11348

Основы теории сплавов. Типы сплавов (твердые растворы, сплавы-смеси, сплавы- химические соединения. Диаграммы состояния сплавов, принцип их построения

Лекция

Производство и промышленные технологии

Лекция 2 Основы теории сплавов. Типы сплавов твердые растворы сплавысмеси сплавы химические соединения. Диаграммы состояния сплавов принцип их построения. Сплавы важные вещества получаемые сплавлением или спеканием двух или нескольких элементов периодическ...

Русский

2013-04-07

158.57 KB

255 чел.

Лекция 2

Основы теории сплавов. Типы сплавов (твердые растворы, сплавы-смеси, сплавы- химические соединения. Диаграммы состояния сплавов, принцип  их построения.

Сплавы – важные вещества, получаемые сплавлением или спеканием двух или нескольких элементов периодической системы, называемых компонентами. Сплав считается металлическим, если его основу (свыше 50 % по массе) составляют металлические компоненты. Металлические сплавы обладают более высокими прочностными и др. механическими свойствами по сравнению с чистыми металлами.

Рис. 1. Микроструктура смеси (схема)

В зависимости от природы сплавляемых компонентов сплавы, взаимодействуя друг с другом, могут образовать различные по строению и свойствам продукты. Характер взаимодействия компонентов при сплавлении зависит от их положения в табл. Д.И. Менделеева, особенностей строения электронных оболочек их атомов, типов и параметров их кристаллических решеток, соотношения температур их плавления, атомных диаметров и др. факторов.

Компоненты при сплавлении могут образовывать смеси зерен с пренебрежимо ничтожной взаимной растворимостью, а также неограниченно или частично растворяться друг в друге и образовывать химические соединения.

1 – смеси – компоненты, не способные к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступающие в химическую реакцию с образованием соединения (рис. 1).

Смеси состоят из чистых зерен обоих компонентов, сохраняющих присущие им типы кристаллических решеток и прочностные свойства. Механические свойства таких сплавов зависят от количественного соотношения компонентов, от размеров и формы зерен и соединения их границ.

2 – химическое соединение представляет собой зерна со специфической кристаллической решеткой, отличной от решеток обоих компонентов. При образовании химического соединения соотношение чисел атомов элементов соответствует стехиометрической пропорции, что выражается формулой АпВт. - связь между атомами в них сильнее и жестче металлической. Поэтому они являются очень твердыми и хрупкими веществами.

Химическое соединение характеризуется определенной температурой плавления, скачкообразным изменением свойств при изменении состава. Если химическое соединение образуется только металлическими элементами, то в узлах решеток располагаются положительно заряженные ионы, удерживаемые электронным газом – возникает металлическая связь.

При образовании химического соединения металла с неметаллом возникает ионная связь. В результате взаимодействия элементов в этом случае атом металла отдает электроны (валентные) и становится положительным ионом, а атом металлоида принимает электроны на свою внешнюю оболочку и становиться отрицательным ионом. В решетке химического соединения такого типа элементы удерживаются электростатическим притяжением.

Если образующиеся в сплавах химические соединения оказываются стойкими веществами, не диссоциирующими при нагреве вплоть до температуры плавления, то их принято рассматривать в качестве самостоятельных компонентов, способных образовывать сплавы с компонентами сплава.

3 – твердый раствор образуется при растворении компонентов друг в друге, является однофазным, состоит из одного вида кристаллов, имеет одну кристаллическую решетку.

При образовании твердого раствора сохраняется решетка одного из компонентов, этот элемент называется растворителем. Атомы растворенного вещества искажают и изменяют средние размеры элементарной ячейки растворителя.

Если атомы растворимого компонента В замещают в узлах решетки атомы компонента-растворителя А, то образующийся раствор называется твердым раствором замещения. Твердые растворы замещения могут быть ограниченные и неограниченные. Неограниченные твердые растворы образуются, если компоненты имеют одинаковую кристаллическую решетку и одинаковый атомный радиус. Ограниченные твердые растворы образуются, если компоненты имеют одинаковую кристаллическую решетку, а атомные радиусы разнятся.

При образовании твердых растворов внедрения атомы растворенного вещества С располагаются между атомами А в кристаллической решетке растворителя. Следовательно, диаметр атома С должен быть невелик, а внутри решетки металла А должно быть достаточное пространство для атома С (рис. 2). Свойства сплавов определяются составом фаз и их количественным соотношением.

