Фазы в металлических сплавах.
Основные понятия и определения теории сплавов.
Сплавом называют материал, образующийся в результате затвердевания расплавов, состоящих из двух или нескольких компонентов.
Сплавы могут быть получены сплавлением исходных компонентов, их спеканием, электролизом, возгонкой и другими способами. При этом свойства полученного сплава в значительной мере будут зависеть от его структуры.
Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются. Совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия, называют системой.
Вариантность (C) (число степеней свободы) – это число внутренних и внешних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения количества фаз в системе.
· Если вариантность C = 1 (моновариантная система), то возможно изменение одного из факторов в некоторых пределах, без изменения числа фаз;
· Если вариантность C = 0 (нонвариантная cистема), то внешние факторы изменять нельзя без изменения числа фаз в системе.
Существует математическая связь между числом компонентов (К), числом фаз (Ф) и вариантностью системы (С). Это правило фаз или закон Гиббса:
Если принять, что все превращения происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится:
С – число степеней свободы; К – число компонентов; Ф – число фаз; 1,2 – учитывает возможность изменения температуры.
Фазы в металлических сплавах.
Сплавы в зависимости от взаимодействия компонентов подразделяются на:
· смеси зерен с ограниченной растворимостью, т.е. механические смеси;
· растворы с неограниченной растворимостью компонентов, т.е. твердые растворы;
· химические соединения компонентов.
Твердый раствор – фаза, к которой один из компонентов сплава (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, а другой (другие) компонент располагается в решетке растворителя, изменяя ее размеры. Различают следующие виды твердых растворов – твердый раствор замещения и твердый раствор внедрения.
Рисунок 1. Расположение атомов в твердых растворах: а – замещения, б – внедрения (○ – атом компонента растворителя, ● – атом растворенного компонента).
При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке (Рис.1 а).
При образовании твердого раствора внедрения атомы растворенного компонента размещаются между атомами растворителя (Рис.1 б).
При образовании твердого раствора кристаллическая решетка всегда искажается, и периоды ее изменяются. При образовании твердого раствора замещения период решетки может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от соотношения атомных радиусов растворителя и растворенного компонента (Рис.2).
Рисунок 2. Искажение кристаллической решетки при образовании твердого раствора замещения.
Твердый раствор состоит из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу. Твердые растворы мягки и пластичны. Благодаря высокой пластичности они хорошо поддаются ковке и другим видам обработки давлением. Литейные свойства и обрабатываемость резанием у твердых растворов низкие.
Примерами твердых растворов внедрения, имеющих промышленное значение, являются твердые растворы внедрения углерода в железо.
Механическая смесь (рис. 3) образуется тогда, когда при кристаллизации компоненты сплава не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.
Рисунок 3. Схема микроструктуры механической смеси.
Свойства механической смеси определяются количественным соотношением входящих в неё кристаллов компонентов. Сплавы механические смеси имеют хорошие литейные свойства.
Сплавы химические соединения образуются между элементами значительно различающимися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между однородными атомами больше чем между разнородными.
Особенности сплавов химические соединения:
· постоянство состава, т.е. сплав образуется при определенном соотношении компонентов;
· образуется специфическая решетка с правильным упорядоченным расположением атомов, отличающаяся от решеток элементов, составляющих химическое соединение (Рис. 4);
· ярко выражены индивидуальные свойства;
Рисунок 4. Кристаллическая решетка химического соединения.
Химическим соединениям, находящимся в сплавах, свойственны повышенная твердость, хрупкость и постоянная температура плавления.
Кроме растворов и химических соединений возможно образование таких фаз, которые не могут быть полностью отнесены к перечисленным и являются промежуточными фазами.
Дата добавления: 2015-10-13 ; просмотров: 12160 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
20. Типы фаз в металлических сплавах. Правило фаз; правило рычага
20. Типы фаз в металлических сплавах. Правило фаз; правило рычага
Диаграмма состояния – это графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от его концентрации и температуры.
Изучение любого сплава начинается с построения и анализа диаграммы состояния соответствующей системы. Диаграмма состояния дает возможность изучать фазы и структурные составляющие сплава. Используя диаграмму состояния, можно установить возможность проведения термической обработки и ее режимы, температуры литья, горячей пластической деформации.
