Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина

2. ТЕОРИЯ СПЛАВОВ. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ 2.1. СПЛАВ. СИСТЕМА. КОМПОНЕНТ. ФАЗА Чистые металлы находят ограниченное применение (электро- и радиотехника, электроника и т.п.), в основном используются металлические сплавы, обладающие более ценным комплексом различных свойств. Сплав – это вещество, получаемое в результате затвердевания жидкого расплава, состоящего из двух и более элементов, или спеканием порошков методом порошковой металлургии. Металлический сплав – это вещество, обладающее металлическими свойствами, полученное путем сплавления металла с металлом или металла с неметаллом. Система – это материальные объекты, обособленные физическими или воображаемыми границами раздела от окружающей среды и подвергнутые теоретическому и экспериментальному изучению. Компоненты – вещества, образующие систему. Компонентами могут быть химические элементы и химические соединения, не разлагающиеся при нагреве. Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачком. В твердых сплавах фазами могут быть: зёрна чистого металла, зёрна твердого раствора и зёрна химического соединения. При кристаллизации чистого металла в системе 2 фазы: кристаллы металла (твёрдая фаза) и расплавленный металл (жидкая фаза). 2.2. ВИДЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОМПОНЕНТОВ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ СПЛАВОВ Большинство металлов в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях. В результате образуется однородный (гомогенный) жидкий раствор с равномерным распределением атомов одного металла между атомами другого. В случае, когда металлы в жидком состоянии растворяются ограниченно или вообще не растворяются друг в друге, образуются 2 слоя несмешивающихся жидкостей. При кристаллизации сплавов возможно различное взаимодействие их компонентов. 2.2.1. Образование твердого раствора Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решётку, а атомы других (или другого) компонентов располагаются в решётке первого компонента (растворителя), изменяя её размеры (периоды). Таким образом, твёрдый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решётки и представляет собой одну фазу. Различают твёрдые растворы внедрения и твёрдые растворы замещения. а) Твёрдые растворы внедрения. При их образовании атомы растворённого компонента располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решётки растворителя. Т.к. размеры пустот невелики, то твёрдые растворы внедрения образуются только при небольшом радиусе атома растворённого компонента (элементы І и ІІ периодов). Твёрдые растворы внедрения могут быть только ограниченной концентрации ( до 1-2%). б) Твёрдые растворы замещения. При их образовании атомы растворённого компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решётке. Большинство металлов в той или иной степени могут ограниченно растворяться друг в друге, сохраняя решётку растворителя. В тех случаях, когда компоненты могут замещать друг друга в кристаллических решётках в любых количественных соотношениях, образуется непрерывный ряд твёрдых растворов. Твёрдые растворы замещения с неограниченной растворимостью могут образоваться при соблюдении следующих условий: 1) компоненты должны иметь одинаковые по типу (изоморфные) кристаллические решётки; 2) различие в атомных радиусах ΔR компонентов должно быть незначительным и не превышать 8-15%. Но даже при соблюдении этих условий неограниченные твёрдые растворы образуются не всегда. Т.к. и электронное строение, и размеры атомов растворителя и растворённого компонента различны, то при образовании твёрдого раствора кристаллическая решётка всегда искажается, и периоды её изменяются. При образовании твёрдого раствора замещения период решётки может увеличиться или уменьшиться в зависимости от соотношения атомных радиусов растворителя и растворённого компонента. В случае твёрдого раствора внедрения период решётки растворителя всегда возрастает. 2.2.2. Образование химического соединения Химические соединения и родственные им по природе фазы в металлических сплавах многообразны. Характерные особенности химических соединений, образованных по закону нормальной валентности, таковы: а) Кристаллическая решётка отличается от решёток компонентов, образующих соединение. б) В соединении всегда сохраняется простое кратное соотношение компонентов, что позволяет выразить состав простой формулой АmBn. в) Свойства соединения резко отличаются от свойств образующих его компонентов. г) Температура плавления (диссоциации) постоянная. В отличие от твёрдых растворов химические соединения обычно образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решёток. В качестве примера типичных химических соединений с нормальной валентностью можно назвать Mg2Sn, Mg2Pb, Mg3Bi2 и др. Соединения одних металлов с другими называются интерметаллическими соединениями или интерметаллидами. Большинство химических соединений, образующихся в металлических сплавах, отличаются по некоторым особенностям от типичных химических соединений, т.