Литі сплави

ЛИТІ́ СПЛА́ВИ — складні речовини, одержувані по­єд­на­н­ням простих елементів, з яких щонайменше один є металом і надає всьому комплексу металеві властивості. Заг. властивості сплавів сут­тєво залежать від будови та індивідуал. особливостей компонентів, хім. взаємодії між ними і взаєм. роз­чин­ності. Металів, які абсолютно нерозчин­ні один в одному в твердому стані, немає, тому їх вважають нерозчин­ними, якщо взаємна роз­чин­ність не пере­вищує сотої долі від­сотка. Від­повід­но до властивостей сплавів роз­глядають 3 осн. системи: мех. суміші, тверді роз­чини та інтерметаліди (див. Інтерметаліди та матеріали на їхній основі). Мех. суміші складаються з суміші окре­мих кри­сталів компонентів, тобто зерен невеликих монокри­сталів. Вони можуть бути утворені металами, які проявляють високу взаємну роз­чин­ність у роз­­плавах, але в твердому стані не роз­чиняються та хімічно не вза­ємодіють між собою. Їх отримують при спіл. кри­сталізації металів, які сут­тєво від­різняються типом кри­сталіч. гратки, напр., Pb–Sn, Pb–Sb, Cd–Bi, Sn–Zn. Т-ра кри­сталізації (або плавле­н­ня) таких сплавів залежить від спів­від­ноше­н­ня компонентів. Склад мікрогетероген. мех. суміші кри­сталіч. твердих фаз, які мають мін. температуру плавле­н­ня, називають евтектикою. Напр., для систем Pb–Sb евтектика складається з 87 % Pb (tпл = 327 °С) і 13 % Sb (tпл = 631 °С); вона пла­виться та кри­сталізується при 246 °С. Коли у сплаві збігаються температури плавле­н­ня та кри­сталізації, то його називають конгруентним. Для евтектич. сплавів характерні однорідність і досить невеликі роз­міри кри­сталів, висока твердість та мех. міцність. Від цих властивостей й залежать сфери їхнього практич. ви­кори­ста­н­ня. Тверді роз­чини — це системи, в кутах кри­сталіч. граток яких роз­міщуються почергово атоми металів. Вони входять до складу сплаву та мають близькі параметри індивідуал. кри­сталіч. граток і необмежену взаємну роз­чин­ність як у роз­плавах, так і в твердому стані. Тверді роз­чини, як і рідкі, є фазами змін. складу, які пере­бувають у термодинаміч. рівновазі. Однак, на від­міну від рідких роз­чинів, твердим властиві далекий порядок, сильніша взаємодія атомів і порівняно великий період досягне­н­ня стану рівноваги.

Процес кри­сталізації Л. с. су­проводжується зміною енергет. стану системи та характеризується термодинаміч. функцією — т. зв. вільною енергією. Як і всі процеси, що від­буваються самовільно, кри­сталізація об­умовлена прагне­н­ням системи до пере­ходу в більш стійкий стан з меншим запасом вільної енергії. Із зміною температури вільна енергія для рідкого та твердого (кри­сталіч.) стану змінюється по-різному. Для кожного металу існує температура, при якій вільні енергії рідкого та твердого станів рівні, вона і є теор. т-рою кри­сталізації. Практично ж процес кри­сталізації від­бувається при т-рі нижче від неї. Охолодже­н­ня рідкого металу нижче теор. температури кри­сталізації називають пере­охолодже­н­ням, різницю між теор. і фактич. т-рою кри­сталізації — ступенем пере­охолодже­н­ня. Процес кри­сталізації сплавів від­різняється від процесу кри­сталізації чистих металів. У більшості сплавів він від­бувається в інтервалі т-р T1–T2, де T1 і T2 — від­повід­но температура початку та кінця кри­сталізації. Процес кри­сталізації складається з двох елементар. процесів: утворе­н­ня зародків (центрів кри­сталізації) та росту кри­сталів з них. Від­повід­но швидкість кри­сталізації об­умовлюється двома величинами: швидкістю зародже­н­ня центрів кри­сталізації та швидкістю росту кри­сталів. Процес кри­сталізації Л. с. залежно від умов тепловід­воду можливий: в обʼємі; за механізмом спрямованої кри­сталізації (утворе­н­ня плоского фронту кри­сталізації); при по­єд­нан­ні цих двох процесів. Обʼємна кри­сталізація су­проводжується формува­н­ням обʼєм. усаджув. пористості в лит­ві та зниже­н­ням ступеня ліквацій. неоднорідності. При кри­сталізації з плоским фронтом про­цес утворе­н­ня обʼєм. усаджув. пористості стримується, але роз­­виваються явища ліквації. Зміна меж роз­чин­ності елементів у твердому роз­чині та наявність у складі сплавів компонентів, що мають алотропічні пере­творе­н­ня, об­умовлює протіка­н­ня вторин. кри­сталізації в процесі охо­лодже­н­ня сплавів від т-р кри­сталізації. Для вторин. нерівноваж. кри­сталізації твердого роз­чину поруше­н­ня рівноваги ви­значається запізне­н­ням дифуз. процесів у вихід. фазах і фазах, що утворюються. Регулюючи швид­кість охолодже­н­ня, можна досягти різного ступеня пере­творе­н­ня (роз­паду) твердого роз­чину, аж до повного пригніче­н­ня цього процесу. Наявність явища запізнюва­н­ня дифуз. процесів при вторин. кри­сталізації до­зволяє формувати необхідну структуру та рівень властивостей, за­стосовуючи до Л. с. термічне обробле­н­ня.

