Лекция №5

5. ОСНОВЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ

5.1.Основные фазы в сплавах

5.2. Правило фаз

5.3. Порядок построения и разбора диаграмм состояния

5. ОСНОВЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ

5.1.Основные фазы в сплавах

Вещество, полученное сплавлением двух или более исходных веществ называется сплавом.

В сплавах в зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы , твердые растворы, химические соединения, механические смеси из сплавляемых компонентов. Вещества, из которых образован сплав, называются компонентами сплава.

Фазой называется однородная часть системы, отделенная от другой части системы (фазы) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура изменяются скачком.

Твердыми растворами называются фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других компонентов располагаются в решетке первого (растворителя), изменяя ее размеры (периоды).

Различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения.

При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке.

При образовании твердого раствора внедрения атомы растворенного компонента располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решетки растворителя.

Это возможно, если внедряемые атомы имеют малые размеры H,C,N,B .

Твердые растворы замещения могут быть с ограниченной или неограниченной растворимостью.

При неограниченной растворимости кристаллическая решетка компонента растворителя по мере увеличения концентрации растворенного компонента плавно переходит в кристаллическую решетку растворенного компонента (Аg - Au) , (Ni - Cu) , (Mo-W), (V - Ti).

Для образования неограниченных твердых растворов необходимо:

- однотипность кристаллических решеток сплавляемых компонентов;

- близость атомных радиусов компонентов ;

- близость физико-химических свойств компонентов.

В твердых растворах с ограниченной растворимостью растворение вещества возможно лишь до определенного предела. При дальнейшем повышении концентрации твердый раствор распадается и образуются двухфазные смеси.

Твердые растворы обозначаются малыми буквами греческого алфавита: a, b, g, (и др.

Химические соединения. Характерными особенностями химических соединений являются:

- наличие нового типа кристаллической решетки, отличного от типа решеток сплавляемых компонентов ;

- постоянство состава, которое может быть выражено формулой химического соединения АmBn ;

- постоянство температуры кристаллизации.

Однако, большое число 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, это: (иногда их называют промежуточными фазами)



Фазы внедрения - соединение переходных металлов с углеродом (карбиды), азотом (нитриты), водородом (гидриды), бором (бориды).

Фазы внедрения имеют формулу MeX, Me2X, MeX2, Me4X.

Фазы внедрения являются фазами переменного состава, а соответствующие им химические формулы обычно характеризуют максимальное содержание в них неметалла.

Фазы внедрения имеют большое практическое значение, обеспечивая значительное упрочнение металлических сплавов.

Электронные соединения. Эти соединения чаще образуются между одновалентными (Cu, Ag,Au, Li, Na) металлами или металлами переходных групп (Mn,Fe,Co и др.) с одной стороны и простыми металлами с валентностью от 2 до 5 (Be, Mg, Zn, Cd, Al и др.) с другой стороны.

Электронные соединения, подобно обычным химическим соединениям , имеют кристаллическую решетку, отличную от решетки образующих элементов.

Но в отличие от химических соединений с нормальной валентностью электронные соединения образуют с компонентами, из которых они состоят, твердые растворы в широком интервале концентраций.

Фазы Лавеса. Эти фазы имеют формулу АВ2 и образуются между компонентами А и В при отношении атомных диаметров DA/DB = 1,2. Фазы Лавеса имеют решетку Г.Ц.К. (МgCu2) или Г.П.У. (МgZn2, МgNi2,).

Механические смеси - образуют металлы, отличающиеся атомными объемами и температурой плавления. Металлы, образующие такие сплавы, сохраняют свою кристаллическую решетку, в результате образуется механическая смесь из кристаллов исходных компонентов (сплавы Pb- Sb, Zn - Sn, Pb - Bi и др.)

Твердые растворы могут существовать, имея переменный состав, в то время как химические соединения и чистые компоненты существуют только при постоянном составе.

5.2. Правило фаз

Изучение любого сплава, прежде всего, начинается с построения и анализа диаграммы состояния.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение фазового состояния сплавов данной системы в функции температуры и концентрации.



Левая ордината на оси концентраций соответствует 100 % содержанию компонентов А, правая - 100 % В.(Рис.11)

В интервале концентраций между чистыми элементами находятся промежуточные фазы сплава АВ.

Диаграммы фазового равновесия характеризуют окончательное или предельное состояние сплавов, т.е. после того, как все превращения в них произошли и полностью закончились.

Это состояние сплава зависит от внешних условий (температуры, давления) и характеризуется числом и концентрацией образовавшихся фаз.

Закономерность изменения числа фаз в гетерогенной системе определяется правилом фаз.

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов, числом фаз

С=К+2- Ф С = К + Р - Ф ,

где С - число степеней свободы системы (под числом степеней свободы понимают возможность изменения температуры, давления и концентрации без изменения числа фаз, находящихся в равновесии);.К - число компонентов, образующих систему Р - число внешних факторов (равно 2, давление и температура);Ф - число фаз, находящихся в равновесии.

