных металлов.

Цветные
металлы в чистом виде применяются крайне
редко. Значительно шире, чем другие
металлы, используют цинк, свинец, медь
и алюминий.

Цинк применяется для
изготовления листового материала,
используемого для устройства кровель,
вентиляционных коробов, водосточных
труб, подоконных сливов.

В основном в
строительстве применяют сплавы цветных
металлов, отличающиеся легкостью и
большой коррозионной стойкостью.

Вследствие
высокой стойкости к атмосферным
воздействиям алюминиевые изделия в
виде листов, труб, проволоки, стержней
широко применяются в строительстве.
Однако чаще используют более твердые
и прочные, чем чистый алюминий, алюминиевые
сплавы – дюралюмины.

Дюралюмины
– алюминиевые сплавы, обрабатываемые
давлением, наиболее широко применяемы
в строительстве. Основными добавками
являются медь (3,5 – 5%), магний (0,4 – 0,8%),
кремний (до 0,8%) и марганец (0,4 – 0,8%).

При
высоких температурах эти добавки
растворяются в алюминии, образуя твердый
раствор.

Дюралюмины являются хорошим
конструкционным материалом, в строительстве
используются в виде уголков, швелеров,
двутавров, труб круглого и прямоугольного
сечений, при изготовлении оконных и
дверных блоков, стеновых панелей, панелей
покрытий, перегородок.

Сплавы
на основе меди – бронза и латунь. Латунь
– сплав меди и цинка. Бронза – сплав
меди и олова. Сплавы на основе меди
применяют в санитарной технике для
изготовления запорной арматуры, кранов,
вентилей.

Производство
чугуна и стали представлено на рис. 45.

Рис.
45. Схема металлургического процесса.

Производство
чугуна является первичным процессом
получения металла из природного сырья
– железных руд. Чугун выплавляют в
доменных печах: сырьевыми материалами
служат железные руды, флюсы и кокс.

Железные
руды представлены магнитным железняком
(Fe3O4),
красным железняком (Fe2O3),
бурым железняком и шпатовым железняком (FeCO3).

Флюсы
(известняк и песчаник) применяют в
металлургии для понижения температуры
плавления пустой породы, содержащейся
в руде, и для перевода ее и золы топлива
в шлак.

Кокс
является продуктом переработки каменного
угля без доступа воздуха. В доменном
процессе кокс выполняет две функции:
топлива и восстановителя железа.

Восстановление
железа из руды производят в доменной
печи. В эту печь отдельными порциями
загружают сверху руду, кокс и флюсы, а
снизу подается горячий воздух, обогащенный
кислородом. Образующаяся при горении
кокса окись углерода восстанавливает
окислы железа до чистого железа.

В
нижней части печи восстановленное
железо частично вступает во взаимодействие
с углеродом, образуя карбид железа,
который увеличивает содержание углерода
в железоуглеродистом сплаве до 3 – 4%.
Образовавшийся чугун при температуре
около 1300 °С плавится и стекает в горн
печи.

В
результате доменного процесса получают
чугун, шлак и доменный газ. Доменный
шлак используют для изготовления вяжущих
веществ, теплоизоляционных материалов,
в дорожном и промышленном строительстве
в качестве щебня.

В
зависимости от назначения и свойств
чугуны подразделяют на следующие виды:
литейные, применяемые для чугунных
отливок – опорных подушек колонн,
санитарно-технических изделий, труб;
передельные, применяемые для производства
стали; специальные, которые добавляют
для повышения качества стали при ее
производстве.

Производство
стали осуществляют тремя способами:
конвертерным, мартеновским и электроплавкой.

Конвертерный
способ
производства
стали заключается в продувке воздухом
расплавленного чугуна. Кислород воздуха,
вступая во взаимодействие с примесями,
окисляет их и переводит в шлак.

Чугун,
используемый для конвертерного
производства, должен содержать не менее
1 – 1,5% кремния и 0,6 – 1% марганца, что
обеспечивает температурный режим,
необходимый для поддержания металла в
жидком состоянии.

Конвертерный способ
обладает высокой производительностью,
но сталь содержит большое количество
пузырьков воздуха, снижающих качество
стали, и поэтому ее нельзя применять
для изготовления мостовых конструкций,
ферм, рельсов.

Получаемый в
процессе производства конвертерный
шлак автором предложено использовать
для возведения оснований дорожных одежд
(Авт. свидетельство № 712477).

Мартеновский
способ

отличается от конвертерного выплавкой
стали на поду мартеновской печи. Сырьем
при мартеновском способе служат чугун
и стальной лом. В качестве топлива
используют газ.

Возможность использования
стального лома является большим
преимуществом мартеновского способа
перед конвертерным.

Этим способом
получают высококачественные стали
требуемого состава и свойств, используемые
для изготовления ответственных
строительных конструкций – ферм, мостов,
балок, рельсов.

Специальные
легированные стали получают в дуговых
и индукционных печах.
Для
плавки цветных металлов и их сплавов,
а также для нагревания металлов при их
термической обработке или при обработке
давлением применяют печи сопротивления.

Наиболее распространенными при
электроплавке стали являются дуговые
печи, плавление металлов в которых
происходит от тепла электрической дуги.

Процесс получения стали в электропечах
аналогичен мартеновскому способу,
отличаясь от него тем, что в электропечь
не подводят топливо и воздух для его
сжигания.

