РЕКРИСТАЛІЗАЦІЇ НА СТРУКТУРУ І

Вивчити технологію приготування макро- і мікрошліфів. Ознайомитися з будовою металографічного мікроскопа. Усвідомити принцип виявлення структур та практичне їх значення для металографічного аналізу.

2.1. Верстати для шліфування й полірування мікрошліфів.

2.3. Мікрошліфи металу після шліфування на грубому і тонкому шліфувальному папері (по 4 шт. кожного виду). Зразки зламів виробів макротемплетів.

2.4. Поліровані мікрошліфи технічного заліза, вуглецевої сталі і сірого чавуну (по 4 шт. кожного матеріалу).

2.5. Комплект шліфувального паперу для виготовлення мікрошліфів.

2.6. Матеріали для полірування мікрошліфів – паста алмазна, порошки оксидів – Al₂O₃, Cr₂O₃.

2.7. Реактив для травлення – 3-4% розчин азотної кислоти (НNO₃) в етиловому спирті.

2.8. Етиловий спирт для промивання мікрошліфів. Фільтрувальний папір.

Металографічний аналіз поділяється на макро- і мікроаналіз. Макроаналіз полягає в дослідженні будови сплавів неозброєним оком або при невеликих збільшеннях (до 30 разів). Будова металів і сплавів, яка визначається таким методом, називається макроструктурою. Макроструктуру можна вивчати безпосередньо на поверхні виливки, поковки деталі або за зламом. Найчастіше макроструктура вивчається на макрошліфах. Макрошліфом називається спеціально підготовлена до макродослідження частина деталі, поковки, виливки і т. п.

Підготовка макрошліфа полягає в такому: поверхню зачищають на верстаті і шліфують різними номерами металографічного наждачного паперу, послідовно переходячи від грубого номера до тонкого, кожен раз макрошліф повертають на 90°. Шліфування в одному напрямку проводять до того часу, поки не зникнуть риски від паперу попереднього номера.

Після шліфування для виявлення макроструктури шліфи піддають глибокому травленню хімічними реактивами (розчинами і сумішшю кислот і лугів), які вибирають залежно від складу сплаву і мети дослідження.

1) будову металу або сплаву в литих деталях або зливках (зерниста, дендритна), наявність і характер розподілу зон кристалізації, усадочну пухкість, газові бульбашки, тріщини і т.д.;

2) хімічну неоднорідність (ліквацію ), яка утворюється в процесі кристалізації. Сірка, фосфор і вуглець у процесі кристалізації мають здатність до нерівномірного розподілу по перерізу зливка, що дуже позначається на властивостях окремих його ділянок. Подальшою механічною обробкою ліквація не усувається;

3) будову металу після гарячої обробки тиском (прокатування, штампування, кування і т.д.). Після обробки тиском внутрішня будова металів і сплавів виходить більш щільною, ніж після лиття, тому що в процесі гарячої обробки тиском частково усуваються пористість, пухкість, тріщини і т. д.

У процесі обробки тиском структурні складові, а також неметалічні включення подрібнюються й витягуються уздовж напрямку деформації, утворюючи поздовжню волокнистість. Механічні властивості металу виявляються різними залежно від напрямку волокна. Ударна в'язкість поперек волокна в 3-4 рази вища, ніж уздовж волокна. Для деталей, що працюють при підвищених питомих навантаженнях (колінчасті вали, клапани, зубчасті колеса і т. д.) необхідно, щоб волокна розташовувалися паралельно контуру деталі. Це досягається правильним вибором способів обробки тиском (рис. 1,а), якими виготовляють деталі. На рисунку 1,б наведено сполучний гак залізничного вагона, вихідною заготовкою якого була частина прокату з середньовуглецевої сталі. Хімічне травлення виявило волокнисту структуру: волокна повторюють форму гака. Поперечний переріз верхньої частини головки рейки з високовуглецевої сталі (рис. 1,в) практично ідентичний перерізу вихідного зливка, тому можна спостерігати основні зони кристалізації. Осьова зона ліквації в центрі головки має вигляд точок, які є поперечними перетинами довгих волокон. Ця зона ліквації звужується в шийці рейки, а потім розширюється в її підошві. Щоб уникнути утворення вертикальних тріщин у центрі підошви, стовпчасті дендрити злитка розгортають паралельно нижній грані підошви, прокатуючи блюм у розрізних калібрах. Поздовжній переріз натяжного болта для дерев'яних шпал (рис. 1,г) має повністю волокнисту структуру (головка і різьблення). Різьба отримана методом гарячої накатки в поєднанні з крученням вихідної круглої заготовки;