Так как давление мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях, можно принять, что Р = 1, тогда

С = К + 1 - Ф

Поскольку число степеней свободы не может быть меньше 0, то Ф (К + 1,

отсюда следует, что:

- число фаз в сплаве, находящемся в равновесном состоянии , не может быть больше, чем число компонентов плюс единица. (т.е. в двойной системе равновесии может находиться не более трех фаз, в тройной - четырех и т.д.)

Если в равновесии в системе находится максимальное число фаз, то число степеней свободы равно нулю (С = 0). В этом случае сплав может существовать только в совершенно определенных условиях: при постоянной температуре и определенном составе всех находящихся в равновесии фаз. Такое состояние называют нонвариантным.

Условием равновесия в двухкомпонентных системах является минимум свободной энергии.

Самопроизвольно в системе протекают лишь те физические процессы, при которых свободная энергия уменьшается.

G = H - TS < 0 ,

где Н - свободная энергия системы (при 0К равна энергии связи между атомами).

S - энтропия (равна энергии колебаний элементарных частиц в узлах решетки и энергии поступательного движения валентных электронов при тепловом возбуждении).

Обычно диаграммы состояния строят экспериментально. Для этой цели экспериментально получают кривые охлаждения отдельных сплавов и по их перегибам, связанным с тепловыми эффектами превращений, определяют температуры соответствующих превращений. Эти температуры называют критическими точками.

Полученное значение критических точек изучаемых сплавов откладывают на вертикальных линиях, соответствующих химическому составу этих сплавов. Затем соединяют критические точки и получают линии диаграммы состояний.

Правило отрезков устанавливает количественное соотношение фаз в период кристаллизации. Так при температуре t количество жидкой и твердой фазы в сплаве определится соотношением:

5.3. Порядок построения и разбора диаграмм состояния

1. Диаграмму аккуратно изобразить на чистом листе бумаги сверху слева, чтобы справа было место для изображения кривых охлаждения сплава. Важно, чтобы все диаграммы располагались на одном листе бумаги.

Изучить линию ликвидус диаграммы на наличие на ней максимума. Если ликвидус имеет максимум, то это указывает, что компоненты образуют химическое соединение, состав которого соответствует проекции максимума на ось абсцисс.

- при наличие максимума спроектировать его на ось абсцисс и отметить полученную точку символом химического соединения. Химическое соединение следует рассматривать как самостоятельный компонент. В этом случае исходная диаграмма может рассматриваться как состоящая из двух диаграмм н-р: компонент А + АnBm и AnBm + B.

2. Исследовать оси ординат, по которым выявляются критические температуры фазовых превращений компонентов системы.

- если на оси имеется только одна тройная точка (точка пересечения линий ликвидус и солидус с ординатой), то данный компонент не имеет фазовых превращений в твердом состоянии.

- если кроме этой точки имеются при более низких температурах точки пересечения наклонных линий диаграммы с ординатой, то эти точки характеризуют температуры полиморфных превращений компонента в твердом состоянии. Отметить на диаграмме заданные типовые сплавы - проведением соответствующих вертикалей. Отметить цифрами 1,2...5 критические температуры для изучаемого сплава. Таковыми являются точки пересечения ординаты с линиями диаграммы.

3. Разбор процессов, которые претерпевает сплав при охлаждении, начинать из области жидкого состояния (1 - точка пересечения вертикальной прямой с линией ликвидус...) По мере понижения температуры против каждого участка кривой охлаждения изображать схематично фазы, которые в данном интервале существуют.

4. При обозначении фаз чистые компоненты обозначаются символами (А, В), химическое соединение AmBn, твердые растворы - малыми буквами греческого алфавита (a, b, g).

При этом иметь в виду следующее:

Если фаза - при разных температурах имеет переменный состав, то по своей природе - это твердый раствор.

Если состав постоянный, то фаза либо химическое соединение, либо чистый компонент.

5. Если вертикальная линия (заданного сплава) пересечет горизонтальные линии диаграммы, то это значит, что при соответствующим этим горизонтальным линиям температурах сосуществует три фазы и может происходить:

перитектическое, эвтектическое или эвтектоидное превращение, число степеней свободы при которых равно нулю.

Внешним признаком эвтектического и эвтектоидного превращений является сход наклонных линий на диаграмме состояния в тройную точку сверху. При перитектическом превращении эти линии сходятся в точку снизу.

- Если окажется, что ниже температуры превращения не обнаруживается одной фазы, которая существовала выше температуры превращений, то имеет место эвтектическое или эвтектоидное превращение.

- Если в процессе превращения обе бывшие фазы заменились новой, то имеет место перитектическое превращение


6629067418447447.html
6629102853611094.html
    PR.RU™