Основні відомості з теорії сплавів – Привіт Студент!
При певному хімічному складі властивості сплаву визначаються його структурою, а структура своєю чергою визначається характером обробки, якої було піддано сплав.
Властивості сплавів встановлюють лабораторним випробуванням. Структуру сплаву визначають за видом зламу або трученого шліфу під мікроскопом, а також досліджують рентгенівським методом.
Вивчаючи одночасно властивості сплаву та його структуру і знаючи, якій термічній або механічній обробці піддавався сплав, що вивчається, можна встановити для кожного сплаву залежність між його властивостями, структурою та обробкою. Коли така залежність встановлена, можна за властивостями зразка сплаву певного хімічного складу зробити висновки щодо його структури та обробки, на яку зразок піддавався; або, встановивши структуру зразка сплаву певного хімічного складу, можна визначити його властивості та обробку. Ця залежність найкраще може бути графічно виражена у вигляді відповідних діаграм. Особливо плідним виявляється застосування графічного методу щодо залежності між хімічним складом сплаву, його структурою і термічної обробкою.
Наука, що займається вивченням залежності між складом сплавів, їхньою структурою та властивостями, називається металографією.
Криві нагрівання та охолодження.Одним з основних понять, яким користуються, застосовуючи металографічний метод до вивчення властивостей металів та сплавів, є поняття про критичну температуру. Критичною температурою або критичною точкою називається температура, при якій відбувається структурна зміна речовини, що нагрівається або охолоджується, і змінюється при цьому число або природа його фаз; наприклад,
температура переходу води з рідкого стану втверде дорівнює 0 °; отже, критична температура води буде 0°.
Виражаючи графічно залежність між зміною температури будь-якої речовини при охолодженні та часом, протягом якого ці зміни відбуваються, отримаємо криву, яка називається кривою охолодження. Так, відкладаючи у відповідному масштабі осі X час і по осі Y температури, отримаємо криву охолодження води (фіг.60). Розглядаючи криву охолодження води, помічаємо, що на деякій ділянці її АВ вона горизонтальна, тобто, що температура води, що охолоджується, протягом часу, що визначається відрізком АВ, залишалася постійною і рівною 0°.
З дослідів, що виробляються з охолодженням води, відомо, що точка А кривої охолодження відповідає початку замерзання води, а точка - кінці замерзання; таким чином, ділянка кривої АВ відповідає часу, протягом якого відбувається замерзання води.
Так як під час процесу охолодження води від неї віднімається тепло, то очевидно, що сталість температури під час процесу кристалізації води може бути пояснено лише припливом тепла, а оскільки ніякого зовнішнього джерела тепла під час досвіду немає, то, отже, заповнення тепла, що віднімається від води. може відбуватися лише за рахунок тепла, що розвивається у самій воді.
Таким чином, ми переконуємося, що процес кристалізації води супроводжується виділенням тепла в кількості, що дорівнює віднімається під час цього процесу.
При нагріванні льоду на відрізку АВ (фіг. 60) відбуватиметься перетворення льоду на воду.
Порівнюючи побудовані для води криві нагрівання та охолодження, переконуємося, що температура плавлення та температура затвердіння для неї однакові або, іншими словами, однакова критична температура переходу води з рідкого стану в твердий татвердого в рідке.
Подібно до того, як це було зроблено для води, будуються криві охолодження та криві нагріву для металів.
На фіг. 61 дана крива охолодження свинцю; температура початку кристалізації 327°, як видно з фігури, зберігається остаточно кристалізації.
Розглядаючи криву охолодження свинцю, бачимо, що у точці А свинець перебуває у рідкому стані; між точками А і В він являє собою суміш кристалів та рідини; нижче точки В - у твердому стані.
Таким чином, до точки А свинець представляє одну рідку фазу; нижче точки В – одну тверду і на ділянці АВ – дві фази – рідкий свинець та кристали.
Явлення переохолодження.Переохолодженням називається запізнення кристалізації, властивої будь-якій речовині при певній температурі.