4) неоднорідність складу і структури, що створюється термічною або хіміко-термічною обробкою. Деталі, які повинні мати високу поверхневу твердість при збереженні в`язкої, пластичної серцевини, як правило, піддаються поверхневому гартуванню або хіміко-термічній обробці. Макроаналіз визначає глибину і характер розподілу загартованого, цементованого, азотованого чи ціанованого шару (рис. 1а, б);

5) характер зламу металу або сплаву. За зламом можна встановити характер руйнування: в'язке, крихке або викликане втомленістю.

Рисунок 1 – Макроструктура правильно відштампованих деталей: клапан (а), сполучний гак залізничного вагона (б), верхня частина головки рейки (поперечний переріз) (в), натяжний болт для дерев'яних шпал (г)

Мікроструктурний аналіз (мікроаналіз) являє собою дослідження внутрішньої будови (мікроструктури) металу при великих збільшеннях за допомогою металографічного оптичного мікроскопа (при збільшенні від 50 до 1500 разів).

Між мікроструктурою і властивостями багатьох металів і сплавів існує якісна залежність. Тому мікроструктурний аналіз – один з основних методів, який надає можливість вивчати будову металів і сплавів, а отже, отримати відомості про їх властивості.

Зразок, підготовлений для дослідження мікроструктури металу за допомогою металографічного мікроскопа, називається мікрошліфом.

Техніка підготовки мікрошліфа містить такі операції:

- дослідження мікроструктури під мікроскопом.

Зразки для виготовлення мікрошліфів найбільш зручно виготовляти з площею перерізу 1 см² (рис. 2). При виготовленні мікрошліфів із зразків малих розмірів (дріт, стружка, листи та ін.) для їх надійної фіксації використовують спеціальні струбцини (рис.2,в) або заливають легкоплавким сплавом Вуда (50% Ві, 25% Рb 12,5% Sn і 12,5% Сd) з температурою плавлення 68 °С або пластмасою (рис. 2,б).

Зразок вирізають з тієї частини виробу або заготовки, яка становить найбільший інтерес для дослідника. Для того щоб поверхня зразка була прямолінійною, її заторцьовують за допомогою абразивного круга або напилка. Щоб структура зразка не змінювалася при вирізанні і заторцьовуванні, він не повинен нагріватися більше 150°С.

Рисунок 2 – Металографічні шліфи: нормальні розміри шліфів (а); шліф, залитий пластмасовим або легкоплавким сплавом (б); шліф, затиснутий у струбцині (в). 1 – зразок,
2 – оболонка для заливання, 3 – сплав для заливання,
4 - струбцина

Шліфування проводять з метою видалення рисок, що залишилися від заторцьовування. Воно реалізується на спеціальних верстатах, що мають кола для закріплення шліфувального паперу. Для попереднього (чорнового) шліфування використовується папір перших чотирьох номерів, для чистового – з більш дрібними абразивними зернами. При переході з одного номера паперу на інший зразок завжди слід шліфувати у напрямку, перпендикулярному до рисок (подряпин), що залишилися після шліфування на папері попереднього номера.

Перед поліруванням зразки промивають водою для видалення залишків частинок абразивного матеріалу після шліфування. Полірування проводиться на полірувальному верстаті із швидкісним диском. Диск обтягнутий фетром, сукном або оксамитом, які змочуються спеціальним абразивом на водній основі. Як абразив використовують оксид хрому (Сr₂О₃) або оксид алюмінію (Аl₂О₃). При поліруванні зразок треба повертати. Після полірування шліф ретельно промивають водою, потім спиртом і просушують, промокаючи фільтрувальним папером.

На нетравленому мікрошліфі виявляються неметалеві включення: графіт, оксиди, сульфіди, бориди і т.д.

