ткм

На рис. 21 схематически показано изменение механических свойств в зависимости от температуры нагрева деформированного металла, т. е. по мере возврата и рекристаллизации. В результате рекристаллизации механические свойства резко изменяются: предел прочности, пределы упругости и текучести, твѐрдость уменьшаются, а пластические свойства (относительное удлинение, относительное сужение) и сопротивление удару повышаются.

Изменяя свойства в направлении, обратном тому, в котором они изменялись в процессе деформации, возврат и рекристаллизация делают возможным продолжение механической обработки наклѐпанных и ставших хрупкими в результате деформации металлов и сплавов. В этом заключается большая польза рекристаллизации в технологии обработки металлов.

Однако при неправильно выбранных режимах обработки,

(перегрев), может принести большой вред. В ряде случаев рекристаллизацией намеренно выращивают крупные зѐрна металла, например, для улучшения магнитных свойств трансформаторной кремнистой стали.

Интересно отметить, что для некоторых металлов температура рекристаллизации ниже комнатной. Например, для свинца она составляет минус 30 оС, для олова – минус 70 оС. Поэтому деформация подобных металлов при комнатной температуре будет являться для них горячей обработкой давлением. Другое дело вольфрам. Для него обработка давлением даже при температуре 1 000–1 100 оС является холодной технологической операцией, поскольку температура его рекристаллизации составляет 1 200 оС.

Размер зерна после холодной пластической деформации и рекристаллизации определяется температурой и продолжительностью рекристаллизационного отжига, степенью предварительной деформации, размером исходного зерна, химическим составом сплава, наличием нерастворимых примесей и другими факторами. Малые степени деформации не вызывают рекристаллизацию металла при его нагреве. При деформации 3–15 % размер зерна после отжига резко возрастает и может многократно превосходить размер исходного зерна. Эта степень деформации называется критической. Нагрев металла после критической степени деформации не приводит к зарождению новых зѐрен и их росту. Он вызывает только быстрый рост одних исходных нерекристаллизованных и менее деформированных зѐрен за счет

других, более деформированных, обладающих повышенной свободной энергией. Если степень деформации больше критической, происходит первичная рекристаллизация.

В случае высоких степеней деформации возникает текстура, которая может явиться при последующем нагреве металла причиной формирования текстуры рекристаллизации. Образовавшиеся новые зѐрна характеризуются преимущественной кристаллографической ориентацией. Металл в этом случае обладает анизотропией свойств.

Наряду с холодной деформацией, о которой упоминалось выше, широко распространена и горячая деформация. Их отличие состоит в том, что холодная деформация проводится ниже температур рекристаллизации, а горячая – выше, при 0,7–0,75Тпл. Горячая деформация, как и холодная, вызывает упрочнение – «горячий наклѐп», который частично или полностью снимается рекристаллизацией при температурах обработки и последующем охлаждении. При горячей обработке давлением процесс упрочнения в результате наклѐпа чередуется с процессом разупрочнения за счѐт рекристаллизации.

Если металл после деформации обладает частично рекристаллизованной структурой, то такую обработку называют тѐплой деформацией или неполной горячей.

3.5. Деформация и разрушение металлов

Под действием приложенных сил металл деформируется, т. е. изменяет размеры и форму. Следует отметить, что деформация вызывается не только действием внешних сил, приложенных к телу, но и процессами, протекающими

всамом теле, например, в результате температурного градиента, фазовых превращений. Деформация, как уже отмечалось, может быть упругой и пластической. Упругая деформация исчезает после снятия нагрузки, и еѐ влияние, таким образом, полностью устраняется.

Выше определѐнных нагрузок деформация становится необратимой: после снятия нагрузки устраняется только упругая составляющая деформации. Сохраняющуюся часть деформации называют пластической, или остаточной. Пластическая деформация осуществляется скольжением и двойникованием. Скольжение – смещение одной части кристалла относительно другой. Двойникование – переориентировка части кристалла в положение, симметричное по отношению к другой части кристалла относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования. Как скольжение, так и двойникование сопровождается прохождением дислокаций сквозь кристалл.