В любой системе число фаз, которые находятся в равновесии, зависит от внутренних и внешних условий. 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 (вариантностью) системы, числом компонентов К и числом фаз системы Ф, находящихся в равновесии.
Степенями свободы называют независимые термодинамические параметры, которым можно придавать произвольные (в некотором интервале) значения так, чтобы не изменялись фазовые состояния (не исчезали старые фазы и не появлялись новые).
Обычно все превращения в металлах и сплавах происходят при постоянном атмосферном давлении. Тогда правило фаз записывают так: С = К – Ф + 1.
Уравнение правила фаз позволяет корректировать правильность построения диаграмм состояния.
Фаза – это однородная часть системы, которая отделена от других частей системы (фаз) поверхностью раздела при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачком.
Однородная жидкость является однофазной системой, а механическая смесь двух кристаллов – двухфазной, так как каждый кристалл отличается от другого по составу или по строению и они отделены один от другого поверхностью раздела.
Компонентами называются вещества, образующие систему.
Построение диаграмм состояния осуществляют различными экспериментальными методами. Часто пользуются методом термического анализа. Отбирают несколько сплавов данной системы с различным соотношением масс входящих в них компонентов. Сплавы помещают в огнеупорные тигли и нагревают в печи. После расплавления сплавов тигли со сплавами медленно охлаждают и фиксируют скорость охлаждения. По полученным данным строят термические кривые в координатах время—температура. В результате измерений получают серию кривых охлаждения, на которых при температурах фазовых превращений наблюдаются точки 20б перегиба и температурные остановки. Температуры, соответствующие не фазовым превращениям, называются критическими точками. Точки, отвечающие началу кристаллизации, называют точками ликвидуса, а концу кристаллизации – точками солидуса. По полученным кривым охлаждения для различных сплавов изучаемой системы строят диаграмму состояния в координатах; по оси абсцисс – концентрация компонентов, по оси ординат – температура.
В процессе кристаллизации изменяются и концентрация фаз, и количество каждой фазы. В любой точке диаграммы, когда в сплаве одновременно существуют две фазы, можно определить количество обеих фаз и их концентрацию. Для этого служит правило рычага или правило отрезков.
Правило отрезков. Данная диаграмма охватывает сплавы, компоненты которых образуют смеси своих практически чистых зерен при ничтожной взаимной растворимости. На оси абсцисс отложена процентная доля компонента В в сплаве.
Фазовое строение сплавов на диаграмме зависит от температуры. При термодинамическом воздействии компонентов друг на друга снижается температура их перехода в жидкое состояние, достигая некоторого минимума при определенном для каждой пары компонентов составе. Состав сплава можно определить, спроецировав точку С на ось абсцисс (точка Вэ). Сплав двух компонентов, который плавится при минимальной температуре, называется эвтектическим или эвтектикой.
Эвтектика является равномерной смесью одновременно закристаллизовавшихся мелких зерен обоих компонентов. Температура, при которой одновременно плавятся или кристаллизуются оба компонента, называется эвтектической температурой.
Количественные изменения в сплавах данной системы компонентов при кристаллизации подчиняются правилу отрезков.
Чтобы определить концентрации компонентов в фазах, через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз.
Проведя через заданную точку горизонтальную линию можно определить количественное соотношение фаз. Отрезки данной линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.
