close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

отчет

код для вставкиСкачать
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ........................................................................................... 3
1. Виды твердых фаз в сплавах металлов ................................... 4
2. Механизм кристаллизации металлических сплавов ............. 7
3. Построение диаграмм состояния сплавов металлов ............. 9
4. Виды
диаграмм
состояния
сплавов
при
различном
характере взаимодействия компонентов .............................. 13
5. Зависимость свойств сплава от характера взаимодействия
компонентов ............................................................................. 17
Заключение .................................................................................... 19
Список использованных источников .......................................... 20
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования данной работы заключается в том,
что 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.
Целью данной работы является изучение процесса кристаллизации
металлических сплавов и анализ существующих диаграмм состояния при
азличном характере взаимодействия компонентов.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие
задачи:
1.
Рассмотреть существующие виды твердых фаз, а также механизм
кристаллизации металлических сплавов;
2.
Рассмотреть принципы построения диаграмм состояния сплавов
металлов;
3.
Построить основные типы диаграмм состояния, определить
значения их линий и точек;
4.
Показать зависимость свойств сплава от характера взаимодействия
компонентов.
3
1.
Виды твердых фаз в сплавах металлов
Чистые металлы из-за низкой прочности применяются, главным
образом, в электро- и радиотехнике как проводниковые, электровакуумные и
другие материалы. Основными конструкционными материалами являются
металлические сплавы.
Свойства сплава зависят от многих факторов, но, в первую очередь,
они определяются химическим составом фаз и их количественным
соотношением. Эти сведения получают из анализа диаграмм состояния,
изучению которых посвящена данная работа. [5, 21]
Сплав – это вещество, полученное путем сплавления двух или более
химических элементов (компонентов). Большинство сплавов состоят из
основного металла и небольшого количества добавок или легирующих
элементов. Помимо основного метода получения сплавов – сплавления
компонентов – существуют другие методы: спекание смесей порошков
(порошковая металлургия), высокотемпературная диффузия легирующего
элемента в основной металл, плазменное осаждение различных элементов на
подложку, электролитическое осаждение покрытий и др.
Металлический сплав – это сплав, содержащий более 50 вес. %
металлических элементов. Металлические сплавы имеют кристаллическое
строение и металлические свойства. Они обладают более высокими
прочностными и эксплуатационными свойствами по сравнению с чистыми
металлами. Кроме того свойства металлических сплавов можно изменять с
помощью
пластической
деформации
и/или
термической
обработки
значительно сильнее, чем чистых металлов.
Примеры: латунь: сплав на основе меди: смесь (сплав) меди (Cu) и
цинка (Zn) углеродистая сталь: сплав железа (Fe) с углеродом (до ~
2 вес. %C). [4, 17]
4
Компоненты
–
это
химические
элементы,
образующие
сплав.
Компоненты обозначаются символами химических элементов (Cu, Zn, C) или
буквами (A, B, C). В латуни основными компонентами являются Cu и Zn, в
сталях – Fe и C. Компонентами металлических сплавов принято считать
также устойчивые химические соединения, которые не диссоциируют в
исследуемом интервале температур. Металл или сплав называют системой.
Чистый металл является простой однокомпонентной системой, сплав –
сложной системой, состоящей из двух и более компонентов. Двойной сплав
содержит два компонента, тройной – три и т. д.
Фаза – однородная по химическому составу и микроструктуре часть
системы (металла или сплава), отделенная от других частей системы
границей раздела, при переходе через которую структура и свойства резко
меняются. Фазу можно механически выделить из смеси, в которой она
находится. [5, 37]
Жидкий металл или сплав также является фазой, а сама система
является однофазной. Система (сплав), состоящая из двух типов зерен с
различной кристаллической решеткой, или из жидкого металла и кристаллов,
является двухфазной системой.
Рассмотрим двойную металлическую систему А–В. В жидком
состоянии обычно существует полная взаимная растворимость компонентов
друг в друге. При затвердевании возможны следующие три варианта
взаимодействия компонентов А и В:
 атомы А и В сильно отталкивают друг друга; в результате
формируется
механическая
смесь
зерен
двух
чистых
металлов,
кристаллизующихся порознь, т. е. А + В, микроструктура механической
смеси представлена на рис.1:
5
Рисунок 1. Микроструктура механической смеси
 силы взаимодействия (отталкивания и притяжения) между атомами
А и В малы; в результате атомы компонента В частично или полностью
растворяются в решетке А и наоборот. В этом случае образуются
ограниченные или неограниченные твердые растворы, причем в первом
случае образуются также механические смеси ограниченных твердых
растворов, микроструктура твердого раствора представлена на рис.2.