к. не подчиняются законам валентности и не имеют постоянного состава. 2.2.3. Образование механической смеси компонент Механическая смесь образуется тогда, когда компоненты не способны к взаимному растворению и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. В этом случае сплав будет состоять из смеси зёрен компонентов, т.е. не будет однофазным, как твёрдый раствор или химическое соединение. Механическая смесь может состоять из зерен разных чистых металлов; из зёрен разных твёрдых растворов; из зёрен металла и твёрдого раствора; из зёрен металла и химического соединения; из зёрен твёрдого раствора и химического соединения; из зёрен разных химических соединений. 2.3. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ. ПРАВИЛО ФАЗ Процесс кристаллизации сплавов и связанные с ним многие закономерности строения сплавов описывают с помощью диаграмм состояния или диаграмм фазового равновесия. Диаграмма состояния – это графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от его состава и температуры. На практике ДС необходима при разработке технологии получения сплавов и термической обработки деталей из заданных сплавов. Впервые теоретические основы для разработки ДС дал Дмитрий Константинович Чернов. Большой теоретический и практический вклад в изучение ДС внёс Николай Семёнович Курнаков со своими учениками. В любой системе количество фаз, находящихся в равновесии, зависит от внутренних и внешних факторов. Закономерности всех изменений, происходящих в системе, подчинены общему закону равновесия, который называется правилом фаз или законом Гиббса. Правило фаз выражает зависимость между числом степеней свободы С (или вариантностью), числом компонентов К и числом фаз Ф системы, находящихся в равновесии. С = К – Ф + 2 Число 2 обозначает количество внешних факторов (температура и давление). Для конденсированных (без учёта давления и паровой фазы) систем, какими являются почти все металлические системы, правило фаз записывается: С = К – Ф + 1 Под числом степеней свободы системы понимают число внешних и внутренних факторов (температура, состав), которые можно изменять без изменения числа фаз в системе. Если С = 2, то би- или дивариантная система; если С = 1 – моновариантная; если С = 0 (нонвариантная система), то данное число фаз будет находиться в равновесии только при строго определённой температуре и для строго определённого состава, и это число фаз будет максимальным для системы с данным числом компонентов. Его можно определить по формуле Ф = К + 1. Правило фаз позволяет контролировать правильность построения ДС. 2.4. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ (ДВОЙНЫХ) СИСТЕМ 2.4.1. ДС системы с образованием механической смеси компонентов (I тип) tА ж tB tE А+ж Е В+ж tE` А + В А В Линия tAEtB называется линией ликвидуса. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии. Линия tAtEEtE`tB – линия солидуса. Ниже этой линии все сплавы находятся в твёрдом состоянии. Между линиями ликвидуса и солидуса в равновесии находятся жидкая и твёрдая фазы. Сплав состава точки Е, представляющий собой механическую смесь зёрен А и В, одновременно кристаллизующихся из жидкой фазы, называется эвтектикой (с греч. легко плавящийся). Процесс кристаллизации эвтектики нонвариантный, протекающий при строго определённой температуре и у сплава строго определённого состава. В момент кристаллизации в равновесии находятся 3 фазы: tE жЕ  А + В ДС такого типа имеют реальные системы: Pb – Sb, Sn – Zn . 2.4.2. ДС системы с образованием неограниченных твёрдых растворов (II тип) α +ж ж tВ tA α А В ДС этого типа имеют реальные системы: Ag – Au, Cu – Ni. 2.4.3. ДС системы с образованием ограниченных твёрдых растворов (III тип) ж tB tA α+ж β+ж α Е β α + β А В К такому типу ДС относится система Sn – Pb. 2.4.4. ДС системы с образованием химического соединения (IV тип) t ж tA tS tB E1 A +S E2 S+B А S В К такому типу относится система Mg – Pb с образованием соединения Mg2Pb. 2.5. ВЗАИМОСВЯЗЬ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ И СВОЙСТВ СПЛАВОВ Между типами ДС и свойствами сплавов существует определённая взаимосвязь. Подробное исследование этой взаимосвязи было проведено Н.С.Курнаковым и его учениками. t t t t A+S S+B α A + B α α + β β А S B A B A B A B Н H H H А B A B A B A B 2.6. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗО – ЦЕМЕНТИТ Железо – серебристо-серый полиморфный, ферромагнитный ( т.