Рис. 2. Кристаллическая решетка ОЦК: а – неограниченный твердый раствор замещения; б - ограниченный твердый раствор замещения; в – твердый раствор внедрения

Правило фаз, построение диаграмм состояния 

Процесс кристаллизации металлических сплавов и связанные с ними многие закономерности строения сплавов описывают с помощью диаграмм фазового равновесия. Эти диаграммы в удобной графической форме показывают фазовый состав и структуру в зависимости от температуры и концентрации. Диаграммы построены для условий равновесия; равновесное состояние соответствует минимальному значению свободной энергии.

Рассмотрение диаграмм состояния позволяет определить фазовые превращения в условиях очень медленного охлаждения или нагрева. Закономерность изменения числа фаз в гетерогенной системе определяется правилом фаз.

Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачком.

При изучении физико-химических равновесий за внешние факторы, влияющие на состояние сплава, принимают температуру и давление. Применяя правило фаз к металлам, можно во многих случаях принять изменяющимся только один внешний фактор – температуру, т.к. давление, за исключением очень высокого, мало влияет на фазовое равновесие в твердом и жидком состояниях. Тогда общие закономерности существования устойчивых фаз, отвечающих условиям равновесия, в математической форме выражаются правилом фаз (правилом Гиббса) и при постоянном давлении выражается следующим уравнением:

С = К + 1 - ,

где К – число компонентов в системе; - число фаз; С – число степеней свободы (вариантность системы).

Число степеней свободы С – число независимых внутренних переменных (состав фаз) и внешних (температура, давление) факторов, которые можно менять без изменения числа фаз, находящихся в равновесии. При фазовых превращениях в сплавах вновь образующаяся фаза не обязательно должна иметь более низкий уровень свободной энергии, чем исходная, но обязательно в процессе фазового превращения свободная энергия системы, в целом, должна уменьшаться.

По кривым свободной энергии можно геометрическим путем построить основные типы диаграмм состояния. Их строят в координатах температура-концентрация в процентном содержании по массе.

Для построения диаграмм состояния используют термический анализ, разработанный Н.С. Курнаковым. Экспериментально получают кривые охлаждения отдельных сплавов и по их перегибам или остановкам, связанных с тепловыми эффектами превращений, определяют температуру соответствующих превращений. Эти температуры называют критическими точками.

При изучении превращений в твердом состоянии используют различные методы физико-химического анализа, микроанализа, рентгеноструктурного, дилатометрического, магнитного анализов и др.

В жидком состоянии большинство металлов неограниченно растворяются один в другом, образуя однофазный жидкий раствор. Любые фазы, образующиеся в сплаве, отличаются по составу от исходного жидкого раствора. Поэтому для образования устойчивого зародыша необходимы не только гетерогенные флуктуации, но и флуктуации концентрации. Флуктуациями концентрации называют временно возникающие отклонения химического состава сплава в отдельных малых объемах жидкого раствора от среднего его состава. Такие флуктуации возникают в результате диффузионного перемещения атомов вещества и вследствие тепловых движений в жидком растворе. Зародыш новой фазы может возникнуть только в тех микрообъемах исходной фазы, состав которых в результате флуктуации концентрации и расположения атомов соответствует составу и строению новой кристаллизующейся фазы.

Скорость роста кристаллов в жидких растворах меньше, чем в чистых металлах. Это объясняется тем, что рост кристаллов требует диффузионного перемещения атомов компонентов в жидком растворе.

Диаграмма состояния разделена линиями на области. Отдельные области могут состоять только из одной фазы, а некоторые – из двух, имеющих разные составы, строение и свойства.

Анализируя диаграмму состояния, можно составить представление о специфике свойств сплавов данной системы компонентов и характере их изменений в зависимости от состава, а также о возможности термической обработки сплавов и температуре нагрева для ее проведения.

Вид диаграммы определяется характером взаимодействий, которые возникают между компонентами в жидком и твердом состояниях.

Диаграмма состояния для сплавов, образующих смеси из чистых компонентов

Оба компонента сплава в жидком состоянии неограниченно растворимы, а в твердом – нерастворимы и не образуют химических соединений и не имеют полиморфных превращений. Общий вид диаграммы на рис. 3. Фазы: жидкость – Ж, кристаллы – А и В.

