РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:
Діаграма стану двокомпонентних сплавів
Зміст
1. Основні типи сплавів
2. Діаграми стану двохкомпонентних сплавів
Використана література
1. Основні типи сплавів
сплав механічна суміш
Сплавом називають речовину одержану сплавленням двох або більше елементів. Сплав, складовою частиною якого являється метал і він має металеві властивості називається металевим сплавом. Потрібно відмітити, що для виробництва конструкцій в основному використовуються сплави, а не чисті метали. Сплав по своїм властивостям може суттєво відрізнятися від властивостей елементів, з яких він складається. Крім того, змінюючи вміст елементів сплаву можна направлено змінювати його властивості відповідно до вимог експлуатації конструкції. Тому розуміння будови сплавів, умов їх утворення та складу відіграє важливу роль в раціональному використанні їх при створенні зварних конструкцій.
Властивості сплавів визначаються насамперед фазовим складом та структурою, які залежать від компонентів, що входять до складу сплаву. Компонентами називаються елементи, які входять до складу сплаву. Відповідно, сплави можуть бути двохкомпонентними, трьохкомпонентними і т.д. В рідкому стані сплави, як правило, однорідні і є однією фазою. При затвердінні в сплаві може утворитися декілька фаз. Фазою називають однорідну частину сплаву, відокремлену від інших частин поверхнею розподілу, при переході через яку властивості чи структура сплаву змінюються стрибкоподібно. Наприклад, якщо рідкий сплав і кристалики твердої речовини, то система буде двохфазною. Якщо сплав затвердів, але складається з елементів, що зберігають в сплаві свої кристалічні гратки, то завжди буде границя розподілу між цими гратками і сплав буде двохфазний. Число ступенів свободи - це число зовнішніх і внутрішніх факторів системи (температура, тиск, концентрація), які можуть змінюватись без зміни числа фаз. Математичний вираз умов рівноваги системи представлений правилом фаз (закон Гіббса).
С = К-Ф+2,
де С – число ступенів свободи, К – кількість компонентів сплаву, Ф – кількість фаз в сплаві. Якщо прийняти до уваги, що тиск не змінюється, то рівняння буде мати вигляд
С = К – Ф + 1.
Якщо С = 0 (нонваріантна система), то ні температура, ні концентрація не можуть змінитись без зміни числа фаз. Якщо С = 1, то температура може змінюватись без зміни числа фаз. При С = 2 може змінюватись температура і концентрація сплаву, не змінюючи числа фаз.
В залежності від компонентів, що утворюють систему розрізняють, в основному, три види сплавів:
Механічна суміш – сплав, в якому компоненти не здатні до взаємного розчинення і не вступають в хімічну реакцію. У цих умовах сплав буде складатися з кристалів компонента А і В, які чітко виявляються на мікроструктурі (якщо вони досить великого розміру). Рентгенограма сплаву показує наявність двох кристалічних граток компонентів А і В.
Хімічна сполука. При утворенні хімічної сполуки:
а) співвідношення чисел атомів елементів відповідає стехіометрич-ній пропорції, що може бути виражено простою формулою (у загальному виді хімічна сполука двох елементів можна позначити АxВy;
б) утворюється специфічна (відмінна від елементів, що складають хімічну сполуку) кристалічна гратка з упорядкованим розташуванням в ній атомів компонентів;
в) властивості сплаву, як правило, суттєво відрізняються від властивостей компонентів А і В.
Твердий розчин. В кристалічній ґратці одного компонента окремі атоми замінені атомами іншого компонента. Хімічний або спектральний аналіз показує в твердих розчинах .наявність двох елементів або більше, тоді як за даними металографічного аналізу такий сплав, як і чистий метал, має однорідні зерна. Рентгенівський аналіз виявляє у твердому розчині, як і в чистому металі, тільки один тип гратки. Отже, на відміну від механічної суміші, твердий розчин є однофазним і складається з одного виду кристалів, має одну кристалічну гратку. На відміну від хімічної сполуки твердий розчин існує не при визначеному співвідношенні компонентів, а в інтервалі концентрацій.