Для виявлення структури металу шліф після полірування слід піддати травленню спеціальним реактивом. На протравленому мікрошліфі під мікроскопом виявляються границі, величина і форма зерен, наявність, розташування і співвідношення в сплавах структурних складових. Для травлення мікрошліфів найбільш поширеними є такі реактиви:

- 3-5% розчин азотної кислоти (НNO₃) в етиловому спирті;

- пікрат натрію – реактив для розрізнення цементиту від фериту (цементит забарвлюється у чорний колір);

- суміш кислот: 1% фтористої (НF), 2,5% азотної (НNO₃), 1,5% соляної (НCl) та 95% води (Н₂О);

При травленні поліровану поверхню шліфа занурюють у реактив на 3-15 с або протирають ватою, змоченою в реактиві, до появи рівного матового відтінку без наявності будь-яких плям.

Потім шліф промивають спиртом або водою і просушують фільтрувальним папером.

Будь-який метал або сплав є полікристалічним тілом, тобто складається з великої кількості різних орієнтованих кристалітів чи зерен. На межах зерен (навіть найчистіших металів), як правило, розміщуються різні домішки. Крім того, межі зерен мають більш спотворену кристалічну будову, ніж тіло зерна. Під дією травителя, внаслідок різного потенціалу зерна та його межі для чистих металів або різних структурних складових для сплавів утворюються мікроскопічні гальванічні пари. Межі зерен, а також структурні складові з більш низьким потенціалом будуть розчинятися швидше, ніж тіло зерна або структури з більш високим потенціалом. Механічні суміші різних структур (евтектика, евтектоїд) піддаються травленню швидше, ніж однофазні структури (чисті метали, тверді розчини), оскільки в першому випадку утворюється велика кількість гальва-нічних пар. Крім того, різниця потенціалів у різних структур у більшості випадків більша, ніж у однорідного сплаву і його межах.

У результаті неоднакового травлення структурних складових на поверхні шліфа з'являється мікрорельєф. При розгляді мікрошліфа в оптичному мікроскопі цей мікрорельєф буде створювати поєднання світла й тіні. При травленні шліфа особливо сильно роз'їдаються межі зерен. Крім того, внаслідок анізотропії властивостей кристалів зерна металу витравлюється реактивом на різну глибину. Утворений мікрорельєф поверхні шліфа спостерігається під мікроскопом. Структура, яка протравлена сильніше, під мікроскопом має темний колір за рахунок більшого розсіювання променів. Менш протравлена структура за рахунок прямого відбиття світла має світлий колір. Межі зерен протравлюються у вигляді тонкої темної сітки. Зерна металу одного й того ж самого фазового складу під мікроскопом можуть мати різні відтінки. Це пояснюється потраплянням в площину шліфа різних перерізів кристалічної ґратки зерен, що відрізняються між собою здатністю протравлюватися, а також іншими властивостями (рис. 3).

Фізики створили прилади для дослідження структури металів. До таких приладів належить металографічний мікроскоп (рис. 4). Звичайний (біологічний) мікроскоп не використовується для дослідження металів, тому що в його оптичній схемі світло від джерела проходить через досліджуваний зразок. Метал не пропускає світлові промені, тому для дослідження металів розробили іншу схему від-бивного мікроскопа. В цьому типі мікроскопа світло потрапляє на поверхню досліджуваного зразка і після відбивання спрямовується в об’єктив мікроскопа і через систему лінз та окуляр - до ока спостерігача.

Рисунок 3 – Схема, що пояснює видимість під мікроскопом: а – межі зерен чистих металів та твердих розчинів; б – механічна суміш; 1 – пластинчаста будова перліту; 2 – зерниста будова
перліту

Принципова оптична схема металографічного мікроскопа МИМ-7 наведена на рисунку 5.

Збільшення мікроскопа N_м визначається добутком збільшення окуляра N_ок на збільшення об'єктива N_об:

250 – відстань найкращого бачення ока людини, мм;

f_ок і f_об – фокусні відстані об'єктива та окуляра.

Об'єктив дає дійсне збільшене зображення структури. Це зображення за допомогою лінзи 14 (рис. 5) переноситься в площину, близьку до фокуса окуляра. Окуляр, як звичайна лупа, збільшує зображення, отримане об'єктивом, в результаті чого остаточне зображення виходить уявним, зворотним, збільшеним і знаходиться на відстані 250 мм від ока спостерігача.

Необхідно звернути увагу на таке: якість мікроскопа характеризується роздільною здатністю і так званим корисним збільшенням. Роздільна здатність – найменша, мінімальна відстань між двома точками, на якій ці дві точки ще можна бачити окремо.