Производство
алюминия

состоит из трех основных стадий: получение
глинозема (Al3O3),
получение алюминия из глинозема,
рафинирование алюминия.

Химическим
и термическим путем из руд алюминия
(бокситы, нефелины, алунит) выделяют
глинозем (Al2O3),
затем из глинозема электролитическим
способом в электролизерах извлекают
металлический алюминий.

Полученный при
электролизе алюминий содержит ряд
примесей: металлических, неметаллических,
газообразных и т.д. Для получения чистого
алюминия его подвергают рафинированию
путем хлорирования.

Метод хлорирования
заключается в продувке алюминия при
температуре 750 – 760 °С хлором в течение
10 – 12 мин.

Недостатком
чистого алюминия (без примесей других
металлов) являются низкие твердость и
прочность. При добавке к нему магния,
меди, кремния, цинка, никеля прочность
алюминия повышается.

Комбинируя вид
добавок и их количество (от 1,5 до 20%),
получают алюминиевые сплавы с требуемыми
физико-химическими, механическими и
технологическими свойствами.

Эти сплавы
разделяют на две группы: литейные и
обрабатываемые давлением.

Литейные
сплавы

применяют для производства фасонных
отливок. К таким сплавам относят: силумин
– сплав алюминия с кремнием (10 – 14%);
сплав алюминия с медью (7-12%); вторичный
алюминий – сплав алюминия с четырьмя
компонентами: кремнием (3-7%), медью (1 –
4%), марганцем (0,4 – 0,8%) и цинком (0,5 – 1%).

Обрабатываемые
давлением алюминиевые сплавы

применяют для горячей и холодной прокатки
в виде плит, листов, полос, лент для
горячего прессования профилей, трубных
заготовок, прутков с последующим их
холодным волочением.

К таким сплавам
относят: альтмаг – сплав алюминия с
магнием (2,8%); авиаль – сплав алюминия с
медью (до 2,6%), магнием (0,8%), кремнием
(1,2%) и марганцем (до 0,8%); дюралюминий –
сплав алюминия с медью (до 5,5%), магнием
(до 0,8), кремнием (до 0,8%) и марганцем (до
0,8%).

Сплав | это… Что такое Сплав?

Сплав — макроскопически однородный металлический материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов.

Сплавы состоят из основы (одного или нескольких металлов), малых добавок специально вводимых в сплав легирующих и модифицирующих элементов, а также из не удаленных примесей (природных, технологических и случайных).

Сплавы являются одним из основных конструкционных материалов. Среди них наибольшее значение имеют сплавы на основе железа и алюминия. В технике применяется более 5 тыс. сплавов.

Виды сплавов

По способу изготовления сплавов различают литые и порошковые сплавы. Литые сплавы получают кристаллизацией расплава смешанных компонентов.

Порошковые — прессованием смеси порошков с последующим спеканием при высокой температуре. Компонентами порошкового сплава могут быть не только порошки простых веществ, но и порошки химических соединений.

Например, основными компонентами твёрдых сплавов являются карбиды вольфрама или титана.

По способу получения заготовки (изделия) различают литейные (например, чугуны, силумины), деформируемые (например, стали) и порошковые сплавы.

В твердом агрегатном состоянии сплав может быть гомогенным (однородным, однофазным — состоит из кристаллитов одного типа) и гетерогенным (неоднородным, многофазным).Твёрдый раствор является основой сплава (матричная фаза).

Фазовый состав гетерогенного сплава зависит от его химического состава.

В сплаве могут присутствовать: твердые растворы внедрения, твердые растворы замещения, химических соединений(в том числе карбиды, нитриды, интерметаллиды …) и кристаллиты простых веществ.

Свойства сплавов

Свойства металлов и сплавов полностью определяются их структурой (кристаллической структурой фаз и микроструктурой). Макроскопические свойства сплавов определяются микроструктурой и всегда отличаются от свойств их фаз, которые зависят только от кристаллической структуры.

Макроскопическая однородность многофазных (гетерогенных) сплавов достигается за счёт равномерного распределения фаз в металлической матрице. Сплавы проявляют металлические свойства, например: электропроводность и теплопроводность, отражательную способность (металлический блеск) и пластичность.

Важнейшей характеристикой сплавов является свариваемость.

Сплавы, используемые в промышленности

  • Сплавы различают по назначению: конструкционные, инструментальные и специальные.
  • Конструкционные сплавы:
  • Конструкционные со специальными свойствами (например, искробезопасность, антифрикционные свойства):
  • Для заливки подшипников:
  • Для измерительной и электронагревательной аппаратуры:
  • Для изготовления режущих инструментов:
  • В промышленности также используются жаропрочные, легкоплавкие и коррозионностойкие сплавы, термоэлектрические и магнитные материалы, а также аморфные сплавы.

См. также

Литература

  • 'Лахтин Ю.М.' Металловедение и термическая обработка металлов. Учебник для вузов. — 3-е. — Москва: Металлургия, 1983. — 360 с.
  • 'Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г.' Материаловедение. — Москва: Металлургия, 1975. — 445 с.
  • 'Колачев Б.А., Ливанов В.А., Елагин В.И.' Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. — Москва: Металлургия, 1972. — 480 с.

Ссылки