Пластическая деформация приводит к упрочнению металла, получившему название наклѐпа, или нагартовки. При этом пластические свойства металла понижаются. Скольжение происходит по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов, что связано с тем, что расстояние между соседними атомными плоскостями наибольшее, а связь между ними, следовательно, наименьшая. Более высокой пластичностью обладают металлы,

вкоторых больше возможных плоскостей и направлений скольжения. Поэтому металлы с кубической структурой легче поддаются различным способам

ГЛАВА 4. ВЗАИМООТНОШЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ В ДВОЙНЫХ СПЛАВАХ

При сплавлении двух металлов в большинстве случаев образуется однородный жидкий раствор при любом соотношении компонентов. Гораздо реже имеет место образование двух несмешивающихся жидких растворов ограниченной концентрации (системы «свинец – медь», «свинец – алюминий», «натрий – алюминий» и др.).

В случае образования однородного жидкого раствора при кристаллизации сплава возможны три типа взаимоотношений компонентов:

образование однородного твѐрдого кристаллического раствора; образование смеси двух различных видов твѐрдых растворов

ограниченной концентрации;

образование химических соединений.

Твѐрдый раствор – это фаза, в которой один из компонентов сохраняет свою кристаллическую решѐтку, а атомы другого или других компонентов располагаются в решѐтке первого компонента (растворителя). Различают три типа твѐрдых растворов: твѐрдые растворы замещения, твѐрдые растворы внедрения и твѐрдые растворы вычитания. В твѐрдых растворах замещения атомы растворѐнного вещества входят в кристаллическую решѐтку растворителя, замещая места его атомов.

Из самого понятия твѐрдого раствора замещения следует принципиальная возможность образования этих растворов как ограниченной концентрации, т. е. до определенной предельной концентрации второго компонента (образование ограниченных твѐрдых растворов), так и при любом соотношении компонентов (образование неограниченных твѐрдых растворов).

Образование неограниченных твѐрдых растворов возможно в том случае, если компоненты имеют одинаковый тип кристаллической решѐтки, а размеры их атомов отличаются не более чем на 9–15 %. При этом элементы, далеко отстоящие друг от друга в периодической системе по вертикали или сильно отличающиеся по строению атома, не образуют твѐрдых растворов даже в том случае, если выполняются указанные выше два условия. Неограниченно растворяются в твѐрдом состоянии металлы с ГЦК решѐткой: медь и никель, железо и никель, золото и серебро и др.

Атомы растворяемого вещества в кристаллической решѐтке растворителя могут располагаться в произвольном либо строго определѐнном порядке. В первом случае твѐрдые растворы называют неупорядоченными, во втором – упорядоченными твѐрдыми растворами или сверхструктурами. Упорядоченные твѐрдые растворы получаются только при определѐнных соотношениях чисел атомов обоих компонентов: 1 : 1, 2 : 1, 3 : 1 и т. п. Так, например, при получении сплавов меди с золотом одни плоскости решѐтки могут оказаться сплошь занятыми атомами золота, а другие – атомами меди. Таким сплавам можно приписать формулу химического соединения, например, Cu3Au или CuZn.

Процесс упорядочения строения твѐрдого раствора сопровождается изменением механических, магнитных и электрических свойств. По существу,

упорядоченные твѐрдые растворы представляют собой фазы, промежуточные между интерметаллическими соединениями (химические соединения металлов друг с другом, другое название – интерметаллиды) и неупорядоченными твѐрдыми растворами.

Если диаметр атома растворяемого вещества больше диаметра атома растворителя, параметр кристаллической решѐтки увеличивается, если меньше

–уменьшается.

Втвѐрдых растворах внедрения атомы растворѐнного вещества внедряются в междоузлия (пустоты) кристаллической решѐтки растворителя. Из понятия твѐрдого раствора внедрения следует принципиальная невозможность образования твѐрдых растворов при любых соотношениях двух элементов. На самом деле атомы основного компонента остаются в узлах решѐтки, а количество пустот в решѐтке ограничено. Возможно образование твѐрдых растворов лишь до предельной концентрации.