Можливе збільшення мікроскопа МИМ-7 при різних поєднаннях об'єктивів і окулярів наведене в таблиці 1.

Рисунок 4 – Загальний вигляд мікроскопа МИМ-7: а – фото; б – схема: 1 – фотокамера; 2 – касета з матовим склом; 3 – мікро-метричний гвинт подачі об'єктива; 4 – окуляр; 5 – аналізатор, що вставлений у паз під корпус ілюмінатора; 6 – рукоятка діафрагми темного поля; 7 – ілюмінатор; 8 – предметний столик; 9 – клеми для фіксації мікрошліфа; 10 – гвинти для переміщення предметного столика; 11 – гвинт грубої подачі предметного столика; 12 – джерело світла (освітлювач); 13 – диск з набором світлофільтрів; 14 – рукоятка, що закріплює джерело світла; 15 – корпус приладу

Таблиця 1 – Збільшення мікроскопа МИМ-7 при різних

Максимальне корисне збільшення мікроскопа залежить від роздільної здатності ока і мікроскопа і визначається як

де α₁ - максимальна роздільна здатність людського ока, 0,3 мм;

α - максимальна роздільна здатність мікроскопа.

Роздільна здатність мікроскопа залежить від довжини хвилі видимого світла і може бути визначена за формулою:

n - коефіцієнт заломлення середовища між об'єктом (зразком) і об'єктивом: для повітря n = 1; для кедрової олії n = 1,52 (імерсійний метод дослідження);

α – кутова апертура, що дорівнює половині кута розкриття вхідного в об`єктив світлового пучка.

Максимальна роздільна здатність мікроскопа

де а - максимальне корисне збільшення мікроскопа

Роздільна здатність електронного мікроскопа значно більша, ніж оптичного, і дорівнює 20-30 Å.

Між мікроструктурою і властивостями багатьох металів і сплавів існує пряма якісна залежність. Тому в практиці металознавства мікроаналіз є основним методом, який дозволяє повно вивчати будову металів і сплавів, а отже, отримати відомості про їх властивості.

4.1. Ознайомитися з обладнанням та методикою виготовлення макро- і мікрошліфів.

4.2. Вивчити будову металографічного мікроскопа.

4.3. Визначити збільшення мікроскопа за допомогою таблиці.

4.4. Отримати комплект шліфів: після грубого шліфування; після тонкого шліфування; поліровані шліфи тех-нічного заліза, вуглецевих сталей і чавунів.

4.5. Розглянути під мікроскопом зразки шліфів після різних стадій шліфування - грубого і тонкого. Намалювати вигляд поверхні.

4.6. Розглянути поліровані зразки під мікроскопом. Схематично зобразити мікроструктури, зазначивши будову сплавів (неметалеві включення, металеву основу).

4.7. Протравити шліфи технічного заліза, сталей, чавунів 4% розчином азотної кислоти в етиловому спирті.

4.8. Дослідити мікроструктуру шліфів під мікроскопом після травлення.

4.9. Схематично накреслити мікроструктури технічного заліза, сталей і чавунів після травлення, зазначивши будову сплаву (межі зерен, зерна однорідної й неоднорідної будови, розміри зерен).

Мета роботи. Опис технології приготування і травлення мікрошліфів, застосовуваних реактивів для травлення. Оптична схема металографічного мікроскопа, межі збільшень, роздільна здатність, корисне збільшення. Рисунки поверхні мікрошліфів після шліфування на грубому і тонкому папері, після полірування і травлення та їх опис. Висновки із зазначенням особливостей будови досліджуваних сплавів, виявлених мікроаналізом до і після травлення; наявність неметалевих включень, дефектів; розмір і форми зерен.

Кожен студент при роботі з електрообладнанням і хімічними реактивами зобов'язаний виконувати правила техніки безпеки, встановлені інструкціями кафедри.

Про проходження інструктажу з техніки безпеки слід розписатися у лабораторному журналі.

1. Що таке атомно-кристалічна будова, макро- і мікроструктура?

2. Охарактеризувати мікроструктурний аналіз.

3. Які завдання вирішуються за допомогою мікроаналізу?

6. Якими реактивами проводиться травлення мікрошліфів з різних сплавів?

7. Завдяки чому після травлення мікрошліфа під мікроскопом виявляється його мікроструктура?

9. Які межі збільшення металографічного мікроскопа МИМ-7?