2. Діаграми стану двохкомпонентних сплавів
Фазовий склад і структуру сплаву в залежності від температури і концентрації в зручній графічній формі показують діаграми стану.
Діаграми стану подвійних систем будують у координатах температура-хімічний склад сплаву. Вид діаграми визначається особливостями компонентів, які формують даний сплав і характером їх взаємодії. Діаграми надають інформацію про температури початку і закінчення перетворень сплавів, що, в свою чергу, дозволяє підібрати режим термічної обробки і визначити кінцеву структуру сплаву після охолодження.
Побудова діаграм стану основана на фіксації характерних точок сплаву, що мають місце при його охолодженні (рис. 1). Для чого в сплав (1), що охолоджується поміщається термопара (2) і спеціальним приладом (3) проводиться запис температури в процесі охолодження сплаву. Аналогічний процес проводиться для декількох складів сплаву. При зміні фазового складу сплаву на кривій зниження температури, в залежності від числа ступенів свободи, буде спостерігатися перегин (рис. 4.1.б), або горизонтальна лінія. Відповідні температури, при яких проходять такі зміни наносяться на вертикальну лінію, яка на діаграмі стану показує склад нашого сплаву. Провівши подібні виміри для декількох сплавів різного складу (рис. 4.1.в) та з’єднавши відповідні точки, отримаємо діаграму стану для подвійних сплавів компонентів А і В.
Рис.1. Схема процесу побудови діаграм стану.
Однією з найпростіших є діаграма стану систем з необмеженою розчинністю компонентів у рідкому і твердому стані (рис.4.2).
Рис.2. Діаграма стану сплаву необмежений твердий розчин.
Верхню криву називають кривою ліквідус. Вище її всі сплави знаходяться в рідкому стані, область існування сплаву в рідкому стані позначають L.
Крива ліквідус показує, як змінюється температура початку кристалізації сплавів в залежності від їх хімічного складу. Нижню криву називають кривою солідус, або кривою кінця кристалізації. Нижче неї всі сплави знаходяться у твердому стані і мають однофазну структуру твердого розчину. В інтервалі температур між кривими ліквідус і солідус, який називається інтервалом кристалізації, усі сплави складаються з двох фаз: рідини і кристалів твердого тіла. Тверді розчини прийнято позначати маленькими грецькими буквами (a, b, g, d). При цьому твердий розчин, що має кристалічну гратку компонента А позначають a, компонента В -b. Таким чином, на діаграмі стану даного типу є три різних фазових області. Для побудови кривої охолодження конкретного сплаву І-І проектують точки перетину вертикальної лінії, що характеризує склад сплаву з лініями діаграми на графік залежності температура - час (t - t) і, користуючись правилом фаз, визначають стан температури в процесі охолодження сплаву. Перша область – рідина (L), С=К–Ф+1, кількість компонентів К=2, кількість фаз Ф=1, С=2–1+1=2, оскільки система не нонваріантна, температура буде знижуватись. Друга область – твердо-рідкий стан (L+a). С=2-2+1. Так як С0, то температура також буде знижуватись, при цьому зміниться кут нахилу в зв’язку з зміною теплопровідності рідини та твердо-рідкого стану. Третя область – тверда речовина (a?), С=2–1+1=2, відбувається зниження температури. Відповідно перша область – чиста рідина, друга область – в рідині появляються тверді кристали твердого розчину a, третя область – однофазний твердий розчин a.
