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.
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.
Выбор базового компонента сплава определяется техническим заданием на его свойства. В зависимости от базового компонента все сплавы делятся на:
черные, основу которых составляет железо (стали, чугуны);
- цветные, основу которых составляет любой металл, кроме железа (алюминиевые, медные, никелевые, титановые и др.).
Выбор других компонентов сплава производится на основе оценки взаимодействия элементов периодической системы с базовым компонентом и между собой. Их взаимодействие учитывается и в жидком, и в твердом состояниях, так как сплавление проводится при температурах, превышающих температуру плавления базового компонента, а затем сплав, охлаждаясь, кристаллизуется и остывает до температуры окружающей среды. При этом изменяется не только агрегатное состояние системы, но и ее фазовый состав в зависимости от температуры и скорости охлаждения.
Фазы металлических сплавов
В сплавах компоненты могут вступать во взаимодействие с образованием различных фаз. Различают следующие фазы металлических сплавов:
- жидкие растворы;
- твердые растворы;
- химические соединения.
Раствором называется твердая или жидкая гомогенная (однородная) система, состоящая из двух или более компонентов, относительные количества которых могут изменяться в широких пределах.
Жидкие растворы. Большинство металлов растворяются друг в друге в жидком состоянии неограниченно (в любых соотношениях).
При этом образуется однородный жидкий раствор, в котором атомы растворимого металла равномерно распределены среди атомов металла-растворителя.
Строение и свойства металлов и сплавов
... Это определяет металлические свойства вещества. Металлические сплавы обладают теми же свойствами, что и металл. Металлическое состояние обусловлено особенностями атомно-кристаллического строения металлов. По современным ... не носят направленного характера. Это определяет особый тип связи - металлический. Металл в твёрдом состоянии характеризуется определённой закономерностью расположения атомов ...
Твердые растворы. В твердом растворе металл-растворитель сохраняет свою кристаллическую решетку, а растворимый элемент (металл или неметалл) распределяется в ней в виде отдельных атомов. Твердые растворы бывают двух типов:
- твердые растворы замещения;
- твердые растворы внедрения.
твердых растворах замещения
твердых растворах внедрения
Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу.
При образовании твердого раствора кристаллическая решетка всегда искажается, так как атомы растворителя и растворенного компонента различны.
Искажение кристаллической решетки обусловливает изменение свойств сплавов по сравнению со свойствами исходных компонентов. Образование твердых растворов в сплавах приводит к увеличению их электрического сопротивления, снижает пластичность и вязкость.
упорядоченными
Химические соединения. Химические соединения и родственные им фазы постоянного состава в металлических сплавах многообразны. Они имеют характерные особенности, отличающие их от твердых растворов:
- их кристаллическая решетка отличается от кристаллических решеток компонентов, образующих соединение;
- соотношение элементов в них кратно целым числам;
- их свойства отличны от свойств образующих элементов;
- они плавятся при постоянной температуре;
- их образование сопровождается значительным тепловым эффектом.
Диаграммы состояния сплавов
Для определения количества фаз в сплаве, их состава пользуются диаграммами фазового равновесия — диаграммами состояния. Диаграмма состояния — графическое изображение фазового состава сплава в состоянии равновесия или близком к нему в зависимости от содержания компонентов в сплаве и от температуры.
критическими точками.
В расплавленном состоянии металлы обычно неограниченно растворимы друг в друге. В твердом состоянии их взаимная растворимость может изменяться.
Рассмотрим диаграмму состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии .
Система состоит из двух компонентов А и В, полностью растворимых друг в друге в твердом состоянии. Ось абсцисс показывает изменение концентрации растворенного компонента В от 0 до 100%, ось ординат — температуру, при которой рассматривается состояние системы.
Вертикальная линия, соответствующая чистому компоненту А (0% В), является диаграммой состояния компонента А. При нагревании чистого компонента А он находится в твердом состоянии до температуры Т А , которая является температурой плавления (соответственно и температурой кристаллизации).
При этой температуре компонент А плавится и выше этой критической точки находится в жидком состоянии.
Вертикальная линия, соответствующая чистому компоненту В (100% В), является диаграммой состояния компонента В. Критическая точка — температура плавления Т в .
Технология наплавки твердыми сплавами
... износоустойчивости и т. д.). Наплавка может выполняться металлическими штучными электродами, стальной наплавочной проволокой (лентой) и твердыми сплавами. Твердыми сплавами называют сплавы карбидо- и боридообразующих металлов ... минимальная деформация изделия. При наплавке тел вращения это достигается ведением непрерывного процесса по винтовой линии с перекрытием последующим валиком ...
Сплав с содержанием 50% В (вертикальная линия I), так же как и другие сплавы системы, имеет две критические точки T s — температура начала плавления (конца кристаллизации) и Tt — температура конца плавления (начала кристаллизации).
Интервал температур от T s до T L — это интервал плавления (кристаллизации) сплава.
Выше температуры T L сплав находится в расплавленном состоянии, представляет собой однофазную систему. Линия, соответствующая температурам, выше которых сплав полностью расплавлен, называется линией ликвидус .
Ниже температуры T s сплав представляет собой твердый раствор L, система однофазна. Линия, соответствующая температурам, ниже которых сплав находится полностью в твердом состоянии, называется линией солидус.
В интервале кристаллизации T L — T s сплав представляет собой двухфазную систему: часть сплава находится в жидком состоянии (расплав), остальной сплав в твердом состоянии (кристаллы L — твердого раствора).
диаграмму состояния компонентов с ограниченной растворимостью друг в друге в твердом состоянии
Та и Т в — температуры плавления компонентов А и В соответственно. Линия Т А СТ В — линия ликвидус. Линия T A ECDT B — линия солидус.
Предельная растворимость компонента В в компоненте А соответствует точке F, компонента А в компоненте В- точке G. В интервале концентраций, соответствующих точкам Fn G, компоненты An В друг в друге нерастворимы. После кристаллизации сплавы таких концентраций представляют собой двухфазную систему, состоящую из а и В- твердых растворов.
Сплав, соответствующий проекции точки С, является самым легкоплавким и называется эвтектическим. Этот сплав кристаллизуется (плавится) при постоянной температуре, при этом из расплава кристаллизуются одновременно две твердые фазы (а и В- растворы).
Такой процесс называется эвтектическим превращением.
Эвтектика — это механическая смесь нескольких твердых фаз, одновременно кристаллизующихся при постоянной температуре из расплава.
Сплавы, относящиеся к области левее точки Сдо точки Е, называются доэвтектическими, правее точки Сдо точки D — заэвтектическими.
Связь между структурой и свойствами сплавов
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.
Измерение параметров и характеристик сверхвысокочастотных линий ...
... сопротивлений; Р 4 – измерители S-параметров (векторные анализаторы цепей – ВАЦ); Р 5 – измерители неоднородностей линий передачи (импульсные рефлектометры). Методы измерения, на которые базируются приборы перечисленных видов ... 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2005. 2Бакланов И.Г. Технологии измерений в современных телекоммуникациях. – М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2007. 3Метрология, стандартизация и ...
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.