10.Як визначити загальне збільшення мікроскопа?

11. Що називають роздільною здатністю мікроскопа?

12. Корисне збільшення мікроскопа і його визначення.

13. За рахунок чого імерсійний метод дає можливість підвищити корисне збільшення металографічного мікроскопа?

Вивчити вплив пластичної деформації і рекристалізації на мікроструктуру і механічні властивості металів і сплавів.

2.1. Зразки сталі 20: у початковому стані, піcля пластичній деформації з різним ступенем при навантаженнях 10 т, 20 т, 30 т, 40 т і 50 т відповідно (по 3 штуки кожного стану).

2.2. Зразки мікрошліфів вихідного і деформованих станів.

2.3. Зразки, що підлягали поверненню після різного ступеня деформації, рекристалізації.

2.6. Муфельні електропечі, розігріті до температури 200°С, 400°С і 750°С.

Деформація – це зміна форми, розмірів і конфігурації тіла в результаті дії зовнішніх сил, що відбувається без зміни об'єму його тіла.

Деформація може бути пружною і пластичною. При пружній (зворотній) деформації під дією зовнішніх сил відбувається зворотне спотворення кристалічної ґратки в зернах металу, при якому атоми, що знаходяться у вузлах кристалічної ґратки, зміщуються з положення рівноваги на відстані, що не перевищують параметру решітки. При знятті зовнішнього навантаження зміщені атоми повертаються в положення рівноваги. Пластична деформація після зняття прикладеного навантаження зберігається, тобто є залишковою, незворотною.

Усі способи обробки тиском (кування, штампування, прокатка, волочіння, пресування й інші) засновані на здатності металу пластично деформуватися, яка кількісно виражається ступенем деформації ε, відносною зміною розміру тіла:

де l₀ - розмір тіла до деформації; Δl - зміна розміру в результаті деформації.

Основним механізмом пластичної деформації металів є внутрішньозернове зсувне переміщення одних частин зерна щодо інших. Зсув відбувається за дислокаційним механізмом, тобто частинки (атоми) зміщуються не одночасно по всій площині ковзання, а за допомогою послідовного переміщення по одній з дислокацій (рис. 1).

Рисунок 1 – Схема зсуву атомних площин у кристалі за дислокаційним механізмом

Зі збільшенням ступеня деформації в металі відбувається накопичення дислокацій, закріплення їх усередині кристалічної ґратки, внаслідок чого кристалічна ґратка спотворюється, тобто, чим більший ступінь деформації, тим більше дислокацій у полікристалі, тим більше спотворень кристалічної ґратки.

Відомо, що будь-яке спотворення кристалічної ґратки веде до її зміцнення. Зміцнення внаслідок пластичної деформації називається наклепом.

Зі збільшенням ступеня деформації змінюється форма зерен. При розтягуванні зерна витягуються за напрямком деформації, а при стисканні – перпендикулярно до навантаження. Таку структуру називають текстурою деформації (рис. 2).

Зі зростанням ступеня текстурованості зростають питомий електричний опір, коерцитивна сила, міцність, твердість; зменшуються пластичність, магнітна проникність, корозійна стійкість. Формування текстури деформації викликає анізотропію властивостей вздовж і впоперек текстурованих зерен. Анізотропія – відмінність властивостей за різним кристалографічним напрямком.

Метал після деформації має підвищену вільну енергію і перебуває у нестійкому стані. Тому наклепаний метал намагається перейти в більш рівноважний, стійкий стан із меншим запасом вільної енергії. Такий перехід вимагає певного термічного активування і внаслідок цього відбувається з помітною швидкістю звичайно лише при підвищенні температури.

Розрізняють такі основні стадії усунення наклепу при нагріванні: повернення (відпочинок) і рекристалізація.

Повернення наклепаного металу відбувається при нагріванні до відносно невисоких температур ~ 0,2 Т_пл (для сталі ~ 150-400°С) і супроводжується невеликим зменшенням деформаційних внутрішніх напружень у металі. При поверненні істотних змін у розмірах, формі і орієнтуванні зерен не відбувається. При цьому механічні властивості металу змінюються на 3-7% (рис. 2).