При аналізі діаграми стану може виникнути питання про фазовий склад будь-якого сплаву при визначеній температурі, про відносну кількість кожної з фаз, про концентрації в цих фазах компонентів. Відповідь на ці питання, можна одержати за допомогою правила відрізків. Наприклад, для сплаву І-І при температурі, що характеризує т.д. потрібно одержати відповіді на зазначені питання. Через т.д. проводимо відрізок горизонтальної прямої (коноду) до перетину з лініями діаграми, що обмежують дану область, проекції точок перетину на вісь концентрацій дадуть склад фаз. При цьому склад рідкої фази визначається, проекцією т.с. на вісь концентрацій, а склад a-твердого розчину - проекцією т.К. Відносна кількість кожної з фаз визначається співвідношенням довжини відповідних відрізків коноди:
Правило відрізків можна використовувати лише в двохфазних областях діаграми
Розглянемо діаграму стану сплаву механічна суміш (рис 3). Лінія асв – лінія ліквідус, а лінія акслв – лінія солідус. Діаграми стану подібного типу при певній концентрації компонентів мають найнижчу температуру плавлення (т.с), яка називається евтектичною температурою. При цій температурі проходить евтектичне перетворення, суть якого в одночасному виділенні з рідини двох або більше типів кристалів, які мають свої типи кристалічної гратки. Кристалики дуже малих розмірів, в оптичних мікроскопах часто не розрізняються і спостерігаються як єдине зерно евтектики.
Рис 3. Діаграма стану сплаву механічна суміш.
При цьому рентгеноструктурний аналіз показує наявність двох або більше типів кристалічних граток. Для зображення евтектичної механічної суміші компоненти беруть в дужки (А+В). Тоді евтектичне перетворення буде мати вигляд L=(А+В). В сплавах механічна суміш нижче лінії ліквідус з рідини виділяються кристали чистих компонентів А або В. При цьому лівіше т.с буде рідина і кристали компоненту А, а правіше – рідина і компонент В. При зниженні температури до температури евтектичного перетворення (лінія ксл) почне виділятися евтектична механічна суміш компонентів. Структура сплавів при кімнатній температурі буде складатись з кристалів чистих компонентів і евтектики. Для чисто евтектичного сплаву ІІ-ІІ структура буде складатися тільки з зерен евтектики. Розрахунок числа ступенів свободи при побудові
Розглянемо діаграму стану сплаву обмежений твердий розчин. Такі діаграми бувають з евтектичним перетворенням, яке відбувається так, як в сплавах механічна суміш і перитектичним перетворенням. Розглянемо сплав з евтектичним перетворенням. (Рис. 4.4).
Рис. 4. Діаграма стану сплаву обмежений твердий розчин з евтектичним перетворенням.
Лінія ліквідус – крива асв, лінія солідус – крива акслв. Процеси, що відбуваються при охолодженні аналогічні процесам, які мають місце при охолодженні сплаву механічна суміш, за виключенням того, що з рідини будуть виділятися не кристали чистих компонентів, а твердих розчинів на основі цих компонентів, тобто a і b. Розглянемо більш детально сплав І-І. В області 1-2 появляться кристали твердого розчину на основі кристалічної гратки компоненту А, які позначаються a. В області 2-3 вся рідина закристалізувалась і утворився однофазний твердий розчин a. Крива км показує максимальну розчинність компоненту В в компоненті А, яка зменшується при знижені температури. Нижче т.3 надлишок компоненту В буде виділятися в вигляді кристалів твердого розчину компоненту А в компоненті В, тобто b. Таким чином, нижче т. 3 буде знаходитись область існування кристалів a і b. Для всіх сплавів розташованих лівіше т.м кінцева структура буде складатися з одних кристалів a-твердого розчину. Аналогічно для сплавів, що знаходяться між т.л та н надлишок компоненту А буде виділятися з b- твердого розчину в вигляді кристалів a, а для сплавів, що знаходяться правіше т.н будемо мати однофазну структуру b- твердого розчину. Для сплавів, що знаходяться між т.к та л відбувається евтектичне перетворення з утворенням з рідини одночасно механічної евтектичної суміші кристалів твердих розчинів: L=(a+b) і кінцева структура буде складатись з кристалів евтектики та b або a- твердих розчинів.
