Строение и физические свойства металлов и сплавов в жидком и твердом состояниях, страница 6

В технике металлы используются преимущественно не в чистом виде, а в виде сплавов. Сплав представляет собой многокомпонентный материал, содержащий кроме основного металла легирующие компоненты. Так сталь представляет сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием и другими элементами. Сплавы алюминия содержат в своем составе Si, Mg и другие элементы в количестве до нескольких процентов по массе. Физико-механические и другие свойства сплавов определяются как основным металлом, так и легирующими элементами.

Свойства сплавов рассматриваются на так называемых диаграммах состояния, в которых свойства сплавов являются функцией состава. Для литейной технологии, а также в металловедении и металлургии рассматривается важное свойство – температура фазовых переходов, в том числе температура перехода из жидкого состояния в твердое и обратно (затвердевание – плавление).

Диаграммы зависимости температуры фазовых переходов от состава получили название фазовых диаграмм состояния сплавов. Лучше всего изучены двойные диаграммы состояния, представляющие собой плоское графическое изображение – для двух компонентов сплава.

Рассмотрим основные типы двойных фазовых диаграмм состояния металлических сплавов, наиболее типичные для литейных сплавов. Наиболее простой в графическом изображении является диаграмма состояния с неограниченной растворимостью в жидком и твердом состояниях. Примером такой двойной диаграммы служит сплав Ni-Cu (рис. 10). Жидкая фаза представляет жидкий раствор меди в никеле любой концентрации от 100 % Ni до 100 % Cu. Твердая фаза представляет b-твердый раствор замещения – атомы никеля и меди перемешаны друг с другом в узлах решетки ГЦК (рис. 11). На трех гранях куба атомы никеля замещены атомами меди. Естественно, что параметры кристаллической решетки претерпевают изменения и искажения, обусловленные различиями в геометрических размерах атомов Ni и Cu.

Для изучения свойств сплавов типа твердых растворов очень важно глубокое понимание природы происходящих превращений. Рассмотрим основное фазовое превращение – переход из жидкого состояния в твердое и связанные с этим переходом соотношение фаз и изменение химического состава. Рассмотрим в увеличенном масштабе диаграмму состояния двух металлов А и Б, образующих неограниченный твердый раствор (рис. 12).

Рассмотрим сплав произвольного состава "Со" с более высоким процентным содержанием компонента "А".

Для этого сплава температура начала затвердевания – Т_лик – температура ликвидус; а конца затвердевания – Т_сол – температура солидус. При температуре Т₁, меньшей температуры ликвидус, но большей температуры солидус (внутри интервала затвердевания) в сплаве одновременно присутствует и жидкая и твердая фаза. Химический состав твердой фазы, выделяющейся при температуре Т₁ соответствует концентрации С₁, а состав жидкой фазы соответствует концентрации С₂. Соотношение между относительными количествами твердой и жидкой фаз определяется в соответствии с так называемым "правилом рычага". При температуре Т₁ относительная доля (по массе) твердого сплава равна , а относительная доля жидкого сплава соответственно . Это соотношение несложно выводится из следующего логического анализа. При температуре Т₁ обозначим массу жидкого сплава m_L, а массу твердого сплава m_S. Тогда масса элемента Б в жидком сплаве будет равна , а масса этого элемента в твердом – . Составим уравнение материального баланса по элементу Б:

.

Проведем алгебраические преобразования:

и далее

.

Представим массовые доли твердой и жидкой фаз в виде отношения:

или по буквенным обозначениям отрезков , . Тогда .