Рисунок 2 – Мікроструктура та механічні властивості металів і сплавів до і після пластичної деформації, повернення і рекристалізації: ε – ступінь пластичної деформації; Т – температура нагрівання; δ – відносне подовження; σ_В – межа міцності; σ_Т – межа текучості; НВ – твердість; Н_С – коерцитивна сила; КС – корозійна стійкість; ρ – щільність; μ₀ – магнітна проникність

Рекристалізація відбувається при нагріванні до більш високих температур і приводить до повного усунення наклепу, тобто до відновлення структури і властивостей металу, що не підлягав деформації. Сутність цього процесу полягає в тому, що в деформованій матриці формуються і збільшуються центри рекристалізації – зародки нових зерен із неспотвореними кристалічними ґратками. Центри рекристалізації утворюються в найбільш напружених ділянках металу (на межах зерен, перетині ліній ковзання і т.д.), де атоми мають підвищену енергію і здатні до переміщення.

Температурний поріг рекристалізації – це найнижча температура нагріву, що забезпечує можливість зародження нових зерен:

де а – коефіцієнт рекристалізації, залежить від ступеня чистоти металу і змінюється в межах 0,1-0,8;

Процес рекристалізації відбувається в два етапи. Перший етап – первинна рекристалізація, тобто зародження нових зерен і заміщення ними всього об’єму деформованого металу; при цьому повністю знімається наклеп, створений пластичною деформацією; метал набирає рівноважної структури, збільшується пластичність; міцність і твердість зменшуються до значення у вихідному стані. Другий етап – збиральна рекристалізація, коли нові зерна зростають; вільна енергія системи зменшується.

Пластично деформовані метали можуть рекристалізуватися лише після деформації, ступінь якої перевищує певне критичне значення – критичний ступінь деформації (~ 2-10%). Нагрівання деформованого металу з критичним ступенем деформації веде до катастрофічного росту зерна (рис. 3).

Деформація металів поділяється на холодну і гарячу. Холодна пластична деформація проводиться за температур нижчих, ніж температура рекристалізації (< Т_рек), при цьому відбувається наклеп металу.

Рисунок 3 – Залежність розміру зерна рекристалізованого металу від ступеня попередньої деформації: ε - ступінь деформації

Гаряча пластична деформація проводиться за температур вищих, ніж температура рекристалізації (> Т_рек), коли отриманий наклеп знижується одночасно з протікаючою рекристалізацією.

2. Що таке гаряча і холодна пластична деформація?

3. Назвіть температуру повернення та рекристалізації для заліза.

6. Як змінюється НВ при пластичній деформації, відновленні та рекристалізації?

7. Назвіть ступінь критичної деформації. Як його уникнути?

8. Назвіть етапи процесу рекристалізації і поясніть зміни в будові структури.

9. Чим можна пояснити незначну зміну механічних властивостей при поверненні.

10. Що таке температурний поріг рекристалізації?

11. Як змінюється структура при холодній та гарячій пластичних деформаціях?

«ВИВЧЕННЯ БУДОВИ ПОДВІЙНИХ ДІАГРАМ НА ПРИКЛАДІ СПЛАВУ «СВИНЕЦЬ-СУРМА».

На конкретному прикладі засвоїти принцип побудови діаграм стану подвійних систем. Надбати навичок у вивченні сплавів методами термічного і металографічного досліджень. Побудувати криві охолодження і діаграму стану «свинець – сурма». Вивчити мікроструктури компонентів і подвійних сплавів даної системи.

Сплав – речовина, отримана в результаті взаємодії двох або більше компонентів.

Компонентами називаються чисті елементи (метали та неметали), а також стійкі хімічні сполуки, що утворюють сплав. При формуванні сплаву атоми компонентів, що його утворюють, намагаються розташуватися в кристалічній ґратці таким чином, щоб вільна енергія досягла свого найменшого значення.

Фазою називається однорідна за хімічним складом і кристалічною будовою частина системи, відокремлена від інших частин поверхнею розділу, при переході через яку стрибкоподібно змінюються хімічний склад, агрегатний стан або кристалічна структура речовини. Фазами можуть бути чисті метали і неметали, можливі їх алотропічні модифікації, хімічні сполуки, рідкі та тверді розчини.

Системою називається сукупність фаз, що знаходяться в рівновазі при певних зовнішніх умовах. Дана залежність виражається правилом Гіббса (правилом фаз):

К - кількість компонентів, що утворюють систему;

n - число зовнішніх факторів (температура і тиск).