Правило отрезков в двойных диаграммах состояния используются только в двухфазных областях. В однофазной области имеется лишь одна фаза; любая точка внутри области характеризует ее концентрацию.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Продолжение на ЛитРес
Читайте также
Разметка металлических заготовок
Разметка металлических заготовок После того как металл выправлен и тщательно очищен, производится разметка той поверхности, которую предстоит обработать. По сути, разметка – это уже слесарная операция, но поскольку в ходе ее заготовка не подвергается непосредственно
Опиливание и зачистка металлических деталей
Опиливание и зачистка металлических деталей Люди, мало сведущие в слесарных работах, зачастую путают эти две операции – опиливание и зачистку, а между тем у них есть существенная разница: опиливание связано с изменением размера деталей (напильником снимается слой
Шабрение металлических поверхностей
Шабрение металлических поверхностей Шабрение поверхностей металлических деталей применимо главным образом в слесарно-сборочных работах, когда требуется плотная подгонка плоскостей прилегающих друг к другу деталей (например, измерительных и направляющих
Притирка металлических поверхностей
Притирка металлических поверхностей Опиливания, зачистки и шабрения поверхностей зачастую бывает недостаточно, чтобы достигнуть достаточно плотного прилегания деталей друг к другу. Поэтому в процессе сборки механизмов слесари прибегают к притирке (доводке)
Реальные типы ШД
Реальные типы ШД Шаговый двигатель в рассмотренном примере имел угол поворота 90° на шаг. Статоры и роторы реальных шаговых двигателей представляют собой последовательности мини-полюсов. Мини-полюса уменьшают угол поворота на шаги улучшают разрешение шагового
12.3. Газы в сплавах платины
12.3. Газы в сплавах платины Газы не оказывают заметного действия на сплавы платины, однако, попадая в расплав, они удерживаются в нем и образуют поры и раковины – очаги разрушения.Платина и сплавы на ее основе адсорбируют на поверхности пары воды, кислород, водород, окись
§ 17. Архитектурные типы судов
§ 17. Архитектурные типы судов Основной архитектурный тип судна определяется формой основного корпуса и его оконечностей, числом надстроек и рубок и их расположением на судне, размещением машинно-котельных отделений, расположением палуб, рангоута, дымовых труб и т. п. и их
Типы систем
Типы систем Системы УОПД представлены в трех модификациях (табл. 5.1): две младшие модели УОПД 02-2 и УОПД 02-3 и одна более мощная система УОПД-0,8. Младшие модели предназначены для автомобилей с объемом подогреваемого двигателя 2 и 1,5 литра соответственно. Модель УОПД-08 может
Покрытие из металлических пластин
Покрытие из металлических пластин Фальцевал кровля – это конструкция, сооруженная из металлических пластин, листов или рулонов, которые скреплены особым образом с помощью фальцев. Фальцем называют вид шва, который образуется при соединении двух соседних листов
Типы мотоциклов по их назначению
Типы мотоциклов по их назначению Мотоцикл в зависимости от цели, для которой он предназначается, имеет свои конструктивные особенности.Современные мотоциклы по их назначению можно разделить на следующие группы: спортивные (гоночные), туристские, полевые, специальные (с
24. Правило рычага и центра тяжести треугольника
24. Правило рычага и центра тяжести треугольника Пользуясь диаграммой состояния, можно для любой температуры определить не только число фаз, но и их состав и количественное соотношение. Для этого следует применить правило отрезков (правило рычага).Это правило может быть
6.3 Типы планов ПО
6.3 Типы планов ПО Цель создания планов ПО состоит в том, чтобы определить средства для удовлетворения требованиям настоящего стандарта, в том числе определить организационные подразделения, которые будут выполнять эти работы. В процессе планирования должны быть
Понятие о сплавах. Фазы металлических сплавов.
Под сплавом понимают вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. Возможны другие способы приготовления сплавов: спекание, электролиз, возгонка. В этом случае вещества называются псевдосплавами. Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом. Сплавы обладают более разнообразным комплексом свойств, которые изменяются в зависимости от состава и метода обработки.
Характеристика основных фаз в сплавах
Чистые металлы обычно имеют низкую прочность и невысокие технологические свойства. В технике обычно применяются сплавы. Сплавами обычно называют сложные вещества, полученные сплавлением нескольких элементов.
Элементы или химические соединения, образующие сплав, называют компонентами. Компонентами металлических сплавов могут быть не только металлы, но и неметаллы. В зависимости от числа компонентов сплавы могут быть двойные, тройныеи т. д. В зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов в сплавах образуются фазы, число и тип которых характеризуют состояние сплава.
Фазой называют однородную часть сплава, характеризующуюся определенным составом, свойствами, типом кристаллической решетки и отделенную от других частей сплава поверхностью раздела. Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения фаз в сплаве. Фазовый состав и структура, определяющие свойства сплава, зависят от состава и технологии его обработки.
В сплавах возможно образование следующих фаз:
1) жидких растворов; 2) твердых чистых металлов; 3) твердых растворов; 4) химических соединений. В зависимости от количества фаз сплавы могут быть одно-, двух- и многофазными.