Рисунок 2. Микроструктура твердого раствора
 атомы А и В испытывают сильное взаимное притяжение; в этом
случае могут формироваться химические соединения, в том числе
интерметаллиды (в системах металл–металл). Микроструктура химического
соединения представляет собой разной величины и формы зерна, одинаковые
по составу и свойствам.
Таким образом, в сплавах могут образовываться следующие основные
фазы: жидкие растворы, твердые растворы, химические соединения. Сплав
может быть однофазным (гомогенным) или многофазным (гетерогенным).
6
2.
Механизм кристаллизации металлических сплавов
При переходе металла из жидкого состояния в твердое образуются
кристаллы. Такой процесс называют кристаллизацией.
Процесс кристаллизации металла можно рассматривать по кривым
охлаждения, которые обычно получают опытным путем. Например, для
чистого металла, охлаждаемого очень медленно, кривая охлаждения
показывает, что, если металл находится в жидком состоянии, температура
понижается почти равномерно. Если металл охладить до температуры
плавления Тпл (точка а на кривой), то начинается кристаллизация и падение
температуры прекращается, несмотря на непрерывную отдачу тепла
окружающей атмосфере. Получаемый горизонтальный участок на кривой
охлаждения показывает, что в металле происходит процесс образования
кристаллов с выделением тепла, называемый теплотой кристаллизации.
Кристаллизация протекает от точки а до точки б, где она заканчивается и
металл затвердевает. Дальнейшее падение температуры на кривой указывает
на охлаждение затвердевшего слитка (рис. 3, а).
Рисунок 3. Кривые кристаллизации
7
В металлических сплавах кривая охлаждения имеет несколько иной
вид. Охладившись до температуры плавления Тпл, сплав еще некоторое время
остается жидким. Кристаллизация сплава начинается при температуре
переохлаждения Тп, лежащей ниже теоретической температуры плавления.
Разность
между
теоретической
и
фактической
температурами
кристаллизации называют степенью переохлаждения. Она зависит от
природы сплава, его чистоты и скорости охлаждения. Чем больше скорость
охлаждения сплава, тем больше степень переохлаждения. Петля на кривой
охлаждения показывает, что кристаллизация сопровождается выделением
тепла, которое повышает температуру сплава до температуры плавления,
поддерживая ее до полного затвердевания металла. (рис. 3, б)
Аморфные тела затвердевают постепенно. В этом случае кривая
охлаждения будет плавной, без горизонтальных площадок (рис. 3, в)
Процесс образования кристаллов состоит из двух одновременно
протекающих
стадий:
появления
зародышей
–
устойчивых
центров
кристаллизации и роста кристалликов вокруг этих центров. [3, 44]
Сначала каждый кристаллик в жидкости растет свободно, сохраняя
правильную геометрическую форму. Так как одновременно образуется много
кристаллических центров и рост кристалликов идет по всем направлениям, то
смежные
кристаллы,
увеличиваясь,
начинают
непосредственно
соприкасаться друг с другом и правильная форма их нарушается.
В результате кристалл приобретает округленную форму, напоминающую
зерно. Такие кристаллы принято называть кристаллитами, или зернами.
В зависимости от условий затвердевания зерна могут быть крупными,
хорошо различимыми невооруженным глазом, и мелкими, которые можно
рассмотреть только при помощи металлографического микроскопа.
Процесс кристаллизации может быть описан количественно, если
известны
зарождение
центров
кристаллизации
и
скорость
роста
кристалликов. Число центров кристаллизации и скорость роста кристалликов
зависят от степени переохлаждения металла. С увеличением степени
8
переохлаждения ∆T число центров и скорость роста также возрастают,
достигая максимального значения. Однако характер роста величин числа
центров и скорости роста различен.
Если степень переохлаждения невелика, то скорость роста преобладает
над числом центров, в результате чего образуется
крупнозернистая
структура.
С увеличением степени переохлаждения скорость роста не изменяется,
число
центров
продолжает
расти,
что
приводит
к
образованию
мелкозернистой структуры.
3.
Построение диаграмм состояния сплавов металлов
Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение
фазового состояния сплавов данной системы в функции температуры и
концентрации. По диаграмме можно определить, при какой температуре
происходит затвердевание сплава, какие превращения происходят при
нагреве и охлаждении, количественный и качественный состав фаз и др.