Якщо переохолодження має місце при переході речовини з рідкого стану в тверде, то речовина, що розглядається, залишається рідким нижче температури, властивої його затвердінню. Для того, щоб викликати кристалізацію переохолодженої рідини, зазвичай достатньо поштовху або внесення в переохолоджену рідину кристала. Після початку кристалізації температура переохолодженої рідини підвищується рівня, відповідного нормальної кристалізації; у разі кристалізації чистої речовини температура системи залишається постійною до закінчення процесу кристалізації.
У сплавав затвердіння (або плавлення) зазвичай відбувається не при постійній температурі, а в інтервалі температур.
Деякі метали також здатні переохолоджуватися при затвердінні. Як приклад можна вказати олово, температура затвердіння якого 232°; олово здатне при переохолодженні залишатися в рідкому вигляді при температурах, що знижуються до 222°.
На фіг. 62 представлена криваохолодження олова; явище переохолодження отримало відображення у зниженні кривої до 222° та подальшому підйомі до 232° з утворенням на цьому рівні горизонтального відрізка, відповідного часу затвердіння рідкого олова.
Слід зазначити, що явище переохолодження більшою чи меншою мірою спостерігається у всіх випадках як при кристалізації з рідини, так і при перетвореннях у твердому стані (вторинна кристалізація). Теоретичний розгляд процесу кристалізації показує, що деяке переохолодження завжди необхідне початку перетворення. Ступінь переохолодження залежить від швидкості охолодження.
Кристалізація розплавлених металів.Швидкість охолодження будь-якої речовини залежить від її теплопровідності, кількості речовини, теплопровідності навколишнього середовища та різниці температур речовини та навколишнього середовища. Як зазначив вперше видатний український металознавець Д. К. Чернов, швидкість затвердіння металу та величина зерна у злитках визначаються швидкістю зародження кристалів у даній речовині та швидкістю зростання кристалів. Швидкість зародження кристалів визначається кількістю центрів кристалізації (зачатків кристалізації по Чернову), що виникають в одиниці обсягу за одиницю часу. Під швидкістю зростання кристалів розуміється лінійна швидкість кристалізації. Ці величини, які називають параметрами кристалізації, залежать від ступеня переохолодження.
Якщо тіло має здатність до утворення великої кількості кристалізаційних центрів при малій швидкості росту кристалів, то при затвердінні утворюється дрібнозерниста маса; у разі великої швидкості зростання кристалів за малого числа кристалізаційних центрів утворюється крупнозерниста структура.
Чим повільніше відбувається процес кристалізації, тимбільше будуть розміри окремих кристалів; внаслідок цього у злитках розмір кристалічних зерен збільшується від поверхні до центру.
Оскільки параметри кристалізації визначаються ступенем переохолодження, а остання у свою чергу залежить від швидкості охолодження, очевидно, регулюючи умови охолодження, можна змінювати структуру зливка (величину і форму зерен зливка).
Рекристалізація.При обробці металів тиском змінюється не тільки зовнішня форма оброблюваного шматка металу, але також деформуються і подрібнюються кристалічні зерна, з яких складається метал, що викликає порушення правильності розташування атомів, що призводить до виникнення
вання внутрішніх напруг і змінює механічні якості металу. Такий метал називається наклепаним.
Якщо наклепаний метал піддати нагріванню до належної температури, то серед деформованих уламків кристалів починають утворюватися і рости нові, які повністю поглинуть усі деформовані кристаліти, і навіть після того, як у процесі зростання нові зерна приходять у зіткнення між собою, деякі з них частково виростуть одне за рахунок іншого. Така перекристалізація наклепаного металу, звана рекристалізація, повертає йому втрачені при обробці механічні якості.
Температура рекристалізації для різних металів неоднакова, вона залежить від абсолютної температури плавлення й у чистих металів визначається, як показав акад. А. А. Бочвар, формулою
Потрібно, однак, мати на увазі, що процес рекристалізації наклепаного металу при температурах, що визначаються наведеною формулою, має загасаючий характер: швидкий спочатку він сповільнюється з часом.
