Конспект лекций «материаловедение»

Вид материала

Конспект

Содержание 4.2. Твердые фазы в металлических сплавах 4.2.1. Твердые растворы В располагаются в междоузлиях решетки растворителя А 4.2.2. Химические соединения 4.3. Влияние сплавления на свойства металлов

Подобный материал:

• Конспект лекций     по теме:   «Материаловедение»     для специальности 120100 "Технология, 104.18kb.
• Конспект лекций     по теме:   «Материаловедение»     для специальности 120100 "Технология, 5022.76kb.
• Е. в конспект лекций «материаловедение» ч. 1 конспект, 33.7kb.
• Конспект лекций «материаловедение», 249.86kb.
• Конспект лекций 2008 г. Батычко В. Т. Административное право. Конспект лекций. 2008, 1389.57kb.
• Конспект лекций 2010 г. Батычко Вл. Т. Муниципальное право. Конспект лекций. 2010, 2365.6kb.
• Конспект лекций «материаловедение», 123.26kb.
• Конспект лекций 2011 г. Батычко В. Т. Семейное право. Конспект лекций. 2011, 1718.16kb.
• Конспект лекций 2011 г. Батычко Вл. Т. Конституционное право зарубежных стран. Конспект, 2667.54kb.
• Конспект лекций «материаловедение», 197.98kb.

Глава 4. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ

4.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

В главе 1 отмечалось, что технические металлы имеют низкую прочность, и одним из наиболее общих методов ее повышения является создание сплавов. Очевидно, что метод сплавления позволяет получить и более широкий диапазон специфических полезных свойств (например, жаропрочность, коррозионную стойкость, износостойкость и др.).

Сплавы - это материалы, полученные сплавлением или спеканием (порошковая металлургия) двух или более компонентов.

Компоненты - вещества, образующие сплав; ими могут быть химические элементы или устойчивые химические соединения.

Структура сплава и его свойства определяются в первую очередь типом фаз, которые образуются при сплавлении компонентов. Очевидно, что любой химический элемент может находиться в зависимости от температуры (и давления) 8 твердой, жидкой или газообразной фазах. Эти фазы отличаются агрегатным состоянием вещества. Химические элементы - однокомпонентные системы. Многокомпонентные системы - сплавы - и в твердом состоянии могут иметь сложное, многофазное строение. Уточним понятие твердой (в смысле кристаллической, в отличие от жидкой) фазы в таких системах.

Фаза - однородная по всем характеристикам (химический состав, тип решетки, свойства) и обособленная (отделенная поверхностью раздела) часть сплава.

^ 4.2. ТВЕРДЫЕ ФАЗЫ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВАХ

В зависимости от характера ;физико-химического взаимодействия компонентов в металлических сплавах могут присутствовать три основных типа твердых фаз: 1) химические элементы, 2) твердые растворы, 3) химические соединения.

Если какое-либо взаимодействие между компонентами А и В (химические элементы) при сплавлении отсутствует, то в затвердевшем сплаве они присутствуют в виде изолированных кристаллов, образуя двухфазную механическую смесь. Каждый такой кристалл, следовательно, является однокомпонентной фазой, т. е. химическим элементом с присущими ему кристаллическим строением и свойствами, которые обсуждались в главе 1. Поэтому здесь более подробно следует рассмотреть строение и свойства многокомпонентных¹ фаз - твердых растворов и химических соединений.

^ 4.2.1. Твердые растворы

Твердые растворы - фазы, в которых атомы одного компонента (В) размещены (растворены) в кристаллической решетке другого компонента (А - «растворителя»). По мере увеличения количества растворенных атомов В в решетке А химический состав и свойства твердого раствора плавно изменяются (в частности, температура плавления). Таким образом, твердый раствор - фаза переменного состава. Количество растворенных атомов (предел растворимости) в твердом растворе зависит от индивидуальных свойств компонентов А и В и, обычно, - температуры.

Сплав, представляющий собой твердый раствор, является однофазным веществом € решеткой, присущей основному компоненту (растворителю). Атомы второго компонента (растворенного) размещены в решетке растворителя, как правило, случайным, неупорядоченным образом.

По способу размещения |атомов растворенного вещества (В) в решетке растворителя (А) различают два основных типа твердых растворов - растворы замещения и внедрения (рис. 4.1).