Линия АСВ – линия начала кристаллизации, является линией ликвидус; линия ДСЕ – линия конца кристаллизации, является линией солидус. На линии АС начинают выделяться кристаллы А; на линии СВ – кристаллы В; на линии ДСЕ из жидкости концентрации С одновременно выделяются кристаллы А и В. Эвтектическая смесь двух видов кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкости, называется эвтектикой.

Рис. 3. Общий вид диаграммы состояния  и кривые охлаждения сплавов: 1 – заэвтектического; 2 – доэвтектического; 3 – эвтектического.

На рис. 4 схематически показано строение сплава в разные моменты кристаллизации.

Рис. 4. Строение сплавов

Имея диаграмму состояния, можно проследить за фазовыми превращениями любого сплава и указать состав и количественное соотношение фаз при любой температуре. Это определяется по правилу отрезков.

Для определения концентрации компонентов в двух фазах через данную точку а (рис. 3.), характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область. Проекции точек пересечения в и с на горизонтальную ось диаграммы покажут составы фаз в1 и с1 . Отрезки этой линии между точкой а и точками в и с, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз:

Ж=ac/bc; B=ab/bc.

Эти правила справедливы для любой двухфазной области диаграммы состояния.

При оценке прочностных и других свойств сплава следует иметь в виду, что та часть сплава, которая представлена эвтектикой, имеет более высокую прочность, чем часть, представленная более крупными зернами избыточной фазы.

Диаграмма состояния для сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии

На рис. 5 приведена диаграмма состояния для сплавов с неограниченной растворимостью компонентов друг в друге в жидком и твердом состоянии, имеющих одинаковые типы решеток и сходное строение наружных электронных оболочек.

Линия АМВ – линия ликвидус; линия АNВ – линия солидус; фаза  представляет собой твердый раствор компонентов А и В, зерна этой фазы имеют единую кристаллическую решетку, но у сплавов разного состава числа атомов компонентов А и В в элементарных ячейках решетки различно.

Кристаллизация α-фаз в сплавах разного рода происходит в соответствие с правилом отрезков. В случае равновесной кристаллизации, происходящей при достаточно малой скорости охлаждения сплава, к концу кристаллизации состав окончательно сформировавшейся фазы А4 должен соответствовать исходному составу сплава В1 (в данном случае сплава І). Это обусловлено непрерывно происходящей диффузией между обеими фазами.

Рис. 5. Общий вид диаграммы состояния и кривая охлаждения сплава.

В случае ускоренного охлаждения сплава при кристаллизации диффузионные процессы не успевают завершиться. В связи с этим центральная часть каждого зерна оказывается обогащенной более тугоплавким компонентом В, а периферийная – легкоплавким компонентом А. Это явление называется дендритной ликвацией, снижающей прочностные и др. свойства сплавов.

Дендритная ликвация может быть устранена путем длительного отжига. Этот отжиг называется диффузионным. Происходящие при этом диффузионные процессы выравнивают химический состав в зернах.

При образовании твердого раствора временное сопротивление при растяжении, предел текучести и твердость повышаются при сохранении достаточно высокой пластичности. Это объясняется тем, что атомы растворенного элемента группируются в искаженных областях решетки, что мешает продвижению дислокаций.

Диаграмма состояния для сплавов, образующих химические соединения

Данная диаграмма образуется, когда сплавляемые компоненты образуют устойчивое химическое соединение АтВп , не диссоциирующее при нагреве вплоть до температуры плавления.

Рис. 6. Диаграмма состояния с устойчивым химическим
соединением

На рис. 6 показана диаграмма состояния для сплавов, образующих химическое соединение.

При концентрации, соответствующей химическому соединению АnВm , отмечается характерный перелом на кривой свойств. Это объясняется тем, что некоторые свойства химических соединений обычно резко отличаются от свойств образующих их компонентов.

В данном случае химическое соединение АтВп образует с компонентами А и В сплавы, относящиеся к диаграмме состояний на рис. 6. Структурный состав любого сплава системы А-В в твердом состоянии должен представлять смесь химического соединения и одного из исходных компонентов.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