Тому на заводах після холодної деформації(прокатки, волочіння) вироби для зняття наклепу нагрівають до температур, що лежать на 100-200 ° вище, ніж температура рекристалізації.
Наприклад, для технічно чистої міді температура рекристалізації за наведеною вище формулою лежить близько 270 ° С (абсолютна температура плавлення Тпл = 1083 + 273 = 1356 ° К; Трекр = 0,4 - 1356 ° К; tpeкp =
270 ° С), але практично рекристалізований відпал міді проводять при температурі близько 350-400 ° С.
Дещо інакше надходять при відпалі після холодної деформації сталевих виробів. У вуглецевих сталях температура рекристалізації лежить близько 500-600 °. Але оскільки вище приблизно 700° в сталях відбуваються фазові перетворення, то при виборі температури рекристалізаційного відпалу керуються температурами критичних точок. Зазвичай цей відпал одночасно використовують і для отримання дрібнозернистої структури за рахунок фазових перетворень (вторинна кристалізація).
Алотропічні перетворення.Алотропічним перетворенням називають зміну структури речовини, що полягає у зміні його кристалічних ґрат.
Алотропічні перетворення речовини супроводжуються виділенням або поглинанням тепла, а також зміною його властивостей. Різні алотропічні стани речовини називаються його модифікаціями. Здатність будь-якої речовини існувати у різних модифікаціях називається поліморфізмом.
Кожна модифікація властиво залишатися стійкою лише в межах певного для даного тіла інтервалу температур; модифікації, стійкі в інтервалі найбільш низьких температур, прийнято позначати через а, модифікації наступного температурного інтервалу через р і т. д.
На кривих охолодження та нагрівання перехід тіла з одного алотропічного стану в інший отримуєвідображення у вигляді температурної зупинки (для чистих металів) чи зміни характеру кривої (для сплавів).
У вигляді прикладів поліморфізму можна вказати вуглець, відомий у модифікаціях графіту та алмазу, з металів — залізо, що має три модифікації а, у та 3. Алотропічні перетворення заліза будуть докладно розглянуті нижче.
У сплаві, якщо компоненти його взаємно нерозчинні і в твердому стані, структура є механічною сумішшю чистих компонентів, алотропічне перетворення, властиве якомусь із компонентів, відбувається при постійній температурі, як і для чистої речовини.
У разі, коли утворюється твердий розчин компонентів сплаву, алотропическое перетворення зазвичай відбувається у інтервалі температур.
Вторинні фази.Зміна розчинності легуючого компонента сплаву в твердому стані при зниженні температури часто призводить до того, що при досить повільному охолодженні сплаву з твердого розчину виділяється надлишковий компонент або у вигляді будь-якої хімічної сполуки, або у вигляді твердого розчину на основі цього надлишкового компонента. Виділення цих фаз, званих надлишковими чи вторинними, розташовуються або в межах зерен вихідного твердого розчину, або всередині його зерен. При підвищенні температури відбувається зворотний процес - процес розчинення фаз, що раніше виділилися. Ці структурні зміни суттєво відбиваються на властивостях сплаву.
Явлення вторинної кристалізації, т. е. перетворення на сплавах у твердому стані, підпорядковуються тим самим загальним законам кристалізації, сформульованим вище.
Перетворення у твердому стані широко використовуються у практиці термічної обробки сплавів для зміни властивостей сплавів у необхідних напрямках.
Наприклад,термічна обробка сталі базується на використанні алотропічних перетворень залізовуглецевих сплавів; ці перетворення мають досить складний характер. При термічній обробці важливого технічного сплаву дуралюміну (або кольчугалюміну), що складається в основному з алюмінію з міді добавкою, використовується розпад пересиченого твердого розчину міді і алюмінію.
Завантажити реферат: У вас немає доступу до завантаження файлів з нашого сервера. ЯК ТУТ СКАЧУВАТИ