Legering (metallurgi)

En legering er en løsning eller blandingskombinasjon av to eller flere elementer hvorav minst ett er et metall , og hvis resulterende materiale har metalliske egenskaper som er forskjellige fra komponentene.

En legering med to komponenter kalles "binær"; en med tre er en ternær liga og en med fire er en kvartær liga.

Legeringer er vanligvis designet for å ha mer ønskelige egenskaper enn komponentene. For eksempel har stål ( jern - karbon- legering ) en høyere mekanisk styrke enn jern , dens hovedkomponent, og messing ( kobber - sink -legering ) er hardere enn kobber og lysere enn sink .

I motsetning til rene metaller har mange legeringer ikke et enkelt smeltepunkt, men går gjennom et smelteområde der materialet er en blanding av fast og flytende fase . Temperaturen der smeltingen begynner kalles solidus og temperaturen der smeltingen er fullført kalles liquidus . Spesielle legeringer kan imidlertid utformes med et enkelt smeltepunkt : disse kalles eutektikk .

Noen ganger er en legering betegnet med navnet på det viktigste metallet: 14 karat gull er en legering av gull med andre elementer; det samme skjer for sølvet som brukes i smykker og for aluminiumet som brukes i strukturene.

I en legering kan det være forskjellige tilfeller basert på de gjensidige handlingene mellom atomene :

Solid løsning

I analogi med flytende løsninger er det faste metalliske løsninger, de er dannet av en matrise av atomer ( løsningsmiddel ) der forskjellige atomer av et andre element ( oppløst stoff ) er tilstede i substitusjonelle eller interstitielle posisjoner. Den maksimale mengden oppløst stoff som kan være tilstede i løsningsmidlet under likevektsforhold kalles " løselighetsgrensen ". For at et gitt grunnstoff skal ha høy løselighet i gitteret til et annet metall, må visse forhold være tilstede samtidig ( Hume-Rothery-regler ):

Faste løsninger skiller seg fra eutektiske legeringer ved at de er homogene og skiller seg fra forbindelser ved at deres bestanddeler kan være tilstede i et visst sammensetningsområde (i stedet for å være tilstede i faste prosentandeler).

Fra tilstandsdiagrammet er det mulig å forutsi den krystallinske strukturen der en løsning størkner. Divergensen mellom liquidus- og solidus-kurvene fører til lokal anrikning i den lavtsmeltende komponenten ved faststoff-væske-grensesnittet; temperaturen på likvidusen til grensesnittet, som avhenger av dens sammensetning, kan derfor anta verdier som er lavere eller høyere enn de faktiske verdiene til metallvæsken, avhengig i stedet av den termiske gradienten : dette er forholdene som det er en konstitusjonell eller sammensatt underkjøling .
Strukturene som kan observeres er:

Eutektisk legering

Når komponentene ikke er løselige med hverandre, eller overskrider den maksimale løseligheten , dannes et aggregat av faste faser, som hver består av et kjemisk element , en forbindelse eller en fast løsning: dette er den "eutektiske legeringen". De fleste stål og støpejern er laget av eutektiske legeringer

Vanligvis består matrisen av en fast løsning, som utgjør den første komponenten i legeringen, med den andre komponenten inni, ofte en intermetallisk forbindelse , tilstede i mindre mengder, men hvis form og fordeling påvirker legeringens egenskaper betydelig.
De vanligste fordelingene er lamellære, kuleformede, nåleformede og fibrøse , hvis dannelse avhenger av sammensetningen, kjernedannelseshastigheten og veksten av de krystallinske kornene.

Spesielt viktig er den "rytmiske krystalliseringen": hvis en av de to fasene størkner først, anrikes væsken med den andre komponenten og dermed favoriseres størkningen av den andre fasen, ofte i henhold til definerte krystallografiske orienteringer som reduserer akkommodasjonsenergien; lamellarrangementet oppnås dermed. En nødvendig betingelse er at de volumetriske prosentene av de to fasene ikke er for forskjellige.

Ved å variere den termiske gradienten, størkningshastigheten og sammensetningene kan de andre fordelingene skapes. Den eutektiske transformasjonen kalles en invariant transformasjon fordi den skjer under likevektsforhold ved en spesifikk temperatur og legeringssammensetning, som ikke kan varieres.

Størkning av metallegeringer

Når det gjelder størkning av legeringer, skilles tre grunnleggende tilfeller ut:

Fullstendig løselige metaller i fast tilstand

Ved å tilsette økende mengder metall B til et metall A, reduseres størkningsstart- og stopppunktene gradvis dersom de to metallene er fullstendig blandbare med hverandre. Åpenbart skjer det motsatte ved å øke mengden av A i B. Fra tilstandsdiagrammet, konstruert med utgangspunkt i kjølekurvene, kan man se at ved avkjøling av en flytende blanding som inneholder for eksempel 34 % av A og 66 % av B, nådde punktet hvor størkning begynner , hvis de første fraksjonene av fast stoff som dannes separeres, er sammensetningen (av faststoffet) veldig forskjellig fra væskens: dette faste stoffet inneholder faktisk 60% av A og 40% av B. Den gjenværende væsken er derfor anriket med B og dens sammensetning skifter langs liquidus-kurven til høyre; følgelig beveger også sammensetningen av det faste stoffet som gradvis dannes fra en væske med variabel sammensetning til høyre etter solidus-kurven. Størkning slutter når faststoffet når konsentrasjonen til utgangsvæsken.

Delvis løselighet i fast tilstand

I noen tilfeller berører liquidus- og solidus-kurvene på et minimumspunkt, og ved en lavere temperatur er det en blandbarhetskurve på grunn av det faktum at de allerede angitte forholdene ikke er verifisert: flytende blandinger som størkner danner blandede alfakrystaller, men ved temperaturer under en gitt temperatur (funksjon av legeringen som vurderes) inneholder disse krystallene en for stor mengde av ett av de to metallene, som vil komme ut av gitteret sammen med en viss mengde av det andre metallet, for å danne nye betakrystaller.

Fullstendig uløselighet i fast tilstand

Hvis blandbarhetsgapet utvides til å berøre koordinataksene, er det fullstendig uløselighet i fast tilstand. Fra de flytende blandingene, ved størkningspunktet, dannes krystallinske kim av rene metaller og de faste legeringene vil bestå av kornene til de to separate metallene. Hvis legeringene er av eutektisk sammensetning, vil kornene bestå av en tett sammenvevning av de to metallene; for de andre blandingene vil det være en viss prosentandel eutektikk og resten av faststoffet består av korn av de to metallene som aldri skilles

Alliganter

Alliganter er elementer som brukes i metallurgi for å modifisere egenskapene til et materiale for å gjøre det egnet for de nødvendige behovene. Disse elementene tilsettes i etablerte mengder når materialet er i flytende tilstand. For eksempel kan nikkel , krom og molybden tilsettes stål (42NiCrMo4 stål); andre legeringsmidler tilsatt stål er: titan , kobber , aluminium , wolfram og bly .

Eksempler på metallegeringer

Merknader

  1. ^ Smith, William F .; Hashemi, Javad (2006). Foundations of Materials Science and Engineering (4. utgave). McGraw-Hill. ISBN 0-07-295358-6 . s. 333

Relaterte elementer

Andre prosjekter

Eksterne lenker