3.5. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния. Практическое значение диаграмм состояния

Можно отметить, что свойства сплавов в первую очередь зависят от их фазового состояния, т. е. от типа (и, конечно, количества и свойств) фаз, из которых они состоят. Вид диаграмм состояния также зависит от того, какие фазы образуются при сплавлении компонентов. Отсюда, между видом диаграмм состояния и свойствами сплавов должна существовать определенная связь. Эта зависимость установлена Курнаковым – принцип непрерывности и принцип соответствия (раздел 2.1).

Существует ряд закономерностей, некоторые из них проиллюстрированы на рис. 3.19.

1. При образовании механических смесей (например, двухфазная смесь из сплава с полной нерастворимостью в твердом состоянии) свойства изменяются по линейному закону. Значения характеристик свойств сплава находятся в интервале между характеристиками чистых компонентов (рис. 3.19, а). Такая зависимость объясняется тем, что каждая фаза имеет свои индивидуальные неизменные свойства, а свойства смеси фаз (сплава) определяются их относительными количествами. Количество же каждой фазы линейно изменяется с изменением состава сплава.

2.  При образовании твердых растворов с неограниченной растворимостью свойства сплавов изменяются по криволинейной зависимости, причем некоторые свойства, например, электросопротивление, могут значительно отличаться от свойств компонентов (рис. 3.19, б).

При неограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии зависимость свойств от химического состава сплавов в данной системе (А-В) имеет криволинейный характер с экстремумом, приходящимся примерно на равное соотношение компонентов. Это обусловлено тем, что увеличение количества атомов компонента В в решетке компонента А (т.е. в твердом растворе) приводит к росту внутренних напряжений, что сопровождается повышением прочности s_В, твердости, электросопротивления r и снижением пластичности .

В случае изоморфных компонентов, которым присуща неограниченная взаимная растворимость компонентов в твердом состоянии, твердый раствор, содержащий более 50 % компонента В, можно рассматривать как твердый раствор А в В. Тогда дальнейшее увеличение концентрации В в сплаве эквивалентно снижению концентрации А в решетке В - при этом происходит уменьшение внутренних напряжений, соответственно снижается прочность и твердость, повышается пластичность.

3.  При образовании твердых растворов с ограниченной растворимостью свойства в интервале концентраций, отвечающих однофазным твердым растворам, изменяются по криволинейному закону, а в двухфазной области – по линейному закону. Причем крайние точки на прямой являются свойствами чистых фаз, предельно насыщенных твердых растворов, образующих данную смесь (рис. 3.19, в).

4.  При образовании химических соединений концентрация химического соединения отвечает максимуму на кривой. Эта точка перелома, соответствующая химическому соединению, называется сингулярной точкой (рис. 3.19, г). При этом происходит резкое, экстремальное изменение свойств, так как такой сплав качественно (типом решетки, свойствами) отличается от исходных компонентов. Поэтому на зависимостях свойств от состава при концентрации компонентов, соответствующей образованию химического соединения, наблюдается острый экстремум - переломная точка в отличие от плавного изменения свойств при образовании твердых растворов.

а б в г

Рис. 3.19. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния

Таким образом знание диаграмм состояния позволяет прогнозировать свойства сплавов, что имеет огромное значение при разработке сплавов с заданными свойствами. Например, если требуется создать сплав для проволочного электронагревателя (или сопротивления - резистора), необходимо выбрать такие компоненты, которые неограниченно растворяются друг в друге в твердом состоянии (это можно сделать, воспользовавшись справочной литературой по диаграммам состояния; в настоящее время опубликовано несколько тысяч диаграмм состояния различных компонентов). Сплавив такие компоненты примерно в одинаковых количествах, получим сплав - твердый раствор, обладающий максимальным значение свойства – электросопротивления (рис. 3.19, б). Поскольку твердые растворы обладают высокой пластичностью, они хорошо поддаются обработке давлением, т. е. элемент электросопротивления может быть изготовлен в виде проволоки или ленты.

Многие химические соединения также обладают высоким электросопротивление (рис. 3.19, г), но низкая пластичность не позволяет обрабатывать их давлением. В этом случае элементы электросопротивления можно изготавливать методами порошковой металлургии.

Знание диаграммы состояния дает возможность предусмотреть и технологию изготовления изделий (полуфабрикатов) из сплавов различного состава. Приведем еще один пример на эту тему.

Известно, что сплавы, содержащие в структуре эвтектику, обладают хорошими литейными свойствами, в частности высокой жидкотекучестью (заполняемостью формы), так как их кристаллизация происходит при постоянной и наиболее низкой температуре в данной системе. Поэтому по технологическими свойствам сплавы, в процессе кристаллизации испытывающие эвтектическое превращение, следует отнести к группе литейных, а сплавы со структурой твердого раствора – к группе обрабатываемых давлением (деформируемых).

Некоторая ограниченность рассмотренных закономерностей, связывающих свойства сплавов с видом диаграмм состояния заключается в следующем.

Во-первых, диаграммы состояния не дают полных сведений о всех деталях структуры сплавов, например, в зависимости от реальных условий кристаллизации сплав данного состава с одними и теми же структурными составляющими может иметь различный размёр зерна и, соответственно, различные свойства.

Во-вторых, сами диаграммы состояния и указанные закономерности строго относятся к сплавам, находящимся в равновесном состоянии. На практике сплавы используются в состояниях, которые, как правило, не достигают истинно равновесного. Это происходит либо в силу специфики технологических процессов (высокие скорости нагрева и охлаждения, быстрота производимых операций), либо осуществляется специально для получения необходимых свойств, например, при закалке.

Однако при длительной выдержке в процессе эксплуатации или при последующей термической обработке (например, старении, см. выше) неравновесные сплавы стремятся к равновесному, устойчивому состоянию. В этих условиях диаграммы состояния позволяют предвидеть направления, в которых должны изменяться структура и свойства сплавов.

Таким образом, диаграммы состояния имеют исключительно важное значение, так как дают сведения о структуре и свойствах сплавов. Диаграммы состояния можно считать основным инструментом теоретического и прикладного материаловедения. Поэтому умение анализировать, «читать» диаграммы состояния является одним из главных условий успешного освоения основ материаловедения.