Більшість Л. с. на основі заліза побудовано на базовій системі залізо–вуглець. Осн. сплави цієї системи — чавуни та сталі — найважливіші метал. Л. с. для сучас. техніки. Кри­сталізація чавуна, який найчастіше за­стосовують у металургії та машинобудуван­ні, на від­міну від сталі характеризується евтектич. пере­творе­н­ням. На практиці вміст вуглецю в чавунах за­­звичай становить від 2,5 до 4,3 %. Залежно від складу, умов кри­сталізації та швидкості охолодже­н­ня вуглець в чавуні може пере­бувати в структурно вільному стані у ви­гляді графіту (сірий чавун), у хімічно звʼязаному стані у ви­гляді карбідів (білий чавун) або частково у вільному та частково звʼязаному стані (половинчастий чавун). Форма графіту в структурі чавуну буває пластинча­стою (сірий чавун), пластівча­стою (ковкий чавун), вермикулярною та куля­стою (ви­сокоміц. чавун). Структура метал. основи сірих чавунів може бути феритною, перлітною, бей­нітною або по­єд­нувати ці структури в різному спів­від­ношен­ні. Білі чавуни за типом карбіду по­діляються на нелеговані (кар­бід у ви­гляді цементиту Fе3C) і леговані, в структурі яких формуються карбіди (Fе,Cr)7C3, (Fе,Cr)23С6 або спец. карбіди типу МеXCY, які складаються з карбідо­утворюючих легуючих елементів. Литі сталі за­звичай містять вуглець у межах 0,12–0,75 %, окре­мі марки — 1,6 % і більше. У комп­лекс легування, що використовується для під­вище­н­ня властивостей литих сталей, входять хром, нікель, молібден, ванадій, мідь, марганець, кремній та ін. За рівноваж. структурою виділяють сталі: доевтектоїдні (мають у структурі надмірний ферит), евтектоїдні (мають перлітну структуру), заевтектоїдні (ма­ють у структурі надлишкові, або вторин­ні карбіди), ледебуритні (мають у структурі первин­ні кар­біди, які виділилися з рідини при кри­сталізації). За структурою після охолодже­н­ня сталі роз­різняють перлітні, мартенситні та аустенітні. Поліморфне пере­творе­н­ня заліза об­умовлює різномані­т­тя та особливості структуро­утворе­н­ня метал. осно­ви та карбід. фази при кри­сталізації та подальшому терміч. об­­роблен­ні литих сталей і чавунів.

Л. с. на основі кольор. металів. Алюмінієві Л. с. характеризуються великою різноманітністю складів і структур. Найпоширеніші Л. с. алюмінію з кремнієм (силуміни). У їхній мікро­структурі наявні евтектика з голчас­тою структурою і первин­ні крис­тали a-твердого роз­чину на основі алюмінію або b(Si) залеж­но від положе­н­ня сплаву щодо евтектич. складу. Силуміни бувають по­двій­ними (на основі системи Al–Si) і багатокомпонентними (на основі базових систем Аl–Si–Mg, Al–Si–Cu і Аl–Si–Mg–Cu). Л. с. алюмінію з мід­дю, на від­міну від силумінів, не містять у структурі евтектики або мають невелику кількість евтектич. складової a-Аl + CuАl2. Алюмінієво-мідні сплави за ливар. властивостями по­ступаються звичай. силумінам, однак після термооб­робле­н­ня мають більш вищі мех. характеристики та вирізняються жароміцністю. Л. с. алюмінію з магнієм — найміцніші серед алюмінієвих сплавів. Вони мають високу ко­роз. стійкість і найменшу густину порівняно з ін. алюмінієвими сплавами. Однак за ливар. характеристиками значно по­ступаються силумінам, їм властиві мала рідкоплин­ність і схильність до утворе­н­ня ливар. пухкості. Л. с. на основі міді пред­ставлено двома осн. групами — латунями та бронзами. До латуней від­носять сплави міді з цинком (до 45 %), при цьому в литому ви­гляді за­звичай використовуються латуні з вмістом цинку до 35 %. За структур. ознакою поділяються на одно- (a-латуні) та двофазні (a+b-латуні). Залежно від виду (комплексу) та ступеня легува­н­ня латуні утворюють під­­­групи за видом додатк. легуючого елемента — свинц., оловʼя­ні, алюмінієві та ін. Бронзи — спла­ви міді з ін. елементами. Існують оловʼяні, свинц., алюмінієві, кремнієві, марганц., берилієві та ін. бронзи. Структура литої оловʼяної бронзи складається з дендритів твердого роз­чину α і евтектоїда α + Cu31Sn8. У структурі свинц. бронз присутні зерна міді та включе­н­ня свинцю, який практично не роз­чиняється в міді. Для алюмінієвої бронзи характерна наявність в структурі твердого роз­чину α і евтектики α + γ; γ-фаза — хім. сполука СuАl2. Оловʼяна бронза вирізняється меншим коефіцієнтом усадже­н­ня; алюмінієві та кремнієві мають вищі показники міцності; у алюмінієвої бронзи (порівняно з оловʼяною) вища хім. стійкість. Найкраща рідкоплин­ність властива кремнієцинк. бронзі.

Завантажити статтю