Рис. 4.1. Твердые растворы замещения (а) и внедрения (б)


Видно, что при образовании твердых растворов замещения (рис. 4.1,а) атомы В располагаются в пустых узлах (вакансиях, см. раздел 1.2) решетки компонента А, т. е. «замещают» ее собственные атомы. Количество атомов В в решетке А в этом случае может изменяться в широких пределах. Возможна даже неограниченная (100%-ная) взаимная растворимость компонентов в твердом состоянии, если выполняются следующие условия: 1) кристаллические решетки компонентов А и В однотипны (изоморфны); 2) размеры атомов А и В отличаются не более, чем 1на 10...15 %; 3) близкое строение внешних электронных оболочек атомов А и В.

В случае твердых растворов внедрения (рис. 4.1,6) атомы ^ В располагаются в междоузлиях решетки растворителя А. Понятно, что это возможно, если размеры ^томов В сравнимы с размерами межатомных пустот решетки А. Поэтому растворы внедрения образуют первые четыре элемента таблицы Менделеева (Н, В, С, N), имеющие малый диаметр, приблизительно 0,15 нм, с металлами, у которых атомы, а значит и межатомные пустоты, достаточно велики - например, переходными металлами с атомным диаметром примерно 0,25 нм.

Твердые растворы внедрения всегда имеют ограниченную растворимость, так как ограничены размеры (и количество) межатомных пустот. Из-за несоответствия размеров пустот с размерами размещающихся в них атомов возникают упругие искажения решетки, препятствующие дальнейшему растворению.

^ 4.2.2. Химические соединения

Вторым типом двухкомпонентных фаз в сплавах являются химические соединения. В типичных химических соединениях преобладают ионный или ковалентный типы межатомных связей. Такие соединения характеризуются следующими признаками:

1) определенным соотношением чисел атомов элементов (компонентов) А и В в соединении, которое соответствует формуле А_пВ_т, где п и т - простые числа;

2) различием кристаллической решетки соединения и решеток исходных компонентов (атомы А и В в решетке А_пВ_т расположены упорядоченным образом);

3) определенными свойствами (в частности, постоянной температурой плавления), существенно отличающимися от свойств исходных компонентов. Если в сплаве химический состав отклоняется от заданного формулой А_пВ_т, свойства резко изменяются.

Все эти признаки отличают такие соединения от твердых растворов.

Следует, однако, сказать, что классические химические соединения, строго удовлетворяющие всем этим требованиям, не играют большой роли в металлических сплавах. Обычно это неметаллические включения (оксиды, сульфиды), которые образуются в сплавах в процессе их производства и присутствуют в небольших количествах.

Большое значение в металлических сплавах имеют соединения, в которых в значительной мере присутствует металлический тип связи. Специфика такой связи - ненаправленность и ненасыщенность (см. стр. 6, 10), - приводит к тому, что эти соединения отличаются рядом особенностей - они не подчиняются правилу валентности (см. стр. 10) и имеют переменный состав. Эти особенности сближают такие соединения с твердыми растворами. Подобные соединения относят к промежуточным фазам, их существует несколько типов. В сталях, например, наибольшее значение имеют такие разновидности промежуточных фаз, как фазы внедрения.

Фазы внедрения - это промежуточные фазы, образуемые переходными металлами (М: Fе, Мn, W, Тi, ...) с элементами (X), имеющими малый атомный радиус (X: Н, N, B, С). Т. е. это гидриды, нитриды, бориды, карбиды. Величина их атомных радиусов удовлетворяет соотношению r_х/r_м<0,59. В этом случае атомы неметалла способны размещаться в межатомных пустотах решетки металла в значительных количествах. Фазам внедрения можно приписать химическую формулу типа МХ (например, WС, FеВ, ТiС), М₂Х (W₂С, Fе₂В), М₄Х (Fе₄N). Однако они имеют переменный состав (подобно твердым растворам). Состав, отвечающий химической формуле, характеризует лишь максимально возможную концентрацию неметалла в соединении. Тип кристаллической решетки фаз внедрения не совпадает с типом решетки исходного металла (как при образовании классических химических соединений).

Для дальнейшего важно отметить, что химические соединения независимо от их природы, как правило, более тверды и хрупки (менее пластичны), чем твердые растворы тех же компонентов (подробнее об этом в следующем разделе).

^ 4.3. ВЛИЯНИЕ СПЛАВЛЕНИЯ НА СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

В сплаве - твердом растворе атомы растворенного компонента (В) являются точечными дефектами решетки растворителя (А). Это очевидно из сравнения рис. 4.1 и рис. 1.6.

Следовательно, растворенные атомы В искажают решетку основного металла А, вызывают в ней внутренние напряжения. Внутренние напряжения, как известно (глава 1), тормозят скольжение дислокаций, затрудняют пластическое деформирование металла, т. е. повышают его прочность. Упрочняющее влияние растворенных атомов проявляется еще и в том, что они скапливаются в растянутой области решетки под дислокацией, взаимодействуют с ней, делают ее малоподвижной. Для движения дислокации необходим отрыв ее от примесного облака, что требует дополнительных усилий, т. е. опять-таки повышает прочность.