Итак,
диаграмма
двухкомпонентного
сплава
строится
в
двух
измерениях: температура – концентрация (рис. 4).
Рисунок 4. Координаты для изображения состояний двухкомпонентной
системы
9
По оси ординат откладывается температура, а по оси абсцисс –
концентрация. Общее содержание компонентов в любом сплаве составляет
100 %. Левая крайняя точка А по оси концентраций соответствует 100 %
содержанию компонента А. Процентное содержание второго компонента
откладывается по этой оси слева направо. Правая крайняя точка В
соответствует
100
%
содержанию
промежуточная точка на оси
второго
компонента
В.
Каждая
абсцисс соответствует определенному
содержанию сплава. Например, в точке С сплав состоит из 40 % компонента
В и 60 % компонента А. В точке Д – 80 % компонента В и 20 % компонента
А, и т.д. Следовательно, по мере удаления от точки А увеличивается
количество компонента В и наоборот.
Ось ординат показывает изменение температуры и каждая точка на оси
(например, точка Е) соответствует определенному фазовому состоянию
рассматриваемого сплава при определенной температуре (ТЕ).
Диаграммы состояния обычно строятся по экспериментальным данным
термического анализа и исследованию структур сплавов в твердом
состоянии.
Рисунок 5. Схема установки для построения кривых охлаждения:
1 – нагревательное устройство; 2 – тигель; 3 – термопара; 4 – гальванометр
Из исследуемых компонентов изготавливается серия сплавов разного
химического состава и для каждого из них строится кривая охлаждения.
Температура измеряется обычно термопарой (рис. 5). В нагревательное
устройство 1 помещается тигель 2, в котором находится исследуемый сплав.
10
После его расплавления в тигель погружается горячий спай термопары 3 и
производится медленное охлаждение. Через определенные промежутки
времени
производится
фиксация
температуры
и
строится
кривая
охлаждения (рис. 3). [5, 55]
Рисунок 6. Кривая охлаждения сплава
Из рисунка видно, что на кривой имеется две характерные точки: t1 и t2.
При t1 падение температуры сплава замедляется. Это свидетельствует о том,
что начался процесс с выделением такого количество тепла, которое
частично компенсирует тепло, отводимое в окружающую среду. При
температуре
t2
выделение
тепла
идет
настолько
интенсивно,
что
компенсирует потери в окружающее пространство полностью.
В данном случае при температуре t1 начинается кристаллизация сплава,
а при температуре t2 заканчивается. Эти температуры называются
критическими температурами или критическими точками.
Рассмотрим построение диаграммы на конкретном примере. Пусть
имеется сплав, состоящий из двух компонентов А и В, которые
неограниченно растворимы в жидком состоянии, но в твердом взаимно не
растворимы и не образуют друг с другом химических соединений. Из этих
двух компонентов создана серия сплавов различного химического состава и
для них получены критические температуры начала t 1 и конца t2
кристаллизации (табл. 1):
11
Таблица 1. Температуры начала и конца кристаллизации сплавов
Номер сплава
Состав сплава
I
II
III
IV
V
VI
VII
100 % А
90 % А + 10 % В
70 % А + 30 % В
60 % А + 40 % В
40 % А + 60 % В
10 % А + 90 % В
100 % В
Температура кристаллизации, °С
начала t1
350
325
240
170
300
420
450
конца t2
350
170
170
170
170
170
450
По данным табл. 1 строятся кривые охлаждения каждого сплава
(рис. 7, а). Верхние точки кривых (1,1') соответствуют температурам начала
затвердевания сплавов и называются температурами ликвидуса. Нижние
точки (2,2') соответствуют температурам конца затвердевания и носят
название температур солидуса.
Рисунок 7. Порядок построения диаграммы состояния:
а-кривые охлаждения сплавов; б-диаграмма состояния двухкомпонентного
сплава
При построении диаграммы состояния сплавов на планшет в
координатах «температура – концентрация» наносятся значения критических
температур для каждого исследуемого сплава (рис. 4, б). Затем, соединяя
12
точки начала кристаллизации, получают линию ликвидус (СДЕ), а при
соединении точек конца кристаллизации – линию солидус (FДК). Таким
образом, линии ликвидус и солидус представляют собой семейство точек,
соответствующих началу и концу кристаллизации многочисленных сплавов с
различным содержанием компонентов. Выше температур, образующих
линию ликвидус, все сплавы данной системы находятся в жидком состоянии,
а ниже линии солидус – в твердом. При температурах между этими линиями
сплавы находятся в полужидком состоянии, т.е. в жидком расплаве находятся
твердые фазы.
