Диаграмма состояния сплавов, образующих перитектику
Федеральное агентство по образованию
Уральский государственный технический университет-УПИ
СПЛАВЫ И ИХ СТРУКТУРА
Методические указания к домашнему заданию по курсу
«Материаловедение и технология материалов»
для студентов направления
280100 – Безопасность жизнедеятельности
Печатается по решению редакционно-издательского совета
УГТУ-УПИ от 18.01.2007 г.
Екатеринбург
УГТУ-УПИ
2007
УДК 669.017
Составитель Е.Е. Барышев
Научный редактор проф., д-р техн.наук В.С. Цепелев
СПЛАВЫ И ИХ СТРУКТУРА : методические указания к домашнему заданию по курсу «Материаловедение и технология материалов» / сост. Е.Е. Барышев. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2007. 42 с.
В работе приведены рекомендации по изучению диаграмм состояния и структуры двойных сплавов и сплавов системы железо-углерод.
Библиогр.: 7 назв. Рис. 12. Прил. 2.
Подготовлено кафедрой «Безопасность жизнедеятельности»
© Уральский государственный технический университет-УПИ, 2007
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДИАГРАММАХ СОСТОЯНИЯ ДВОЙНЫХ СИСТЕМ
За исключением сравнительно небольшого числа случаев, когда в технике используются чистые металлы U, Th, Zr, Li, Be (в ядерной энергетике), Ge, Ag, Cu (в электро- и радиотехнике), подавляющее количество изделий, конструкций, машин изготовлено из металлических сплавов, как правило, более дешевых и часто с лучшими физико-химическими и технологическими свойствами по сравнению с чистыми металлами.
|
|
Подсплавом понимают вещество, полученное сплавлением двух и более элементов. Сплав, приготовленный преимущественно из металлов и обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом.
В расплаве все компоненты, из которых был получен сплав, находятся обычно в атомарном состоянии, образуя однородный жидкий раствор. При кристаллизации расплава образуются новые вещества – фазы сплава.
Фазой называют однородную составляющую часть системы, имеющую определенный состав, кристаллическое строение, свойства, одно и то же агрегатное состояние и отделенную от остальных частей системы поверхностями раздела.
Достаточно полную информацию о сплавах дают результаты экспериментальных исследований, обобщенные в виде так называемыхдиаграмм состояния. Диаграммы состояния позволяют определить фазовый состав сплавов при различных температурах и концентрациях компонентов.
По диаграммам можно установить, какие превращения происходят в сплавах при нагреве и охлаждении, определить равновесные температуры плавления и затвердевания сплавов различных составов.
|
|
В диаграммах состояния двойных систем по оси ординат откладывается температура, а по оси абсцисс – концентрации компонентов, конечные точки оси абсцисс соответствуют чистым компонентам.
Строятся диаграммы состояния на основе данных термического анализа с помощью кривых охлаждения сплавов различного состава (рис. 1). На участке кривой А от tН до tА происходит охлаждение расплавленного компонента А. Площадка при tА свидетельствует о кристаллизации компонента А. Ниже температуры tА идет охлаждение отвердевшего компонента А.
Сплавы кристаллизуются в интервале температур. На кривой охлаждения сплава 1 в интервале температур tm – tn скорость охлаждения меньше, чем на других участках этой линии, что связано с выделением тепла при кристаллизации. Таким образом, tm – температура начала, a tn – температура конца кристаллизации сплава 1. Кривые охлаждения других сплавов имеют аналогичный вид. Исключение составляет сплав состава «Э», который кристаллизуется подобно чистым компонентам А и В - при постоянной температуре tЭ.Таким образом, ниже температуры tЭ все сплавы системы «А-В» наводятся в твердом (закристаллизовавшемся) состоянии. Если установленные экспериментально точки tm и tn нанести на график (рис. 1, б) при соответствующих составах, то получим диаграмму состояния.
|
|
Ниже рассмотрены основные типы диаграмм состояния металлических сплавов.
1.1. Диаграмма состояния сплавов, образующих механическую смесь компонентов
Этот тип диаграмм относится к системам, компоненты которых в жидком состоянии обладают полной взаимной растворимостью; в твердом состоянии нерастворимы или практически нерастворимы друг в друге; не образуют химических соединений; не имеют аллотропных изменений.
Диаграмма системы приведена на рис. 2. Характерной особенностью такой системы является снижение температуры плавления каждого из компонентов при добавке другого; вторая особенность – температура конца затвердевания не зависит от состава сплава; она значительно ниже температуры затвердевания каждого из компонентов.
Линия Р-S-R обозначает температуры начала процесса затвердевания сплавов соответствующих составов и называется линией ликвидуса. Прямая M-S-N соответствует температуре конца затвердевания и называется линией солидуса. Таким образом, все сплавы, находящиеся выше линии ликвидуса, жидкие; ниже линии солидуса все сплавы находятся в твердом состоянии. В области фигур PSM и RSN часть сплава находится в твердом состоянии, а часть – в жидком.
|
|
Если сплав имеет состав, соответствующий точке Е (слева от точки S), то при охлаждении ниже линии ликвидуса в точке а в расплаве начнут появляться твердые кристаллы компонента А. При дальнейшем снижении температуры (t1; t2; t3) растет количество кристаллов компонента А, соответственно уменьшается количество жидкой фазы, а ее состав изменяется в направлении, обозначенном стрелкой на линии ликвидуса, – обогащается компонентом В. При достижении температуры tэвт система представляет твердые зерна компонента А, между которыми затвердевает последнее количество расплава с составом, соответствующим точке ВЭ. Этот состав называетсяэвтектикой. По структуре эвтектика представляет тонкодисперсную смесь кристаллов обоих компонентов.