Таким образом, сплавление, приводящее к образованию твердого раствора, само по себе вызывает повышение прочности исходного металла (растворителя А). Очевидно, что эффект упрочнения в этом случае должен в основном определяться концентрацией К растворенных атомов В и степенью искажения решетки растворителя А, создаваемого каждым атомом В. Степень искажения решетки растворителя обычно выражают параметром несоответствия радиусов атомов растворителя r_А и растворенного компонента r_В . .

Теория показывает, что предел текучести _т твердого раствора описывается соотношением

_т =2,5G^4/3K, (4.1)

где G - модуль сдвига.²

Отсюда следует, что упрочнение металла (растворителя) при образовании твердого раствора линейно зависит от концентрации растворенных атомов К и в несколько большей степени (4/3) от различия размеров е их атомов и атомов растворителя. Последнее объясняет известный факт большего упрочнения ₍твердых растворов внедрения (где разница в размерах атомов наибольшая и значит максимальны искажения решетки растворителя) по сравнению с растворами замещения.

На рис. 4.2 показана зависимость эффекта упрочнения металлов от указанных параметров К и .

Следует отметить, что реальный эффект упрочнения зависит не только от размера растворенных атомов (через ), но и от их электронного строения, поскольку оно определяет характер их электрического взаимодействия с дислокациями. С этим, по-видимому, связано то, что эффект упрочнения при растворении Ni больше, чем при растворении V в Fе (рис.4.2, а) или Zn в Сu (рис. 4.2,б), хотя величина  в обоих случаях меньше при растворении Ni, чем V или Zn.


Рис. 4.2. Упрочнение железа (а) и меди (б) при образовании твердых растворов различного химического состава и концентрации К

Числа в скобках у обозначений растворенных химических элементов - величины параметра несоответствия . По осям ординат откладываются отношения твердости и прочности (предела текучести) сплавов - твердых растворов к твердости и прочности исходного компонента (растворителя).

Упрочнение, происходящее при образовании твердых растворов, сопровождается, как правило, снижением пластичности, так как торможение дислокаций отрицательно сказывается на способности металла к пластическому деформированию.

Искажения решетки растворителя, вызванные проникновением в нее чужеродных атомов, повышают также электросопротивление. Электросопротивление твердого раствора _А(в) отличается от сопротивления исходного металла - растворителя _А на величину

 = _А(в) - _А = K(1-K), (4.2)

где К - концентрация растворенных атомов В;  - коэффициент, определяемый эффективностью рассеяния электронов растворенными атомами; зависит от разности размеров атомов А и В и различий в их электронной структуре (ср. со сказанным выше о параметре ).

При малых концентрациях растворенных атомов К(1-К)К, тогда

  K (4.3)

Из сравнения выражений (4.1) и (4.3) видно, что повышения сопротивления металла пластической деформации _т и сопротивления направленному движению электронов , вызываемые образованием твердого раствора, подчиняются аналогичным закономерностям. Это естественно, поскольку первопричина обоих явлений - искажение решетки металла растворенными чужеродными атомами.

Из приведенных данных следует, что образование сплава - твердого раствора может заметно повлиять на свойства исходного металла (растворителя).

Значительно большее изменение свойств происходит, если при сплавлении компонентов образуются химические соединения. Как отмечалось в разделе 4.2.2., кристаллическая решетка химического соединения отличается от решеток образующих его компонентов. Уже этого достаточно, чтобы понять причину резкого различия свойств сплава - химического соединения и исходных компонентов. В качестве примера в табл. 4.1 приведены свойства металла (Тi) и соединений на его основе.

Таблица 4.1

Температура плавления T_пл и микротвердость Н_ титана и его соединений

Материал	Свойства
	Tпл , К	Н , ГПа
Тi ТiO2 ТiN ТiС	1941 2143 3223 3530	0,73 10,7 20,5 31,7

Известно, что в химических соединениях большую роль играет ковалентная связь, более жесткая и прочная, чем металлическая. С этим связано повышение температуры плавления и твердости при образовании соединений. Последние два соединения в табл. 3 относятся к фазам внедрения. Эти фазы отличаются исключительно высокой твердостью и тугоплавкостью. Карбиды играют важную роль в формировании механических свойств сталей и служат основой группы теплостойких инструментальных материалов - спеченных твердых сплавов. Карбиды и нитриды широко используются для нанесения износостойких покрытий на стальные изделия.