Следовательно, диаграмма показывает состояние сплава при любом
соотношении содержания компонентов А и В и при любой температуре.
Диаграммы состояния дают возможность определять, какую структуру
будут иметь медленно охлажденные сплавы, а также решать вопросы
термической обработки, выясняя возможно ли при ее выполнении изменение
микроструктуры.
А
поскольку
технологические
и
эксплуатационные
свойства сплавов тесно связаны с их микроструктурой, то для практического
металловедения диаграммы играют очень большую роль.
4.
Виды диаграмм состояния сплавов при различном
характере взаимодействия компонентов
При охлаждении в сплавах происходят изменения, образуются новые
фазы (твердые, жидкие), структуры. Эти изменения можно проследить на
основе анализа диаграмм состояния,
которые строятся по кривым
охлаждения, и нами не рассматриваются.
Диаграммой
состояния
называют
графическое
изображение,
показывающее в состоянии равновесия фазовый состав и структуру сплава в
13
зависимости от концентрации и температуры. Рассмотрим основные
диаграммы состояния двойных сплавов.
Диаграммой состояния I рода (типа) характерна для сплавов,
компоненты которых образуют механические смеси, при незначительной
взаимной
растворимости
(рис. 8). Слева направо по оси
абсцисс
откладывается процентная доля компонента В в сплаве. Процентная доля
компонента А увеличивается в противоположном направлении оси абсцисс.
Часто ее не показывают, а подразумевают.
Рисунок 8. Диаграмма состояния I рода
По оси ординат откладывают значения температуры. Компоненты А и
В для этого типа диаграмм взаимно растворяются только в жидком
состоянии, а в твердом состоянии не растворяются и не образуют
химических соединений. Линия АСВ, выше которой сплавы находятся в
жидком состоянии, называется линией ликвидус. Линия DCE, ниже которой
сплавы находятся в твердом состоянии, называется линией солидус. Между
линиями ликвидус и солидус сплавы переходят из жидкого состояния в
твердое.
Сплав двух компонентов, который плавится при минимальной
температуре,
называется
эвтектикой,
или
эвтектическим.
Эвтектика
представляет собой тонкую механическую смесь компонентов в составе А и
В. Процентное соотношение компонентов в составе сплава можно
определить, опустив перпендикуляр из точки С на ось абсцисс. При
14
охлаждении эвтектических сплавов оба компонента одновременно из
жидкого состояния кристаллизируются в твердое.
Левее от эвтектики сплавы называются доэвтектическими, правее –
заэвтектическими. У доэвтектических сплавов область ACD содержит
жидкую фазу Ж и кристаллы компонента А. Заэвтектические сплавы в
области СВЕ содержат жидкую фазу Ж и кристаллы компонента В. Ниже
линии солидус в области DCBЭ, доэвтектические сплавы в твердом
состоянии содержат компонент А и эвтектику (А+В), заэвтектические в
области СЕВЭ, – компонент В и эвтектику (А+В).
Диаграмма состояния II рода характерна для сплавов с неограниченной
растворимостью компонентов друг в друге, имеющих одинаковые типы
кристаллических решеток (рис. 9).
Рисунок 9. Диаграмма состояния II рода
Диаграмма содержит область жидкой фазы Ж, двухфазную область
α + Ж, область твердой фазы α. Фаза α представляет твердый раствор
компонентов А и В, а зерна (кристаллиты) имеют общую кристаллическую
решетку.
Диаграммы состояния III рода характерны для сплавов с ограниченной
растворимостью (рис. 10). Линия ADB является линией ликвидус, а линия
ACDEB – линией солидус. Фаза а является твердым раствором компонента В
в компоненте – растворителе А, а фаза  - твердым раствором компонента А
в компоненте – растворителе В.
15
Рисунок 10. Диаграмма состояния III рода
Эвтектика для рассматриваемой диаграммы представляет собой
механическую смесь мелкозернистых фаз α и , и кристаллизуется на линии
CDE при наименьшей для данной системы температуре.
Линия CF показывает предельную растворимость компонента В в
компоненте А, а линия ЕК – предельную растворимость компонента А в
компоненте В. Ниже линии CF из α-фазы начинают выделяться атомы
компонента В, образуя вторичные кристаллы II -твердого раствора.