Иногда эвтектическую реакцию записывают в виде: L → A + B. Другими словами – жидкая фаза при некоторой постоянной температуре (температуре эвтектики) распадается на две твердых фазы.
Если сплав имеет состав справа от эвтектики (заэвтектический), то при охлаждении процессы кристаллизации идут аналогично, с той только разницей, что первыми в расплаве появятся кристаллы компонента В, количество которых по мере падения температуры будет увеличиваться; последним будет затвердевать расплав эвтектического состава. Подобного рода сплавы образуют пары: Sn-Zn; Pb-Sn; AI-Si.
В сплаве, представляющеммеханическую смесь компонентов, каждый из них при кристаллизации образует зерна со своим типом кристаллической решетки (рис. 3). Свойства такого сплава будут средними из свойств элементов, его образующих.
|
В сплавах,твердых растворах, один из компонентов, растворитель, образует свою кристаллическую решетку, а атомы растворенных компонентов либо внедряются в межузельные пространства, образуя растворы внедрения, либо частично замещают в узлах решетки атомы основного компонента – растворы замещения. Твердые растворы являются фазами переменного состава с широким диапазоном растворимости, от незначительной, порядка сотых-десятых долей процента, до неограниченной взаимной растворимости компонентов друг в друге.
Неограниченные твердые растворы способны образовывать металлы, близко расположенные в таблице Менделеева, особенно находящиеся в одной группе – металлы с одинаковым типом кристаллических решеток и близкими размерами атомов или параметров кристаллических решеток, например: Cu-Si; Fe-Ni; Fe-Cr; Co-Ni; Au-Ag; Au-Cu; Bi-Sb; Mo-W; V-Ti.
Как видно из рис. 4, в этих системах отсутствует эвтектика, а температуры ликвидуса и солидуса монотонно увеличиваются от легкоплавкого компонента к тугоплавкому.
Рассмотрим процесс кристаллизации сплава, состав которого соответствует точке С. При охлаждении сплава ниже линии ликвидуса (т. а1) начинают выделяться кристаллы твердого раствора состава S, При дальнейшем охлаждении размеры и количество кристаллов твердой фазы возрастают, а количество расплава соответственно снижается. При этом одновременно меняется состав фаз: жидкой - по стрелке на линии ликвидуса от С до Р, а твердых кристаллов - по стрелке на линии солидуса от S до С. Такой характер кристаллизации приводит к дендритной ликвации, в результате которой зерна твердой фазы будут неоднородны по сечению - в центре зерна сплав будет обогащен компонентом В. При медленном охлаждении в системе происходит выравнивание состава зерен в результате диффузии. Но в реальных условиях при быстром охлаждении расплава, полного выравнивания не происходит.
1.3. Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы
Этот тип диаграмм наиболее характерен для металлических сплавов.
На рис. 5 обозначены фазы системы при различных составах и температурах. Эти диаграммы представляют своеобразную комбинацию диаграмм первых двух типов. Как видно, застывший сплав не содержит чистых компонентов, он состоит из твердых растворов α и β различного состава, а также эвтектики.
1.4. Диаграмма состояния сплавов, образующих химические соединения
Химическое соединение образуется при строго определенном соотношении количеств компонентов А и В, которое на диаграмме обозначается вертикальной линией. В сплаве, соответствующем химическому соединению, образуется новый тип кристаллической решетки. Такой сплав имеет определенную температуру плавления, характеризуется высокой твердостью и хрупкостью. Так, сплав - соединение CuAl имеет твердость 400 ед. НВ, в то время как твердость Сu и Аl оставляет соответственно 35 и 20 ед. НВ.
Диаграмма состояния системы с устойчивым химическим соединением AnBm которое не распадается вплоть до момента плавления) представляет собой как бы приставленные одна к другой диаграммы состояния двух систем: А – AnBm и AnBm – В. На рис. 6. приведена диаграмма состояния двухкомпонен-тной системы Mg-Pb, образующей химические соединения Mg2Pb. Многие двойные сплавы имеют более сложные диаграммы состояния.
Диаграмма состояния сплавов, образующих перитектику
При эвтектическом превращении жидкость кристаллизуется с образованием двух твердых фаз. Возможен и другой тип трехфазного равновесия, когда жидкость реагирует с ранее выделившимися кристаллами и образует новый вид кристаллов: L + β → α. Реакция подобного типа называется перитектической. Диаграмма с перитектическим превращением приведена на рис. 7. На диаграмме показаны три однофазных области: жидкость (L) и ограниченные твердые растворы α и β. Линия ABC является линией ликвидус, линия APDB – линией солидус.
Рассмотрим кристаллизацию сплава I. Кристаллизация начинается в точке 1, когда из жидкости выпадают кристаллы β-раствора состава точки а. Затем по мере снижения температуры жидкость меняет свой состав по линии ликвидус от точки 1 до точки С, а кристаллы β – по линии солидус от точки b до точки D. По достижении перитектической горизонтали CPD состав жидкости будет отвечать точке С, а состав кристаллов – точке D. Эти обе фазы реагируют и дают третью фазу α, концентрация которой определяется точкой Р – третьей точкой на горизонтали. Количественное соотношение фаз при перитектической реакции определяется правилом конод.
Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 300; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!