Число ступенів вільності - це кількість незалежних факторів (температура, тиск, концентрація), зміна яких не приводить до зміни стану рівноваги системи, тобто до зміни числа фаз, що знаходяться в рівновазі. Враховуючи, що всі перетворення в металах і сплавах відбуваються практично при сталому тиску, для металевих систем змінним зовнішнім фактором буде тільки температура, тобто n = 1;

У металевих сплавах (системах) зовнішніми чинниками, що впливають на стан системи, є температура і тиск. Внутрішнім змінним фактором є концентрація.

При утворенні сплаву атоми компонентів вступають у певні взаємодії один з одним. У рідкому стані більшість металевих сплавів являють собою однорідні рідини, тобто рідкі розчини. У твердому стані можуть утворюватися тверді розчини, хімічні сполуки та механічні суміші.

Твердими розчинами називаються сплави, що складаються з однієї фази, змінного складу. При утворенні твердого розчину кристалічна ґратка одного з компонентів (розчинника) зберігається, і тільки змінюється період кристалічної ґратки. Отже, кристалічна ґратка твердих розчинів складається з атомів двох або більше компонентів. Структура твердого розчину, видима під мікроскопом, складається, як і у чистих металів, з однорідних зерен (рис. 1). Тверді розчини прийнято позначати А(В), де А - розчинник; В - розчинений компонент або α, β, γ, δ залежно від температур утворення.

Рисунок 1 – Схеми розташування атомів у твердих розчинах:

а - метал-розчинник (А); б - твердий розчин заміщення А (В)

Залежно від характеру розподілу атомів розчиненого компонента в кристалічній ґратці розчинника розрізняють такі три типи твердих розчинів: тверді розчини заміщення, тверді розчини проникнення, тверді розчини віднімання.

Кристалічна ґратка хімічної сполуки відрізняється від кристалічних ґраток компонентів, що її утворюють. У кристалічній ґратці хімічної сполуки атоми компонентів, як правило, займають певні місця. Створення нового типу кристалічної ґратки є основною ознакою, що відрізняє хімічну сполуку від твердого розчину. Хімічні сполуки можна описати хімічною формулою. Кристалізація (плавлення) хімічної сполуки відбувається не в інтервалі температур, що характерно для твердих розчинів, а при певному конкретному значенні, що характерно для хімічних елементів.

Механічні суміші можуть складатися з чистих компонентів, твердих розчинів, хімічних сполук і т. д. При утворенні механічної суміші кристалічні ґратки складових не змінюються. Кристаліти механічної суміші зв'язуються між собою тільки спільними межами. Розрізняють просту, евтектичну і евтектоїдну механічні суміші.

Проста механічна суміш утворюється при будь-якому відсотковому співвідношенні компонентів. Проста меха-нічна суміш у металевих сплавах зустрічається рідко, прикладом її можуть бути сплави заліза зі свинцем, міді зі свинцем та інші.

Евтектична механічна суміш має строго певний хімічний склад, утворюється при певній сталій температурі з рідкого розчину певного хімічного складу.

Евтектоїдна механічна суміш також має строго певний хімічний склад, утворюється при певній сталій температурі, але тільки при розпаді твердого розчину певного хімічного складу.

Усі процеси, що відбуваються в сплавах залежно від температури і концентрації, знаходять відображення в діаграмі стану. Діаграма стану – це графічне зображення рівноважного стану сплавів залежно від температури і концентрації (починаючи з температур плавлення). Діаграма стану сплавів дозволяє простежити за процесами, що відбуваються в даному сплаві при нагріванні та охолодженні; визначити сплави, які мають чудові ливарні властивості, а також сплави, що змінюють фізико-механічні властивості шляхом термічної обробки або обробки тиском; правильно встановити режими термічної, хіміко-термічної обробки та обробки тиском; знаючи, яку структуру будуть мати сплави в рівноважному стані (повільно охолоджені), за мікроструктурою (у деяких випадках) розрахувати хімічний склад сплаву; правильно вибрати склад сплаву, який характеризується необхідними властивостями, і т.д.

Тип діаграм стану залежить від характеру взаємодії компонентів, що складають дану систему, тобто від того, яку будову в твердому стані мають компоненти один з одним. Компоненти, що вивчаються в даній лабораторній роботі, сплаву свинець - сурма повністю розчинні один в одному в рідко

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: