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.