В жидком состоянии компоненты сплава обычно неограниченно растворяются друг в друге, образуя жидкие растворы. В твердом состоянии компоненты могут образовывать:
1) механические смеси, представляющие собой смесь двух или нескольких фаз; 2) химические соединения, когда компоненты вступают в химические взаимодействия; 3) твердые растворы, когда один компонент растворяется в другом, который называется растворителем.
Механические смеси
Химические соединения
К химическим соединениям металлов с неметаллами относят фазы с ионным типом связи и фазы внедрения.
Фазы с ионным типом связи образуются в тех случаях, когда атом металла отдает валентные электроны и становится положительным ионом, а атом неметалла (например, кислорода, серы) принимает их на свою внешнюю оболочку и становится отрицательным ионом. В такой кристаллической решетке элементы удерживаются электростатическими силами. Химические соединения этой группы имеют строго стехиометрический состав, их формулы определяются валентностью составляющих элементов. В структуре сплавов они находятся в виде неметаллических включений сульфидов, оксидов, фосфидов и т. д. Например, оксид марганца МnО, карбид железа Fe3C и др.
К P-соединениям с электронной концентрацией N1 = 3/2, обычно имеющим ОЦК решетку, относятся соединения CuZn, CuBe, Cu3Al и др. Например, для соединения CuZn N. = (1-1 + + 2 • 1)/(1 + 1) = 3/2.
К у-соединениям с электронной концентрацией 21/13 и сложной кубической решеткой относятся Cu5Zn8, Co5Zn21, Fe5Zn21. Для соединения Cu5Zng N2 = (1 • 5 + 2 • 8)/(5 + 8) = 21/13.
Электронные соединения характерны для сплавов на меднойоснове (латуней и бронз), где они являются упрочняющими фазами.
Фазы Лавеса имеют формулу АВ2. Они образуются между компонентами А и В при отношении их атомных диаметров от 1,1 до 1,6, обычно 1,2. К фазам Лавеса относятся соединения TiFe2, TiCr2, MoFe2, NbFe2, TiCo2, присутствующие в ряде жаропрочных сплавов и способствующие их упрочнению. Они имеют гексагональную плотноупакованную или гранецентрированную кубическую решетку.
Образование кристаллов о-фазы сопровождается увеличением твердости и резким охрупчиванием коррозионностойкихсталей.
Твердые растворы
Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (растворяемых) компонентов располагаются в его решетке, искажая ее.
Различают твердые растворы замещения и внедрения. Твердый раствор замещения образуется замещением части атомов растворителя в его кристаллической решетке атомами растворенного компонента (рис. 1, а).
Полностью упорядоченные растворы образуются, когда отношение компонентов в сплаве составляют целые числа: 1:1, 1:2, 1:3
Рис. 1. Кристаллическая решетка ГЦК твердого раствора замещения (а) и твердого раствора внедрения (б)
Рис. 2. Размещение атомов в кристаллической решетке твердых растворов:
и т. д. Такой сплав с упорядоченной структурой можно характеризовать формулой химического соединения, например CuAu или Cu3Au.
Упорядоченные твердые растворы характеризуются более высокой твердостью и хрупкостью и могут рассматриваться как промежуточные фазы между неупорядоченными твердыми растворами и химическими соединениями.
В связи с различием в размерах атомов, при замещении атомов одного компонента атомами другого компонента происходит искажение кристаллической решетки. Это искажение тем больше, чем больше разница в размерах атомов и строенииих кристаллических решеток. При чрезмерном искажении решетки дальнейшая растворимость становится невозможной. Наступает предельная растворимость, при которой дополнительно вводимые атомы не могут войти в решетку и образуют самостоятельную фазу. Если же оба компонента имеют однотипные кристаллические решетки, а атомные диаметры различаются не более чем на 8-15 %, то возможна неограниченная растворимость.
Неограниченно растворяются в твердом состоянии такие металлы с ГЦК решеткой, имеющие небольшую разницу в атомных размерах AR, как Ag и Au (AR = 0,2 %), Ni и Си (AR = 2,7 %) и др., а также металлы с ОЦК решеткой: Мо и W (AR = 9,9 %), V и Ті (AR = 2 %). Металлы с большим атомным диаметром (Na, Са, РЬ) в Fe, Си, Ni нерастворимы.