Аналогично, ниже линии ЕК из -фазы выделяются атомы компонента А,
образуя
вторичные
кристаллы
αII
α-твердого
раствора.
Структуры
доэвтектических и заэвтектических сплавов ниже линии СЕ трехфазные (см.
рис. 10).
Диаграмма состояния IV рода относится к сплавам, в которых
компоненты сплавов образуют устойчивые химические соединения АmВn
(рис.
11).
Эти
соединения
(интерметаллы)
выступают
в
роли
самостоятельного третьего компонента, способного образовывать сплавы с
каждым из исходных компонентов.
16
Рисунок 11. Диаграмма состояния IV рода
Химическое соединение AmBn образует с компонентами А и В сплавы,
для которых характерны диаграммы состояния I рода.
5.
Зависимость
свойств
сплава
от
характера
взаимодействия компонентов
Тип диаграммы состояния предопределяет характер изменения свойств
сплава. Для механических смесей (диаграмма состояния I рода) прочность и
удельное электрическое сопротивлении сплавов изменяется по линейному
закону от компонента А к компоненту В (рис. 12, а). Для сплавов с
неограниченной растворимостью в твердом состоянии (диаграмма состояния
II рода) эти свойства изменяются по нелинейному закону, и могут имеют
максимум (рис. 12,б) или минимум. В результате прочность и удельное
электрическое сопротивление у твердых растворов могут быть выше, чем у
чистых компонентов. [4, 56]
17
Рисунок 12. Изменение твердости и электрического сопротивления в
зависимости от рода диаграммы состояния
Для сплавов с диаграммой состояния III рода в области однофазных
твердых растворов свойства изменяются по нелинейному закону, а в области
механической смеси твердых растворов – по линейному закону (рис. 12, в).
Для сплавов и компонентов, образующих химическое соединение,
максимальные
значения
сопротивления
имеет
прочности
место
при
и
удельного
концентрации
электрического
компонентов,
соответствующих химическому соединению (рис. 12, г).
Таким образом, при известном характере взаимодействия между
компонентами и роде (типе) диаграммы состояния сплава возможен выбор
процентного
состава
сплава,
обеспечивающего
заданные
физико-
механические свойства.
18
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основании всего вышеизложенного представляется возможным
сделать следующие выводы:
1).
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. Различают следующие фазы металлических сплавов:
жидкие растворы; твердые растворы; химические соединения.
2).
Диаграмма состояния сплава представляет собой графическое
изображение равновесного состояния сплавов в зависимости от температуры
и концентрации (начиная с температур плавления).
3).
Диаграммы состояния обычно строятся по экспериментальным
данным термического анализа и исследованию структур сплавов в твердом
состоянии.
4).
сплавов:
Различают четыре главнейших типа диаграмм состояния двойных
механическая
смесь,
твердый
раствор
с
неограниченной
растворимостью, твердый раствор с ограниченной растворимостью и
химическое соединение.
5).
Свойства сплавов зависят от взаимодействия компонентов, т. е.
от того, какая структура в них получается. Диаграммы состояния
характеризуют взаимодействие компонентов и показывают, какая структура
образуется в зависимости от состава сплава. Следовательно, существует
связь между свойствами и диаграммами состояний.
19
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:
1.
Колесов, С.Н. Материаловедение и технология конструкционных
материалов: учебник для вузов. 1-ое или 2-ое издание. / С.Н.
Колесов, И.С. Колесов – М.: Высшая школа, 2007. – 519 с.
2.
Материаловедение: учеб. для вузов / Б.Н. Арзамасов [и др.]; [под
общ. ред. Б. Н. Арзамасова, Г. Г. Мухина]. – 8-е изд., стер. - М. :
МГТУ им Н. Э. Баумана, 2008. – 648 с.: ил.
3.
Конструкционные материалы: Справочник / Б.Н. Арзамасов, В.А.
Брострем, Н.А, Буше и др.; под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. – М.:
Машиностроение, 1990, – 688с.
4.
Новые материалы / В.Н. Анциферов, Ф.Ф, Бездудный, Л.Н.
Белянчиков и др.; под ред. Ю.С. Карабасова. – М.: МИСИС. –
2002. – 736 с.
5.
Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов: учебник
для вузов. / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др. – М.:
Изд-во Высшая школа, 2000. – 637 с.
20
Документ
Категория
Химия
Просмотров
14
Размер файла
549 Кб
Теги
отчет
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа