Структура, состав и свойства сплавов

Структура металлических сплавов. Металлы — типичные кристаллические вещества, свойства которых обусловлены особенностями их кристаллической структуры. Для каждого металла характерна определенная кристаллическая решетка. Сцепление между элементами кристаллической решетки металлов является результатом действия физико-химических сил, из которых наиболее существенны силы между положительно заряженными ионами, слагающими решетку, и окружающими их свободными электронами (металлическая связь). Теоретическая прочность металлов весьма велика и равна, например, для железа примерно 104 МПа. В реальных металлах однако прочность оказывается во много раз ниже теоретической, что объясняется дефектами слагающих их кристаллов — микротрещинами, различными включениями и в особенности дислокациями — дефектами кристаллической решетки, вблизи которых нарушается правильное расположение атомных плоскостей.

Если металл находится под внешним напряжением, на расположенные в его кристаллах дислокации действует определенная сила, под действием которой дислокации перемещаются и металл пластически деформируется.

Свойства металлов в значительной степени обусловлены особенностями их кристаллизации, идущей при переходе их из жидкого состояния в твердое. Крупнозернистые металлы имеют более низкое сопротивление удару. Чем мельче зерна, тем прочнее и пластичнее металл.

Каждый металл кристаллизуется при строго определенной температуре. При быстром отводе теплоты образуется большое количество центров кристаллизации и идет их интенсивный рост. В результате выделяется значительное количество теплоты, позволяющей поддерживать металл в жидком состоянии.

Металлы при различной температуре могут иметь разную кристаллическую структуру. Например, до температуры 769°С стойко альфа-железо, в интервале 769—911°С образуется немагнитное железо, которое при 911°С переходит в гамма-, а при 1400° С — снова в дельта-железо. Эти превращения называют полиморфными.

При совместной кристаллизации нескольких элементов образуются сплавы в виде механической смеси, твердого раствора или химических соединений.

Свойства сплавов, представленных механической смесью сросшихся кристаллов, являются средними между свойствами элементов, которые их образуют.

Твердые растворы и химические соединения могут иметь свойства, существенно отличающиеся от свойств образующих элементов. В тех случаях, когда происходит частичное замещение атомов металла в узлах его кристаллической решетки атомами растворяемого компонента, образуются твердые растворы замещения, в случаях, когда атомы другого компонента располагаются в междоузлиях решетки, образуются растворы внедрения. Характерными примерами химических соединений, встречаемых в сплавах железа с углеродом, являются карбид железа или цементит Ре3С, в сплавах алюминия с медью — СиА12.

В отличие от чистых металлов процессы кристаллизации сплавов идут не при строго определенной температуре, а в некотором температурном интервале между началом и концом кристаллизации. Равновесное состояние сплавов в зависимости от их состава и температуры изучают по диаграммам состояния (рис. 3.5).

На диаграммах состояния есть ряд характерных линий и точек. Линия начала затвердевания сплавов называется линией ликвидуса, конца затвердевания — линией солидуса. Точка на диаграмме, при которой достигается наинизшая температура плавления сплава, называется эвтектикой. Соответственно различают эвтектические, доэвтектические и заэвтектиче-ские сплавы.

В системе железо — углерод образуются следующие фазы: жидкий раствор углерода в железе; феррит — твердый раствор углерода в альфа- или дельта-железе с объемноцентрированной кубической решеткой; аустенит — твердый раствор углерода в гамма-железе с гранецентрированной кубической решеткой; графит — полиморфная модификация углерода с гексагональной слоистой решеткой; цементит—карбид железа с ромбической решеткой. Феррит близок по свойствам чистому железу, он пластичен, твердость его Яй = 80-н100 МПа, удлинение 30—50%, предел прочности при растяжении 250—300 МПа. Аустенит обладает более высокой твердостью, чем феррит (#В = 170-4-200 МПа), для него также характерны пластичность и низкие прочностные свойства. В отличие от феррита аустенит немагнитен. Цементит — один из самых твердых (НВ = 800 МПа) и хрупких компонентов железоуглеродистых сплавов.