Предельная растворимость зависит также от различия в строении валентных оболочек электронов. Одновалентные металлы полностью растворяются только в одновалентных: Cu-Ag, Ag-Au, Cu-Ni.
Ограниченная растворимость компонентов наступает при достижении критической величины электронной концентрации в
твердом растворе N, где электронная концентрация — это количество валентных электронов на атом. Для ОЦК решетки N = 1,36, для ГЦК решетки N = 1,40. Если электронная концентрация превышает эти значения, то образуется новая фаза с другой кристаллической решеткой.
Образование твердых растворов внедрения, как правило, сопровождается увеличением параметров кристаллической решетки и ее искажением.
Твердый раствор внедрения характерен для сплавов металлов с элементами 1-го и 2-го периодов, имеющими малые атомные диаметры (С, В, N, Н, О). Концентрация второго компонента в твердом растворе внедрения обычно невысока и всегда ниже, чем в твердых растворах замещения и химических соединениях этих элементов. В отличие от химических соединений твердые растворы внедрения имеют кристаллическую решетку металла-растворителя, в то время как химические соединения образуют решетку, отличающуюся от решетки металла.
Понятие сплав. Компоненты сплава. Фазы и структурные составляющие
Сплав – вещество, полученное сплавлением нескольких элементов. Другими словами, сплав – это твердое вещество, обладающее всеми признаками металлов и состоящее из 2-х и более химических элементов. Состоят из основы (одного или нескольких металлов), малых добавок специально вводимых в сплавлегирующих и модифицирующих элементов, а также из неудалённых примесей (природных, технологических и случайных).
Компонент – элемент или химическое соединение, входящее в состав сплава (элементы или химические соединения, образующие сплав). Компонент, преобладающий в сплаве количественно, называется основным. Компоненты, вводимые в сплав для придания ему нужных свойств, называются легирующими.
Фазовая составляющая (фаза) – однородная часть сплава, характеризующаяся определенным составом, свойствами, типом кристаллической решетки и отделенная от других частей сплава поверхностью раздела (при переходе через которую химический состав, структура, а, следовательно, свойства меняются скачкообразно).
Сплавы могут быть и однофазными и многофазными. Однофазные сплавы всегда состоят из кристаллов твердого раствора одного вида (состава).
В многофазных сплавах может одновременно присутствовать несколько структурных составляющих: 1) кристаллы твердого раствора (одного или нескольких составов), 2) кристаллы химических соединений, 3) кристаллы компонент сплава, 4) эвтектики и 5) эвтектоиды.
Основными структурами, составляющими железоуглеродистые сплавы, являются следующие.
Феррит – твердый раствор углерода в α-Fe. При температуре 723° С предельное содержание углерода 0,02 %. При отсутствии примесей не корродирует.
Цементит – карбид железа Fe3C – химическое соединение, содержащее 6,67 % углерода. Является составной частью эвтектической смеси, а также самостоятельной структурной составляющей. Способен образовывать твердые растворы путем замещения атомами других металлов, неустойчив, распадается при термической обработке. Цементит очень тверд (НВ 800) и хрупок.
Аустенит – твердый раствор углерода в γ–Fe. Атомы углерода внедряются в кристаллическую решетку, причем насыщение может быть различным в зависимости от температуры и примесей. Устойчив только при высокой температуре, а с примесями Mn, Сг – при обычных, даже низких температурах. Твердость аустенита НВ 170. 220.
Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита, образуется при распаде аустенита при температуре 723° С и содержании углерода 0,83 %. Примеси Si и Мn способствуют образованию перлита и при меньшем содержании углерода. Твердость перлита НВ 160. 260. Структура перлита может быть пластинчатой и глобулярной (зернистой).
Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при 1130° С и содержании углерода 4,3 % Структура неустойчивая: при охлаждении аустенит, входящий в состав ледебурита, распадается на вторичный цементит и перлит. Ледебурит очень тверд (НВ 700) и хрупок.
Графит – мягкая и хрупкая составляющая чугуна, состоящая из разновидностей углерода. Встречается в серых и ковких чугунах.
1. В жидком состоянии компоненты сплава обычно неограниченно растворяются друг в друге, образуя жидкие растворы.