Діаграма стану обмеженого твердого розчину з перитектичним перетворенням зображена на рис 5. На цій діаграмі лінія адл – лінія ліквідус, а крива авсл – лінія солідус. При досягненні температури перитектичного перетворювання – лінія всд рідина складу т.д взаємодіє з утвореними кристалами a- твердого розчину складу т.в з утворенням кристалів b- твердого розчину (L+a=b). Таким чином, для сплавів, що знаходяться між т.к і м в результаті перитектичного перетворення, або зменшення розчинності одного компонента в іншому (криві кв та мс) кінцева структура сплаву буде складатися з механічної суміші кристалів твердих розчинів a і b. Процес перитектичного перетворення характеризується одночасним існуванням трьох фаз, що на кривих охолодження відобразиться горизонтальною ділянкою (2-2?).
Діаграми стану сплаву хімічна сполука розділяються хімічною сполукою на декілька простих діаграм, в яких хімічна сполука виступає як другий компонент.
Рис 5. Діаграма стану сплаву обмежений твердий розчин з перитектикою.
В залежності від кількості хімічних сполук, що можуть утворюватись діаграма може розділятися на декілька діаграм твердих розчинів або механічних сумішей в залежності від процесу взаємодії хімічних сполук з компонентами А і В. Розглянемо структури, що утворюються на прикладі діаграми стану, зображеної на рис 4.6.
Компонент А утворює з хімічною сполукою АxВy механічну суміш, а компонент В - обмежений твердий розчин. Діаграма стану сплаву механічна суміш дає структури аналогічні рис.4.3 з урахуванням, що одним компонентом сплаву є компонент А, а другим – хімічна сполука АхВу. В другій частині діаграми - обмеженому твердому розчині будуть виділятись структури в вигляді не чистих компонентів, а твердих розчинів. Враховуючи, що тверді розчини позначають маленькими грецькими буквами, позначимо як g-твердий розчин на базі кристалічної гратки хімічної сполуки АхВу і, як звичайно, b - твердий розчин на основі кристалічної гратки компоненту В.
Рис. 6. Діаграма стану сплаву хімічна сполука.
Структури, що утворяться, будуть аналогічні структурам обмеженого твердого розчину з евтектикою (рис 4.4).
Ми розглядали перетворення, що відбувалися при охолоджені сплавів, які утворювали компоненти, що мають один тип кристалічної гратки в усьому температурному діапазоні існування сплавів. Проте досить багато металів мають декілька типів кристалічних граток в залежності від температури та тиску (явище поліморфізму або алотропізму.) При охолодженні таких сплавів, компоненти яких мають поліморфні форми в твердому стані проходять процеси аналогічні процесам кристалізації, тобто утворюються зародки нових кристалів з іншою кристалічною граткою, які ростуть, збільшуючись в розмірах поки не відбудеться повна перебудова типу кристалічної гратки. В залежності від типу сплавів, які можуть утворюватись різними поліморфними формами, діаграма стану зображується якби двома діаграмами накладеними одна на одну. Верхня частина зображує процеси первинної кристалізації, тобто утворення з рідини певного типу кристалів, а друга – процеси вторинної кристалізації, тобто перебудову в твердому стані кристалічних граток. Розглянемо деякі варіанти діаграм стану з поліморфними перетворюваннями.
Діаграма стану системи, коли компонент А має дві поліморфні форми Аa і Аb, причому низькотемпературна форма Аa ізоморфна компоненту В і утворює необмежений твердий розчин a, а високотемпературна модифікація Аb, утворює обмежений твердий розчин з перитектикою (рис. 7.а). Лінія ліквідусу даної діаграми абк, лінія солідус – алск.
Рис. 7. Діаграми стану сплавів з поліморфними перетвореннями.
