Урок 4. Основні властивості про сплави. Залізовуглецеві сплави

Основні відомості про сплави

Сплав — це речовина, яку одержують поєднанням (сплавленням, спіканням, електролізом) двох або більше елементів. Однак, зазви­чай, сплави одержують шляхом розплавлення двох або більше елементів (металів або неметалів) з наступною їхньою кристалізацією (твердненням).

Структура і властивості сплавів значною мірою відрізняються від структури і властивостей елементів, що їх утворюють. Сплав, виго­товлений переважно з металів, який має металеві властивості, на­зивають металевим сплавом. Порівняно з чистими металами сплави мають більш цінний комплекс механічних, фізичних і технологічних властивостей. Залежно від кількості елементів (компонентів), що входять до складу розплаву, розрізняють двокомпонентні, трикомпо­нентні або багатокомпонентні сплави (системи). У розплаві всі ком­поненти сплава знаходяться в атомарному стані, утворюючи рідкий однорідний розчин із статистично однаковим хімічним складом. Під час тверднення (кристалізації) атоми компонентів розташовуються у певному порядку, утворюючи кристалічну речовину — сплав.

 При цьому існує три типи взаємодії компонентів сплаву:

• утворення механічної суміші компонентів;

• утворення хімічних сполук;

• утворення твердих розчинів.

Компонентами називаються речовини, що утворюють сплав. 

Компоненти в сплавах  можуть утворювати рідкі й тверді розчини, хімічні сполуки і механічні суміші.

Рідкі розчини (а) характерні майже для всіх металів, які розчиняються один в одному в рідкому стані і в будь-яких відношеннях В однорідному рідкому розчині атоми 1 металу (компонента) А рівномірно розподілені між атомами 2 металу В розчинника. У процесі кристалізації і затверднення сплавів взаємодія компонентів може бути різною.

Тверді розчини (б) утворюються в процесі переходу в твердий стан однорідних рідких розчинів. У твердому розчині одна з речовин зберігає свої кристалічні гратки, а атоми другої речовини розподіляються в кристалічних гратках першої речовини.

Хімічні сполуки  (в) утворюються при сплавленні різних металів або металів з неметалами. Хімічні сполуки — це однорідні кристалічні тіла, які мають властивості і кристалічні ґратки такі, що відрізняються від властивостей і граток еле-ментів-складників цих сполук. Хімічні сполуки мають постійну температуру плавлення, дуже тверді і досить крихкі.

Механічна суміш (г) компонентів А і Б утворюється, якщо під час кристалізації компоненти сплавів не можуть взаємно розчинитися і не вступають у хімічну реакцію з утворенням сполуки.

Сплави мають складнішу будову, ніж чисті метали, і процес кристалізації сплавів відрізняється від процесу кристалізації чистих металів. Відмінність полягає в тому, що сплави кристалізуються не при певній температурі, а в інтервалі температур, тобто мають температури початку і кінця кристалізації. 

Температура, при якій будова металів і сплавів змінюється, називається критичною точкою. Під час плавлення і затверднення метали мають одну критичну точку, а сплави: дві. В інтервалі між цими точками є дві фази — рідкий сплав і кристали. Процеси кристалізації сплавів мають важливе значення — вони визначають режими термічної обробки, вибір сплавів для виливання, кування тощо.

Залізовуглецеві сплави

Залізовуглеце́ві спла́ви — сплави заліза (основа) з вуглецем (від 0,1 до 4,5÷6 %). Залізо і вуглець будучи сплавленими у різних пропорціях, дають матеріал різних властивостей, від м'якого заліза до твердої сталі і білого чавуну. Розрізняють залізовуглецеві сплави чисті (із слідами домішок), що їх використовують у невеликих кількостях з дослідною метою і для виготовлення спеціальних виробів, і залізовуглецеві сплави технічні — сталі (до 2 % С) і чавуни (понад 2 %С), широко застосовувані в техніці. Технічні залізовуглецеві сплави містять, крім заліза і вуглецю, постійні домішки (марганець, кремній, сірку, фосфор, кисень, азот, водень), що потрапляють у сплави з вихідних шихтових матеріалів, і домішки (мідь, миш'як та інші), наявність яких зумовлюється особливостями виробництва.

Фазові стани залізовуглецевих сплавів при різних хімічних складах і температурах описуються діаграмами стабільної і метастабільної рівноваги. Існує 2 діаграми стану, одна з яких належить до стабільної системи залізо–графіт, інша — до метастабільної системи залізо–цементит (карбід Fe 3 C). Під час термічної обробки сталей найчастіше застосовують метастабільную діаграму залізо–карбід, яка дозволяє описувати всі перетворення в процесі нагрівання й охолодження різних за вмістом вуглецю сплавів. Для описування структури чавунів використовують як рівноважну, так і метастабільну діаграми стану.

До основних структурних складових залізовуглецевих сплавів належать: аустеніт, цементит, ледебурит, мартенсит, перліт, сорбіт, ферит, троостит і графіт.

Розвитоком наукових основ формоутворення залізовуглецевих сплавів і управління їх структурою та властивостями займається, зокрема, Інститут чорної металургії НАН України.