Кюри 768ºС) металл с плотностью 7860 кг/м3, tпл = 1539ºС, мягкий (70-80НВ), пластичный, малопрочный (σв = 200-250 МПа). Цементит Fe3C (карбид железа) – химическое соединение железа с углеродом имеет очень сложную ромбическую решётку с плотной упаковкой атомов. Характер связи между атомами железа – металлический, и это приводит к тому, что цементит обладает металлическими свойствами (электропроводность, металлический блеск и т.д.). Температура плавления цементита – около 1600ºС, при низких температурах он слабо ферромагнитен (т.Кюри 217ºС). Цементит имеет высокую твёрдость (800НV), но практически нулевую пластичность. Эти свойства являются, вероятно, следствием сложного строения кристаллической решётки цементита. Цементит способен образовывать твёрдые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: Mn, Cr, W и др. Такой твёрдый раствор на базе цементита называется легированным цементитом. Цементит – соединение неустойчивое и при определённых условиях распадается с выделением свободного углерода в виде графита. ДС системы железо – цементит приведена на рис. Линия ABCD – линия ликвидуса, линия AHJECFD – линия солидуса. Феррит – твёрдый раствор углерода в α-железе и -железе. Аустенит – твёрдый раствор углерода в γ-железе. Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита. 1147ºС жС  А + Ц Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита. 727ºС АS  ФР + Ц Фазы: жидкая, феррит, аустенит, цементит. Структурные составляющие: феррит, аустенит, перлит, ледебурит, первичный цементит, вторичный цементит.

Похожие:

	Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина 2008 г И история русского литературного языка [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины/ Сост. Е. В. Белогородцева, Бийский пед гос...		Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина Д история зарубежной литературы Х1Х века. Реализм.: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: М. А. Ковалева; Бийский пед...
	Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина Д пп. Ф. 12 История русской литературы. Древнерусская литература.: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: М. А. Ковалева;...		Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина П психология развития и возрастная психология [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: Т. А. Гусева; Бийский пед...
	Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина Гиревой спорт [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: А. В. Золов; Бийский пед гос ун-т им. В. М. Шукшина. Бийск:...		Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина Д дисциплина [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: В. А. Бурчаков; Бийский пед гос ун-т им. В. М. Шукшина. –...
	Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина Д дисциплина [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: В. А. Бурчаков; Бийский пед гос ун-т им. В. М. Шукшина. –...		Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина Д дисциплина [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: В. А. Бурчаков; Бийский пед гос ун-т им. В. М. Шукшина. –...
	Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина Д дисциплина [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: Л. Б. Повитухина; Бийский пед гос ун-т им. В. М. Шукшина....		Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина Д дисциплина [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: Е. В. Форопонова; Бийский пед гос ун-т им. В. М. Шукшина....
	Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина Д дисциплина [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: Г. В. Гулина; Бийский пед гос ун-т им. В. М. Шукшина. – Бийск:...		Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина Д нормативно-правовое обеспечение образования [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: В. С. Кузнецова; Бийский...
	Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина П психология [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: Н. Е. Варшавская, Н. А. Кочергина, И. С. Пищева; Бийский пед...		Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина П клиника интеллектуальных нарушений [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: Н. А. Першина; Бийский пед гос ун-т...
	Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина Д дисциплина Лыжная подготовка [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: В. С. Баклыкова; Бийский пед гос ун-т им....		Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина Д история музыкального образования [Текст] : Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: Е. А. Торопчина; Бийский пед гос ун-т...