83760. Правовое регулирование страховых взносов в государственные внебюджетные фонды: общие положения, налогоплательщики, основные элементы и особенности уплаты 40.83 KB
  В соответствии с пунктом 10 Положения о Государственном фонде занятости населения Российской Федерации утвержденного постановлением Верховного Совета Российской Федерации от 08. Статьей 22 Закона Российской Федерации от 19.91 О занятости населения в Российской Федерации в редакции Закона Российской Федерации от 15.92 N 33071 О внесении изменений и дополнений в Закон РСФСР О занятости населения в РСФСР установлено что Фонд занятости образуется за счет: обязательных страховых взносов работодателей; обязательных страховых взносов с...
83761. Налоги и сборы как источники государственных доходов. Роль налогов 44.13 KB
  Налоги и сборы неотъемлемый атрибут и органическая часть государства без них немыслима реализация задач и функций института государства. Являются финансовоэкономическим фундаментом института государства который состоит в изъятии части дохода извлекаемого из потребления факторов производства в пользу государства для формирования его централизованных финансовых ресурсов бюджета. Налог обязательный индивидуально безвозмездный платеж взимаемый с организаций и физических лиц в форме отчуждения принадлежащих им на праве собственности...
83762. Юридическое определение налога, сбора, пошлины. Их главные юридические черты 44.29 KB
  Универсального определения налога в котором были бы корректно отражены все его стороны в настоящее время не существует а различные определения налога обычно отражают либо те либо иные его особенности. Кроме того с течением времени представления о сути налога также меняются. Дать точное определение налога необходимо по ряду причин: 1 категория налог является главной для НП для финансов и ФП для экономики; 2 емкое определение понятия налог позволяет отделить его от других платежей; 3 правильная формулировка налога поможет четко...
83763. Функции налога 45.43 KB
  Сущность налогов как экономикоправовой категории их роль и общественное назначение могут быть раскрыты на основе их функций. Функции налогов выражают наиболее существенные главные черты правовых механизмов налогообложения и направлены на достижение конкретных задач стоящих перед НП. Существующие подходы к проблеме налоговых функций можно условно разделить на три группы: только фискальная функция; фискальная и регулирующая присущие высокоразвитым рыночным отношениям; многофункциональное проявление сущности налогов кроме фискальной и...
83764. Виды налогов и основания их классификации 46.97 KB
  В настоящее время система налогов и сборов Российской Федерации довольно обширна и в некоторой степени громоздка. Вместе с тем каждый налог индивидуален поскольку предполагает собственную правовую конструкцию и занимает строго определенное место не только в системе налогов и сборов но и в финансовой системе в целом. Выяснение местоположения каждого налога в финансовой системе координат способствует точному установлению механизма его введения определению уровня бюджета в который зачисляется каждый налог круга плательщиков и перечня...
83765. Налоговая система. Основы законодательства о налогах и сборах. Принципы налогообложения 48.43 KB
  Понятие НС сегодня следует отнести к дискуссионным вопросам и актуальному предмету исследования в сфере налогов.2: НС это совокупность налогов сборов пошлин и других платежей взимаемых в установленном порядке.: НС это совокупность установленных в государстве существенных условий налогообложения установленных НП и налоговым законодательством. 3 НК порядок установления и введения налогов часть 1 НК система налогов совокупность отдельных налогов обладающая организационноправовым и экономическим единством.
83766. Элементы юридического состава налога. Основные и факультативные. Понятие и их правовое значение 43.59 KB
  Обязанность плательщика по уплате налога устанавливается совокупностью элементов юридического состава налога. Элементы налога это внутренние исходные функциональные единицы которые в своей совокупности составляют юридическую конструкцию налога и придают им их универсальность. Обязательные существенные элементы юридического состава налога это элементы без которых налоговое обязательство и порядок его исполнения не могут считаться определенными.
83767. Субъект налогообложения: понятие субъектов, виды, правовой статус 47.87 KB
  Общественные отношения преимущественно образующие предмет налогового права складываются относительно перехода права собственности на денежные средства. Большинство названных отношений направлены на достижение баланса частных и публичных интересов поэтому и понятие субъекта налогового права носителя интереса является ключевым. Точное определение субъекта налогового права имеет и практическое значение поскольку позволяет выявить круг лиц вступающих в налоговые отношения и действия которых влекут юридически значимые последствия. Наличие...
83768. Объект и предмет налогообложения. Масштаб налога и налоговая база 44.73 KB
  Объект налогообложения это те юридические факты действия события состояния которые обуславливают обязанность субъекта заплатить налог совершение оборота по реализации товара работ услуг; ввоз товара на территорию России; владение имуществом; совершение сделки куплипродажи ценных бумаг; вступление в наследство; получение дохода и т. наличие объекта налогообложения. Налоговый кодекс Российской Федерации определяет понятие объект налогообложения так: Объектами налогообложения могут являться операции по реализации товаров работ...