Твѐрдые растворы внедрения образуются обычно между металломрастворителем и неметаллом, имеющим гораздо меньший атомный объѐм. Легко внедряются в решѐтку металла-растворителя водород, бор, углерод и азот. Параметры решѐтки при образовании твѐрдых растворов внедрения всегда увеличиваются.

Получение твѐрдых растворов возможно не только на базе кристаллических решѐток чистых металлов, но и на базе химических соединений, которые образуются не только между металлами, но и между металлами и неметаллами. Многие из этих соединений обладают переменным

составом или, по-другому, – областью гомогенности. Например, область гомогенности карбида титана при температуре 1 750 оC простирается от 33 до

50 ат. % С, т. е. от состава ТiC0,5 до состава ТiС. Увеличение содержания титана в карбиде, т. е. образование твѐрдого раствора на основе ТiС, достигается не

замещением атомов углерода атомами титана, а изъятием атомов углерода из некоторого числа узлов решѐтки, которые после этого остаются свободными. Отсюда и название подобного рода твѐрдых растворов – растворы вычитания. Наличие области гомогенности часто делает невозможным или неточным указание формулы соединения, особенно в том случае, если оно способно к диссоциации.

Смеси двух видов кристаллических растворов – второй вид взаимоотношения между компонентами сплавов. Число сплавов, распадающихся при кристаллизации на смесь различных кристаллов, очень велико. Этот тип сплавов получается в том случае, когда в системе не образуются неограниченные твѐрдые растворы.

Примером смеси различных кристаллов является эвтектика, представляющая кристаллический конгломерат двух или большего числа твѐрдых фаз, образующихся одновременно в результате распада жидкой фазы. Смеси двух различных видов твѐрдых растворов ограниченной концентрации образуются в системах: «олово–свинец», «свинец–сурьма», «серебро–медь», «золото–платина» и др. Сплавы типа смесей рассмотрены в разделе о диаграммах состояния.

Третий вид взаимоотношения между компонентами сплава при затвердевании – образование химических соединений. Выше отмечено, что химические соединения образуются как между металлами (интерметаллические соединения), так и между металлами и неметаллами. Кристаллические решѐтки химических соединений принадлежат обычно к другому типу, в отличие от решѐток компонентов. Химические соединения металлов друг с другом, в отличие от твѐрдых растворов, образуются главным образом в том случае, когда металлы в периодической системе расположены далеко друг от друга. При этом компоненты могут иметь как одинаковую, так и различную по типу решѐтки.

Существует несколько различных типов интерметаллических соединений и соединений металлов с неметаллами. С точки зрения химика, простейшим типом химических соединений являются соединения с нормальной валентностью. В качестве примера можно привести соединения магния: Mg2Ge,

Mg2Sn, Mg2Pb, Mg3As2, Mg3Sb2, Mg3Bi2, Mg3P2 и др.

В большинстве случаев формулы химических соединений не отвечают валентности компонентов. Примером таких соединений являются интерметаллиды, получившие название «электронных» соединений. Эти соединения характеризуются определѐнным отношением числа валентных электронов к числу атомов. Существует ряд соединений, у которых это отношение равно 3/2 (например, CuZn, Cu3Al, Cu5Sn), у других – 21/13 (Сu5Zn8,

Сu9А14, Сu31Sn8 и др.), у третьих – 7/4 (СuZn3, Cu5Al3 , Сu3Sn и др.).

Каждому отношению числа валентных электронов к числу атомов соответствует определенный тип кристаллической решѐтки. Это обстоятельство указывает на то, что величина этого отношения в пределах рассматриваемого класса соединений играет большую роль, чем обычная валентность компонентов. Многие соединения способны растворять в твѐрдом состоянии избыток каждого из компонентов и в результате образовывать фазы переменного состава.

В очень большом количестве химических соединений не соблюдаются ни нормальная валентность, ни постоянство отношения чисел электронов и атомов.