В області алб з рідини починається виділення кристалів твердого розчину компоненту В в високотемпературній модифікації Аb (b), область адл – область існування b- твердого розчину. Нижче лінії дл починається перебудова кристалічної гратки в низькотемпературну модифікацію Аa і область длс буде складатись з двох типів кристалів твердих розчинів a і b. Нижче лінії дск буде однорідний a- твердий розчин.
Якщо ж кристали компоненту В будуть ізоморфні високотемпературній модифікації Аb, то діаграма буде мати вигляд зображений на рис. 7.б Після повного затвердівання рідини нижче лінії солідус агв отримаємо b - твердий розчин, при зниженні температури якого нижче лінії дз почнеться перебудова кристалічної гратки і появляться кристали a - твердого розчину. Лівіше кривої дк закінчиться перебудова кристалічної гратки в низькотемпературну модифікацію і буде область однорідного a - твердого розчину.
Якщо компоненти А і В мають по дві модифікації, причому Аa і Вa так як і Аb та Вb ізоморфні і утворюють необмежені тверді розчини, то діаграма має вигляд зображений на рис. 7.в.
Розглянемо систему, коли високотемпературні модифікації Аb,, Вb ізоморфні і утворюють необмежений b - твердий розчин, а низькотемпе-ратурні модифікації Аa і Вa утворюють обмежені g та d тверді розчини. (рис. 4.7.г). Крива ліквідус – абс, солідус – адс. Після повної кристалізації рідини отримуємо однорідний b - твердий розчин, з якого при знижені температури нижче лінії зкп почнуть виділятися кристали твердих розчинів g або d. Всі інші структури, що утворяться аналогічні структурам обмеженого твердого розчину з евтектикою, які приведені на рис. 4.
Властивості сплавів, як і тип діаграми визначаються структурами, що утворюються в процесі охолодження. Тому, очевидно, що повинен існува-ти зв’язок між типом діаграми та властивостями сплавів. Узагальнивши багаточисленні дослідження сплавів М.С. Курнаков сформулював правила, що встановлюють зв’язок між типом діаграми та властивостями, зображені на рис 8. Вверху зображені типи діаграм, а внизу залежності властивостей від концентрації компонентів.
Рис. 8. Зв’язок між типом діаграми та властивостями сплавів.
В системах, де немає розчинності компонентів в твердому стані (механічні суміші), властивості сплавів змінюються приблизно по лінійному закону. Якщо відомі властивості чистих компонентів, то легко визначити і властивості сплавів різної концентрації компонентів. В системах з необмеженою розчинністю в твердому стані властивості змінюються по криволінійному закону, причому можуть сильно відрізнятися від властивостей чистих компонентів. Для сплавів з обмеженою розчинністю в твердому стані властивості сплавів, що мають однофазну структуру змінюються по криволінійному закону, а в двохфазній області по прямолінійному закону. Для сплавів з хімічною сполукою склад хімічної сполуки відповідає максимуму або мінімуму на графіку властивостей (сингулярна точка), а властивості інших сплавів змінюються в залежності від типу структур, які утворюють компоненти сплаву з хімічною сполукою
Використана література
1. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений / Б. Н. Арзамасов, И. И. Сидорин, Г. Ф. Косолапов и др. / Под общ. ред. Б. Н. Арзамасова.—2-е изд., испр. и доп.— М.: Машиностроение, 1986.—384 с.
2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для машиностроительных вузов - 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1980. – 493 с
3. Технология конструкционных материалов. /А.М.Дальский й др. Учебник для ВУЗов. - М.: Машиностроение, 1987 - 664 с.
4. Маталин А.А. Технология машиностроения. Учебник для ВУЗов. Машиностроение, 1985 - 496с.
5. Хубка В. Теория технических систем.: Пер.с нем. - М.:Мир, 1987 - 208 с.
6. Мосталыгин Г.П., Толмачевский Н.Н. Технология машиностроения. Учебникдля ВУЗов по инженерно-экономическим специальностям. Машиностроение, 1990 - 288с.