 |
Правила построения диаграмм состояния
|
|
|
|
Диаграммы состояния двойных систем, структура и свойства сплавов
Цель работы
1. Ознакомиться с основными понятиями теории сплавов.
2. Изучить принципы и правила построения диаграмм состояния сплавов.
3. Построить диаграмму состояния Pb–Sb, для данной диаграммы состояния дать пояснение всех линий и точек.
4. Приобрести практические навыки проведения фазового анализа и определения количественного соотношения фаз в зависимости от концентрации компонентов и температуры.
5. Установить закономерности изменения свойств сплавов с разным типом диаграмм состояния.
Содержание работы
Диаграмма состояния сплава представляет собой графическое изображение равновесного состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации (начиная с температур плавления).
Диаграмма состояния позволяет для конкретных сплавов проследить за процессами, происходящими в сплаве при нагревании и охлаждении; определить сплавы, которые обладают хорошими литейными свойствами, а также сплавы, изменяющие физико-механические свойства путем термической обработки; правильно установить режимы термической, химико-термической обработки и обработки давлением; указать, какую структуру будут иметь сплавы в равновесном состоянии (медленно охлажденные), в некоторых случаях по микроструктуре рассчитать химический состав сплава; правильно выбрать состав сплава, который будет обладать необходимыми свойствами, и т.д.
Некоторые положения теории сплавов
Сплавом называется вещество, полученное сплавлением или спеканием двух или более компонентов. Способы получения однородной монолитной массы сплава могут быть различными: кристаллизация из расплава; конденсация из газообразной фазы; спекание порошков или гранул.
|
|
|
Закономерности взаимодействия элементов при любом способе получения сплавов одинаковы. Рассмотрим сплавы, полученные кристаллизацией из расплавов.
Компонентами называются химические элементы или устойчивые химические соединения, входящие в состав сплава. Компоненты могут образовывать одну или несколько фаз.
Фазой называется простейшая структурная составляющая часть сплава, отделенная от других частей границами раздела, при переходе через которые наблюдается резкое изменение свойств. Фаза может распределяться по многим объемам (кристаллам), но во всех механически разобщенных объемах будут наблюдаться одинаковый химический состав, агрегатное состояние и свойства.
Структурной составляющей сплава называется структурно обособленная часть сплава, имеющая под микроскопом однородное строение. Структурная составляющая может быть многофазной.
Системой сплавов называется совокупность всех возможных сплавов на основе двух или более компонентов, например система «железо-цементит».
Фазы в металлах и сплавах
В сплавах бывают жидкие и твердые фазы. Считается, что в жидком состоянии компоненты, как правило, неограниченно растворяются друг в друге, поэтому сплавы различают по фазовому и структурному составу в твердом состоянии.
Характеристика твердых фаз в сплавах
Твердыми фазами в сплавах могут быть:
а) чистые компоненты;
б) твердые растворы замещения;
в) твердые растворы внедрения;
г) химические соединения;
д) интерметаллидные соединения.
Иногда в карбидах могут образовываться твердые растворы вычитания.
Чистые компоненты выделяются из жидкой фазы в виде кристаллов различной величины в тех случаях, когда компоненты совершенно не растворяются друг в друге в твердом состоянии, например, в сплавах свинец-сурьма, серебро-свинец, олово-цинк и др.
|
|
|
Твердым раствором называется однофазная структура с кристаллической решеткой, образованной атомами компонентов, входящих в состав сплава. Компонент, кристаллическая решетка которого сохраняется, называется растворителем (или основой сплава); компонент, который не сохраняет свою кристаллическую решетку, а отдает свои атомы в решетку растворителя, называется растворенным. Твердый раствор представляет собой одну фазу.
Различают два основных типа твердых растворов: замещения и внедрения.
Твердые растворы замещения образуются путем замещения атомами растворенного вещества атомов растворителя в узлах его кристаллической решетки. Твердые растворы могут состоять из двух и более компонентов, но в сплаве такой твердый раствор представляет собой одну фазу.
Твердые растворы обычно обозначаются малыми буквами греческого алфавита a, b, γ и т.д. Твердые растворы замещения могут быть с ограниченной и неограниченной растворимостью компонентов друг в друге.
Твердые сплавы замещения с неограниченной растворимостью образуются при соблюдении следующих условий:
а) компоненты должны иметь одинаковый тип кристаллической решетки (должны быть изоморфными);
б) различие атомных параметров должно быть небольшим (8…15%);
в) компоненты должны иметь близкие физические свойства, одинаковую или мало отличающуюся электроотрицательность.