Огромную роль в современном материаловедении играют фазы внедрения. Фазы внедрения – фазы, представляющие собой химические соединения переходных металлов с водородом (гидриды), углеродом (карбиды), азотом (нитриды) и другими элементами с малым атомным радиусом. Фазы внедрения образуются, если отношение атомных радиусов неметалла Rх и металла Rм – Rх/Rм < 0,59. В этом случае решѐтка соединения строится следующим образом: атомы металла располагаются по типу одной из простых решѐток (гранецентрированной, или объѐмно-центрированной кубической, или простой, или компактной гексагональной), а атомы неметалла внедряются в междоузлиях. Твѐрдые растворы внедрения, рассмотренные выше, образуются при значительно меньшей концентрации неметаллического компонента и имеют решѐтку металла-растворителя. Кристаллические решѐтки фаз внедрения, как правило, отличаются от решѐток металлов, из которых они образовались.

Состав фаз внедрения обычно соответствует формулам М4Х, М2Х и МХ, где М – атом металла, X – атом неметалла. Типичными представителями фаз внедрения являются ТiС, ZrС, WС, ТiN, ZrN, WN и многие другие. Все эти фазы очень твѐрды и тугоплавки, что определяет их применение в качестве сверхтвѐрдых инструментальных материалов.

Если отношение Rх/Rм > 0,59, образуются соединения с более сложными структурами (например, карбиды железа, марганца или хрома). Эти соединения не являются фазами внедрения.

Многие фазы внедрения отличаются переменным составом и в случае однотипных решѐток образуют между собой неограниченные твѐрдые растворы (например, ТiС–VС, ТiС–ТiN и др.).

ГЛАВА 5. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ И СТРУКТУРЫ ДВОЙНЫХ СПЛАВОВ

Диаграмма состояния – графическое изображение фазового состояния сплавов в зависимости от концентрации компонентов и температуры. Это понятие охватывает и равновесные и неравновесные состояния, например, переохлаждѐнные или перегретые. С понятием «диаграмма состояния» не следует отождествлять понятие «диаграмма равновесия фаз», которое отражает равновесное состояние системы, т. е. состояние, когда в системе все превращения полностью завершились. Диаграммами равновесия фаз являются теоретически выведенные диаграммы состояния, так как в экспериментальных исследованиях, как правило, не достигается состояния равновесия и изучаются превращения с различным приближением к этому состоянию.

Тем не менее, диаграммы, построенные по экспериментальным данным в условиях медленного изменения температуры, хорошо согласуются с теоретически построенными диаграммами состояния. Такие экспериментально построенные диаграммы в первом приближении можно считать диаграммами равновесия фаз, что позволяет применять к ним общие законы равновесия фаз.

Всвязи с созданием новых материалов интерес к исследованию и применению диаграмм состояния постоянно возрастает. Уместно заметить, что до сих пор приходится встречать теоретически невозможные диаграммы. Контроль правильности диаграмм состояния, построенных в условиях, близких

кравновесию, осуществляется при помощи правила фаз Гиббса и положений, основанных на нѐм.

Правило фаз Гиббса – закон термодинамики, который для любой термодинамически равновесной системы устанавливает количественную зависимость между вариантностью, т. е. числом термодинамических степеней свободы системы C, числом компонентов, образующих систему, – K и числом находящихся в равновесии фаз Ф:

C = K + 2 − Ф.

Вэтом уравнении 2 – число внешних параметров, влияющих на состояние сплава, – температура и давление. Эти два параметра имеют главнейшее значение из внешних факторов. Число степеней свободы, или вариантность системы, указывает число независимых переменных, при изменении которых число фаз, находящихся в равновесии, не изменяется.

Для тех читателей, которые не знакомы с правилом фаз из физической химии или другой дисциплины, дадим определение понятий «фаза» и «компоненты». Под фазой понимают те части системы, внутреннее строение которых из атомов одинаково и концентрация всех компонентов статистически постоянна. Одна фаза всегда отделена от другой фазы поверхностью раздела. Так, жидкий сплав является однофазной системой, а одновременное присутствие жидкого сплава и кристаллов, разграниченных поверхностью раздела, представляет двухфазную систему. Следует иметь в виду, что наличие поверхности раздела между частями системы не всегда указывает на существование разных фаз. Например, совокупность всех кристаллов