Общие положения теории синтеза сплавов Общие положения теории синтеза <a href=сплавов" title="Общие положения теории синтеза сплавов" align="left" width="150" height="200" class=""/>

Синтез сплавов направлен на разработку новых материалов с заранее заданными свойствами, или, правильнее сказать, материалов с оптимальными свойствами, которые обладают наивысшим уров

нем одного важнейшего свойства при соблюдении определенных ограничений по другим контролируемым свойствам. Получение сплава с требуемым высоким уровнем нескольких свойств может быть просто неразрешимой задачей.

Можно выделить следующие основные этапы синтеза сплава:

-    формулировка технического задания на сплав;

-    выбор основы сплава;

-    выбор легирующих элементов и определение вредных примесей;

-    выбор легирующих комплексов;

-    выбор состава сплава;

-    выбор режима термической обработки.

Техническое задание на сплав формулируется заказчиком, исходя из условий эксплуатации будущей отливки, и согласовывается с разработчиком. При этом, как указывалось выше, необходимо выделить важнейшее свойство, которым должен обладать сплав, и указать допустимый уровень ограничений по другим свойствам. Так, если отливка должна работать при высоких температурах и высоких нагрузках, то основное внимание при разработке сплава должно уделяться жаропрочности.

Выбор основы сплава определяется техническим заданием на свойства сплава, если же при анализе задания остается свобода выбора, то в первую очередь учитывается экономическая сторона. Привести фактическую цену любого металла на сегодняшний день не представляется возможным. Подчиняясь рыночным отношениям, они меняются ежедневно. К тому же цены на металлы и сплавы существенно зависят от их качества (степени чистоты). По относительной стоимости (если за единицу взять стоимость железа) основные химические элементы можно поделить на пять групп (табл. 5).

Надо учитывать, что не всегда самый дешевый металл позволит получить наибольший экономический эффект. Так, для деталей транспортных устройств выгоднее применить более дорогой базовый металл, если он имеет меньшую плотность. При снижении мас

сы деталей машина становится легче, экономичнее: снижается расход горючего, растет масса перевозимого груза и снижается стоимость грузоперевозок. Поэтому для наземного транспорта (автомобили) и авиации экономически оправдана замена железоуглеродистых сплавов на детали из алюминиевых и магниевых сплавов. Применение титановых деталей целесообразно в авиации, а бериллиевые сплавы могут оправдать себя в космонавтике.

Таблица 5

Классификация металлов по относительной стоимости

 

Группа стоимости

Относительная цена

Элементы

Дешевые Недорогие Дорогие Дорогостоящие Очень дорогие

0,1–1

1,0–10

1–100

100–1000

1000 и более

C, O, N, S, Fe, Si

Zn, Mg, Al, Cu, Pb

Ba, B, V, Bi, W, Co, La, Nb, Ce, Th, Zr

Be, Y, Dy, In, Nd, Pr, Sm, Ta, Ag

Gd, Hf, Eu, Yb, Sc, Au, Pt

Выбору легирующего комплекса отводится особое внимание при разработке или модернизации литейного сплава. Выбор осуществляется на основе оценки взаимодействия элементов периодической системы с основой сплава и между собой путем анализа соответствующих диаграмм состояния и зависимостей «состав–свойство». Вид базовых диаграмм состояния и положение особых точек на них позволяют оценивать различные свойства сплава, как литейные, так и механические. При анализе достаточно изучить только начальные участки (блоки) диаграмм состояния. Все виды диаграмм состояния можно свести к нескольким типовым, начальные блоки которых и приведены на рис. 2.

Наиболее характерным для литейных сплавов является блок 2. Это часть диаграммы состояния сплавов с ограниченной растворимостью и эвтектическим превращением. Элементы, образующие с базовым металлом такой блок, широко используются как основные или вспомогательные добавки.

На начальных блоках диаграмм, приведенных на рис. 2, можно выделить три важнейшие точки: Ср (предельная растворимость в твердом состоянии), Сэ или Сп (концентрация, соответствующая первой эвтектической или перитектической точкам) и Схс (концентрация, соответствующая образованию первого химического соединения). Координаты этих точек (т.е. концентрация и температура) позволяют более полно оценить возможное влияние элемента на свойства сплава.

Предельная растворимость элемента в твердом состоянии Ср является наиболее важной характеристикой двухкомпонентной системы для прогнозирования свойств сплавов. На совмещенных диаграммах состав–свойство всех изученных систем на эту точку приходятся экстремальные значения свойств или отчетливо видные перегибы. Чем больше предельная растворимость, тем больше упрочняется твердый раствор. Снижение растворимости при понижении температуры указывает на возможность проведения упрочняющей термической обработки.

Концентрация первой эвтектической Сэ или перитектической Сп точки показывает растворимость элемента в жидком сплаве при соответствующих температурах эвтектического или перитектического превращения. Если эвтектическая точка Сэ находится ближе к Ср, чем к точке Схс, то сплавы эвтектического состава будут обладать оптимальным соотношением литейных и эксплуатационных свойств.

Концентрация, при которой образуется первое химическое соединение Схс, отделяет на диаграммах состояния участок, являющийся перспективным для разработки сплава. По положению этой точки можно определить содержание хрупкого интерметаллида в эвтектике. Близость точек Сэ и Схс указывает на то, что эвтектические сплавы будут непригодны для промышленных целей изза наличия этой хрупкой составляющей.