Твердые растворы замещения с ограниченной растворимостью компонентов друг в друге встречаются чаще.
Твердые растворы внедрения образуются путем внедрения отдельных атомов растворенного вещества в междоузлия кристаллической решетки растворителя.
Эти твердые растворы характеризуются ограниченной растворимостью растворяющегося компонента, который, как правило, имеет значительно меньший атомный радиус, чем металл-основа. Твердые растворы внедрения в металлах могут образовывать такие элементы как углерод, азот, кислород, водород и бор. Все они имеют малый атомный радиус (< 1Å).
Химические соединения - разнообразные фазы, характеризующиеся тем, что они имеют свои свойства, кристаллическую решетку и температуру плавления, в соединении сохраняется простое кратное соотношение атомов компонентов, которое можно выразить формулой АmВn. Образование химических соединений сопровождается определенным тепловым эффектом. Наиболее часто встречаются следующие химические соединения: карбиды, нитриды, оксиды, сульфиды, бориды и др.
|
|
|
Интерметаллидные соединения - химические соединения между металлами. Выделение их в отдельную группу по сравнению с обычными химическими соединениями целесообразно из-за их особой роли в процессах дисперсионного упрочнения металлов и сплавов при термообработке. Упрочняющими мелкодисперсными интерметаллидными фазами могут быть, например, интерметаллиды СuZn2, СuВе, Ni3Al, Ni3Mo и др.
Гетерогенные структуры
Механические смеси могут состоять из чистых компонентов, твердых растворов, химических соединений и т.д. При образовании механической смеси кристаллические решетки фаз не изменяются. Кристаллиты механической смеси связываются между собой только общими границами. Различают эвтектическую и эвтектоидную механические смеси.
Эвтектическая механическая смесь(эвтектика) образуется при строго определенной постоянной температуре из жидкого раствора строго определенного химического состава.
Эвтектоидная механическая смесь также образуется при строго определенной постоянной температуре, но только при распаде твердого раствора строго определенного химического состава.
Правило фаз Гиббса
Процессы, происходящие в металлах и сплавах при их фазовых превращениях, подчинены общему закону равновесия, который называется правилом фаз Гиббса.
С помощью правила фаз можно определить количественную зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и фаз в условиях равновесия.
В общем виде правило фаз выражается следующим уравнением:
С = К - Ф + n,
где С – число степеней свободы. Под числом степеней свободы подразумевается количество независимых переменных, изменение которого не приводит к изменению состояния равновесия системы, т.е. к изменению числа фаз, находящихся в равновесии. К независимым переменным относятся концентрации каждого компонента в каждой фазе и внешние факторы – температура и давление;
|
|
|
К – количество компонентов, образующих систему;
Ф – число фаз, находящихся в равновесии;
n – количество внешних факторов (температура и давление). Учитывая, что все превращения в сплавах происходят при постоянном давлении, для металлических систем переменным внешним фактором будет только температура, т.е. n = 1.
При С = 0 система не имеет ни одной степени свободы (система нонвариантна), т.е. фазы находятся в равновесии при строго определенной температуре и концентрации.
Если С = 1, то это значит, что система при данных условиях имеет одну степень свободы (система моновариантна), т.е. если изменить внешний фактор (температуру), то изменится концентрация жидкой и твердой фаз, но равновесие не нарушится.
При С = 2 система при данных условиях имеет две степени свободы, т.е. существует область, в которой можно изменить температуру и концентрацию сплава, не нарушая равновесия.
Правила построения диаграмм состояния
Диаграммой состояния называется график зависимости температур фазовых превращений от концентраций сплавов.
Диаграммы состояния строят на основе термического анализа, в результате которого получают кривые охлаждения.
Расплавленный металл помещают в калориметр и медленно охлаждают с постоянным теплоотводом. Так как фазовые превращения в металлах и сплавах сопровождаются тепловыми эффектами, то на кривых охлаждения в координатах "температура-время" можно наблюдать либо остановки (площадки) - тогда фазовые превращения происходят при постоянных температурах, либо перегибы за счет изменения скорости охлаждения - тогда фазовые превращения протекают в интервале температур.
Температуры начала и конца фазовых превращений, которые определяются по кривым охлаждения, называются критическими, а соответствующие им точки на кривых охлаждения - критическими точками.
|
|
|
