Прочитать лекционный материал, проанализировать и законспектировать
Аллотропия или полиморфизм
Полиморфизм – способность твердого металла при различных температурах или давлениях иметь различные кристаллические структуры, которые называются аллотропическими формами или модификациями.
Полиморфные превращения происходят при вторичной кристаллизации, когда новые кристаллы образуются из твердой фазы.
Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо (Fe).
Fe: t < 911 °C – ОЦК – Fe-α;
911 < t < 1392 °C – ГЦК – Fe-γ;
1392 < t < 1539 °C – ОЦК – Fe-δ (высокотемпературное Fe-α).
Превращение одной модификации в другую протекает при постоянной температуре и сопровождается тепловым эффектом. Видоизменения элемента обозначается буквами греческого алфавита в виде индекса у основного обозначения металла или через дефис.
Кроме железа полиморфизмом обладают также металлы как кобальт, титан, цирконий, марганец и другие (всего около 30 металлов). Полиморфные превращения происходят не только в чистых металлах, но и в сплавах, а также в химических соединениях и сопровождаются скачкообразным изменением всех свойств металлов или сплавов.
Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при высоких – алмаз. Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки.
Кристаллизация сплавов
Под сплавом понимают вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. Возможны другие способы приготовления сплавов: спекания, электролиз, возгонка. В этом случае вещества называются псевдосплавами.
Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом. Сплавы обладают более разнообразным комплексом свойств, которые изменяются в зависимости от состава и метода обработки.
В теории сплавов используются следующие понятия.
Система – группа тел выделяемых для наблюдения и изучения. В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы. Чистый металл является простой однокомпонентной системой, сплав – сложной системой, состоящей из двух и более компонентов.
Компоненты – вещества, образующие систему. В качестве компонентов выступают чистые вещества и химические соединения, если они не диссоциируют на составные части в исследуемом интервале температур.
Фаза – однородная часть системы, имеющая одинаковый химический состав, свойства, строение, одно и тоже агрегатное состояние, отделенная от других частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются.
Вариантность (C) (число степеней свободы) – это число внутренних и внешних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения количества фаз в системе.
Если вариантность С = 2, то можно в определенных пределах менять два фактора без изменения фазового состояния.
Если вариантность C = 1 (моновариантная система), то возможно изменение одного из факторов в некоторых пределах, без изменения числа фаз.
Если вариантность C = 0 (нонвариантная cистема), то внешние факторы изменять нельзя без изменения числа фаз в системе
Существует математическая связь между числом компонентов (К), числом фаз (Ф) и вариантностью системы (С). Это правило фаз или закон Гиббса
С = К – Ф + 2.
Если принять, что все превращения происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится
С = К – Ф + 1.
где: С – число степеней свободы, К – число компонентов, Ф – число фаз, 1 – учитывает возможность изменения температуры.
Характер взаимодействия компонентов в сплавах
В сплавах в зависимости от природы компонентов их атомы по-разному взаимодействуют друг с другом и образуют следующие фазы: жидкие растворы, твердые растворы, химические соединения.
Твердый раствор – фаза, в которой один из компонентов сплава (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, а другой или другие компоненты располагаются в решетке растворителя, изменяя ее периоды. Различают твердый раствор замещения и твердый раствор внедрения.
При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке.
 |
При образовании твердых растворов внедрения атомы растворенного в порах кристаллической решетки растворителя. Основным условием возможности образования твердого раствора внедрения является размерный фактор – размер межузельного атома должны быть меньше размера поры.
Схема атомно–кристаллической структуры твердого раствора: а – твердый раствор замещения; б – твердый раствор внедрения
В многокомпонентных сплавах, содержащих более двух элементов, возможно растворение в одном и том же растворителе и путем замещения, и путем внедрения. Так, при сплавлении железа с марганцем и углеродом получается твердый раствор, в котором марганец растворяется путем замещения, а углерод – путем внедрения.
Кристаллы, образование различными компонентами сплава и имеющие отличный от них тип кристаллической решетки, называются химическими соединениями. В химических соединениях всегда сохраняется кратное 30 соотношение компонентов, которое выражается формулой АmВn, где «А» и «В» – компоненты сплава, а m и n – простые числа (Al2O3, CuAl2, Fe3C и т.д.).
Химические соединения, так же как и чистые металлы, имеют постоянную температуру плавления (диссоциации) и их свойства значительно отличаются от свойств, составляющих их компонентов. Образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.
Кристаллическая решетка химического соединения
Процесс кристаллизации сплавов
В жидком состоянии большинство металлов неограниченно растворяются друг в друге, образуя однофазный жидкий раствор. Исключения составляют такие пары как Fe – Pb, Cu – Pb, которые почти полностью не растворимы в жидком состоянии и разделяются по плотности, образуя два несмешивающихся жидких слоя.
Материаловедение позволяет предвидеть характер твердофазного взаимодействия компонентов в сплаве. Если атомные размеры и температуры плавления компонентов с одинаковым типом кристаллических решеток отличаются незначительно, то образуются твердые растворы с неограниченной растворимостью (Fe-Ni, Fe-Co, Nb-Mo, W-Ta). Ограниченную растворимость имеют металлы со значительной разницей атомных размеров и температур плавления (Al-Bi, Zn-Pb, Cu-Sn), причем, чем больше разница, тем меньше растворимость.
В материаловедении экспериментальным путем определяют взаимодействие компонентом в сплаве, характер образовавшейся структуры и свойства сплава. С этой целью для конкретных сплавов строят экспериментальные кривые охлаждения и нагрева сплавов в координатах температура – время.
Точки нагрева на кривых охлаждения характеризуют температуры, при которых начинаются или заканчиваются физико-химические изменения в сплавах. Эти точки называются критическими точками или критическими температурами. Соединяя критические точки, получают линии диаграммы состояния. Геометрическое место всех точек, которые определяют температуру начала кристаллизации, называют линией ликвидус (L), конца кристаллизации – линией солидус (S).
Диаграмма состояния в удобной графической форме показывает фазовое состояние сплава в зависимости от температуры и концентрации компонентов. По ней можно установить, какие превращения происходят в сплаве при нагреве (охлаждении), определить температуры плавления или затвердевания сплава, выбрать рациональный режим термической обработки, прогнозировать поведение сплава в заданном интервале температур.