Для дальнейшего важно отметить, что присутствующие в металлических сплавах химические соединения независимо от их природы, как правило, более тверды, но менее пластичны, чем твердые растворы. Поэтому частицы химических соединений в двухфазных сплавах играют роль упрочнителей. До сих пор говорилось об однофазных (двухкомпонентных) сплавах - твердых растворах или химических соединениях. Большинство промышленных сплавов при нормальных температурах состоят из кристаллов двух или более фаз. Свойства таких сплавов в общем случае зависят от свойств индивидуальных фаз и их относительных количеств. Так, прочность сплава, состоящего из фаз  и , может быть выражена как

 = _V_ + _V_ . (4.4)

где каждое слагаемое - произведение прочности соответствующей фазы на ее относительное количество (объемную долю). Или, с учетом того, что V_+V_=1,

 = _ + V_(_ - _). (4.5)

Если фаза  более прочная (_ > _), то из (4.5) следует, что прочность двухфазного сплава будет линейно возрастать с увеличением объемной доли более прочной фазы V_.

Если, например, при сплавлении компонентов А и В не образуются химические соединения и твердые растворы, т. е. отсутствует взаимная растворимость компонентов в твердом состоянии, то такой сплав представляет собой механическую смесь кристаллов А и В. То есть в данном случае фаза А, В. Тогда очевидно, что сплавление в этом случае приводит к повышению прочности исходного металла А пропорционально количеству второго более прочного компонента В, но максимальная прочность сплава не может превосходить прочности компонента В - при V_B=1,  = _B.

Экспериментальное исследование прочности двухфазных сплавов часто обнаруживает значительные отклонения от приведенной закономерности (4.5). Это обусловлено тем, что на прочность сплава большое влияние оказывает не только относительное количество упрочняющей фазы, но и размеры, форма и взаимное расположение ее кристаллов. Если, например, более твердая, но хрупкая упрочняющая фаза окаймляет непрерывным слоем зерна матричной фазы, то это приводит к снижению и прочности и пластичности сплава (такая ситуация может иметь место в высокоуглеродистых сталях).

Другой пример охрупчивающего влияния слоев второй фазы рассматривался в главе 3, когда обсуждалась анизотропия свойств горячедеформированного металла.

Практический опыт показывает, что наилучшему сочетанию свойств конструкционных металлических сплавов (высоким значениям прочности и ударной вязкости) соответствует структура, в которой мелкодисперсные частицы твердой фазы (химических соединений) равномерно и достаточно плотно распределены в менее прочной, но пластичной матричной фазе (твердом растворе). Из теории следует, что предел текучести двухфазного сплава обратно пропорционален расстоянию l между частицами упрочняющей фазы:

_т ~ 1/l . (4.5)

При больших расстояниях между частицами упрочняющей фазы пластическая деформация матрицы происходит почти беспрепятственно, т. е. сопротивление сплава деформированию невелико, характеристики прочности (_т, _в) имеют малую величину.

Установлено, что наибольшее упрочнение достигается, когда дисперсные частицы упрочняющей фазы (размером около 10 нм) распределены достаточно плотно, так что расстояние l между ними составляет несколько десятков периодов решетки (20...40 нм). При таком распределении упрочняющих частиц они наиболее эффективно тормозят скольжение дислокаций. Обычно подобные структуры в двухфазных сплавах получают путем термической обработки.

В заключение данного раздела подчеркнем, что сплавление является эффективным способом воздействия на свойства металлов, в частности, на их прочность.

Сплавление компонентов может приводить к получению качественно новых материалов с иным химическим составом, структурой и соответственно с другими, часто резко отличающимися свойствами (вспомним, например, скачкообразное изменение свойств при образовании химических соединений).

При этом сплавы могут быть однофазными - твердыми растворами или химическими соединениями. В двухфазных сплавах возможны различные сочетания из трех типов твердых фаз - химических элементов, твердых растворов, химических соединений. Очевидно, что свойства сплавов зависят от природы и индивидуальных свойств образующихся при сплавлении фаз. Но, как отмечалось выше, на свойства влияют и относительные количества фаз, размеры, форма и взаимное расположение зерен. Все эти факторы в сумме определяют понятие - структура сплава. Нередко бывает так, что один и тот, же сплав заданного химического и фазового состава может иметь различные свойства в зависимости от особенностей его строения - структуры. Понятна в связи с этим необходимость знания закономерностей формирования структуры сплавов различного химического состава. Такие закономерности могут быть установлены при изучении диаграмм фазового равновесия (диаграмм состояния), чему посвящена следующая глава.