Коэффициент распределения Кр в общем случае показывает различие концентраций элемента в твердой и жидкой фазах (Кр = Ст/Сж). При температурах эвтектического или перитектического превращения Кр можно определить через координаты точек Ср и Сэ или Сп (Кр = Ср/Сэ или Кр = Ср/Сп). Коэффициент распределения характеризует склонность сплава к дендритной ликвации, от степени развития которой зависят прочностные и пластические характеристики сплава.

Для конструкционного материала главным критерием является уровень механических свойств, а точнее, соотношение прочности и пластичности. Упрочнение сплавов при изменении их химического состава может быть достигнуто: увеличением в основе количества растворенных добавок (растворное упрочнение); образованием дисперсных фаз, выделяющихся в ходе термической обработки (дисперсионное упрочнение); ограничением содержания вредных примесей; модифицированием сплавов, термической обработкой. Каждый из этих путей упрочнения может быть реализован при выборе определенного ряда легирующих добавок и примесей. Рассмотрим выбор легирующего комплекса, обеспечивающего растворное упрочнение.

Прочность основы при добавлении в нее элементов с малой растворимостью Ср < 0,1 практически не меняется. При дальнейшем увеличении растворимости прочность сплава прогрессивно растет. Наибольшее упрочнение происходит при введении элементов, предельная растворимость которых находится в интервале от 0,8 до 20–30 ат. %. Прочность сплава достигает максимума при введении добавок, имеющих Ср = 50 ат. %. В случае, если Ср > 50 ат. %, добавка становится основой сплава.

Пластичность твердых растворов при увеличении растворимости может резко падать, если коэффициент распределения Кр > 0 или не превышает значения 0,01. При больших численных значениях коэффициента распределения (Кр > 1) пластичность может сохраняться, а при определенном сочетании Ср и Кр она даже повышается, проходит максимум и затем падает. Это наблюдается при добавлении к основе элементов с малой растворимостью, составляющей десятые доли атомного процента, и с высоким значением Кр.

Коэффициент распределения определяет степень дендритной ликвации элемента. Чем меньше значение Кр, тем выше концентрация этого элемента по границам зерен. При Кр = 1 элемент распределяется равномерно по всему объему кристалла.

Если построить такие диаграммы, как на рис. 4, для различных промышленно важных металлов и сравнить их между собой, то окажется, что положение кривых на диаграммах может несколько смещаться по отношению друг к другу, но общий характер зависимости свойств от растворимости сохраняется.

По характеру влияния на механические свойства основы сплава, т.е. в зависимости от величины критериев Ср и Кр, все химические элементы можно разбить на четыре группы.

Основные легирующие элементы: Ср ? 1 %, Кр ограничивается предельной величиной, ниже которой элементы становятся вредными примесями. Эти элементы являются главными упрочнителями, они не вызывают резкого снижения пластичности и могут служить единственной легирующей добавкой.

Вспомогательные легирующие элементы: Ср = 0,011,0 %, Кр также ограничивается некоторой предельной величиной. Эти элементы больше увеличивают пластичность, чем прочность. Их называют пластификаторами. При введении вместе с основными добавками они усиливают действие основных легирующих элементов.

Нейтральные примеси это малорастворимые элементы (Ср < 0,01 %).

Вредные примеси при любой не слишком малой растворимости имеют значение Кр меньше допустимого критического значения.

Границы между этими четырьмя группами несколько условны. Для каждого базового элемента могут быть свои граничные значения критериев Ср и Кр. Их определяют по параметрам элементов, влияние которых на данную основу уже изучено. К основным легирующим добавкам (по влиянию на прочность) могут быть отнесены элементы, у которых Ср ? 1 и Кр ? 0,05, к вспомогательным легирующим добавкам элементы, у которых Ср ? 0,011,0 и Кр ? 0,05, к вредным примесям элементы, имеющие Ср > 0,001 и Кр < 0,05.

На рис. 5 приведена классификация взаимодействия различных элементов с алюминием в зависимости от этих двух основных параметров. Подобные диаграммы Б.Б. Гуляев назвал статистическими диаграммами отсеивания. Каждый элемент на диаграммах обозначается точкой в соответствии со своими координатами (значениями Ср и Кр на диаграмме с базовым элементом). Пороговые значения Ср и Кр для проведения границ четырех групп устанавливаются по экспериментальным данным. Итак, на рис. 5 выделены четыре поля, которые делят все проанализированные элементы по отношению к алюминию на четыре группы: I основные легирующие элементы; II вспомогательные легирующие элементы; III нейтральные примеси; IV вредные примеси.

Что касается дисперсионного упрочнения (твердения), то оно возникает при образовании в твердом растворе дисперсных частиц твердой фазы. Выделение этих частиц происходит в результате уменьшения растворимости легирующих элементов в твердом состоянии. Как и при растворном упрочнении, наибольший эффект достигается при концентрациях легирующих добавок вблизи точек предельной растворимости. Упрочняющими фазами обычно являются различные металлические и интерметаллические соединения легирующих элементов с базовым компонентом или между собой.

Выбор состава сплава представляет собой задачу определения конкретного оптимального состава сплава, который может быть включен в нормативный документ. На этой стадии устанавливаются допуски по содержанию каждого легирующего элемента и ограничения на содержание вредных примесей. Так как на предыдущих этапах синтеза число компонентов, входящих в сплав, сведено до минимума, то оптимальный состав можно находить путем планируемого эксперимента с построением математических моделей состав–свойство.

Выбор режима термической обработки осуществляется для тех сплавов, строение которых принципиально позволяет проводить упрочняющую термическую обработку. Обязательным условием для этого является изменение растворимости упрочняющей фазы при понижении температуры.

  • Читать все новости