11. Общий характер связей между диаграммами состояний и свойствами двойных сплавов(правило Курнакова).
Рассмотренные диаграммы состояний дают характеристику строения сплавов различного состава при различных температурах. Вместе с тем состав и строение сплавов оказывают влияние на их свойства. Исследованиям такой связи посвящены работы академика Н.С. Курнакова – одного из основоположников физико-химического анализа сплавов.
На рис. 27 приведены зависимости свойств (в частности твердости, НВ) от состава сплава.
В сплавах, имеющих структуру механических смесей (рис. 27, а) кристаллы компонентов А и В полностью сохраняют свои свойства. Поэтому свойства всех сплавов будут изменяться по прямолинейному закону от компонента А до компонента В.
Сплавы с неограниченной растворимостью в твердом состоянии изменяют свои свойства по криволинейному закону в зависимости от химического состава (рис. 27, б). Кривая на диаграмме «состав – свойства», как правило, имеет максимум. Например, твердость у твердых растворов может быть выше, чем у чистых компонентов.
Если сплавы образуют ограниченные твердые растворы (рис. 27, в), то свойства в области однофазных твердых растворов изменяются по криволинейному закону, а в области механических смесей – по прямолинейному.
Рис. 27. Зависимость твердости сплавов от вида диаграммы состояний
При образовании химического соединения АnВm (рис. 27, г), в котором не растворяются ни компонент А ни компонент В, свойства изменяются по ломаной линии с максимальным значением у химического соединения.
Зная характер взаимодействия между типом диаграммы и свойствами, можно определять состав сплава, который формирует заранее заданные свойства.
12. Железо, его структура и свойства. Полиморфные превращения. Полиморфизм железа.
Простое вещество железо (CAS-номер: 7439-89-6) — ковкий металлсеребристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокойвлажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.
Собственно, железом обычно называют его сплавы с малым содержанием примесей (до 0,8 %), которые сохраняют мягкость и пластичность чистого металла. Но на практике чаще применяются сплавы железа с углеродом:сталь (до 2,14 вес. % углерода) и чугун (более 2,14 вес. % углерода), а также нержавеющая (легированная) сталь с добавками легирующих металлов (хром, марганец, никель и др.). Совокупность специфических свойств железа и его сплавов делают его «металлом № 1» по важности для человека
Некоторые металлы (железо, титан, кобальт, цирконий и др.) при разных температурах имеют различные кристаллические решетки. Такое явление называется полиморфизмом или аллотропией. Процесс перехода из одного кристаллического строения в другое называется полиморфным (аллотропическим) превращением.
Строение, получающееся в результате полиморфного превращения, называется аллотропической формой. Аллотропическая форма, устойчивая при более низкой температуре, обозначается индексом a, при более высокой – b, g и так далее.
Температура, при которой происходит переход решетки из одного вида в другой, называется температурой полиморфного превращения или температурой перекристаллизации. При этом изменяются свойства металла (плотность, теплопроводность, теплоемкость и др.).
Аллотропические превращения при нагревании происходят с поглощением тепла, а при охлаждении с его выделением. Как при нагревании, так и при охлаждении аллотропические превращения происходят с некоторым запаздыванием. Так, превращение a – модификации в b – модификацию, происходящее при нагревании, будет всегда выше температуры превращения b в a, происходящее при охлаждении. Такое явление называется гистерезисом.
На рис. 3 приведена кривая охлаждения железа, имеющего аллотропические превращения.
До температуры 1539 °С происходит охлаждение жидкого железа. При 1539 °С на кривой охлаждения появляется площадка. При этой температуре железо затвердевает и выделяется скрытая теплота кристаллизации. По окончании кристаллизации и до температуры 1392 °С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку (Fea ).
При 1392 °С на кривой появляется вторая площадка, связанная с аллотропическим превращением a-железа (Fea) в g-железо (Feg), имеющее гранецентрированную кубическую решетку.
При аллотропическом превращении исчезают старые зерна и появляются новые. Такое превращение аналогично процессу кристаллизации: вначале образуются зародыши, а затем идет рост зерен новой модификации. Такое превращение является перекристаллизацией.
Следующая площадка наблюдается на кривой охлаждения при температуре 911 °С по причине превращения Feg в Fea. Кристаллическая решетка превращается из гранецентрированной опять в объемно-центрированную кубическую, которая сохраняется до самых низких температур.
Площадка на кривой охлаждения, соответствующая температуре 768 °С, связана не с перестройкой кристаллической решетки, а с перестройкой электронных оболочек атомов и изменением магнитных свойств. Ниже 768 °С железо магнитно, а выше – немагнитно.
Иногда немагнитное железо Fea называют Feβ, а высокотемпературную модификацию Fea (в интервале 1392…1539 °С) – Fed.
Рис. 3. Кривая охлаждения чистого железа
Полиморфные превращения протекают как в чистых металлах, так и в сплавах.
Металлы, имеющие только один тип кристаллической решетки, называются изоморфными (никель, медь, хром, вольфрам и другие).