РЕФЕРАТНА ТЕМУ:
Діаграмастану двокомпонентних сплавів
Зміст
1. Основні типи сплавів
2. Діаграми стану двохкомпонентнихсплавів
Використана література
1. Основнітипи сплавів
сплавмеханічна суміш
Сплавом називаютьречовину одержану сплавленням двох або більше елементів. Сплав, складовоючастиною якого являється метал і він має металеві властивості називаєтьсяметалевим сплавом. Потрібно відмітити, що для виробництва конструкцій восновному використовуються сплави, а не чисті метали. Сплав по своїмвластивостям може суттєво відрізнятися від властивостей елементів, з яких вінскладається. Крім того, змінюючи вміст елементів сплаву можна направленозмінювати його властивості відповідно до вимог експлуатації конструкції. Томурозуміння будови сплавів, умов їх утворення та складу відіграє важливу роль враціональному використанні їх при створенні зварних конструкцій.
Властивостісплавів визначаються насамперед фазовим складом та структурою, які залежать відкомпонентів, 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 єоднією фазою. При затвердінні в сплаві може утворитися декілька фаз. Фазоюназивають однорідну частину сплаву, відокремлену від інших частин поверхнеюрозподілу, при переході через яку властивості чи структура сплаву змінюютьсястрибкоподібно. Наприклад, якщо рідкий сплав і кристалики твердої речовини, тосистема буде двохфазною. Якщо сплав затвердів, але складається з елементів, щозберігають в сплаві свої кристалічні гратки, то завжди буде границя розподілуміж цими гратками і сплав буде двохфазний. Число ступенів свободи — це числозовнішніх і внутрішніх факторів системи (температура, тиск, концентрація), якіможуть змінюватись без зміни числа фаз. Математичний вираз умов рівновагисистеми представлений правилом фаз (закон Гіббса).
С = К-Ф+2,
де С – числоступенів 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 змінитисьбез зміни числа фаз. Якщо С = 1, то температура може змінюватись без зміничисла фаз. При С = 2 може змінюватись температура і концентрація сплаву, незмінюючи числа фаз.
В залежності відкомпонентів, що утворюють систему розрізняють, в основному, три види сплавів:
Механічна суміш –сплав, в якому компоненти не здатні до взаємного розчинення і не вступають вхімічну реакцію. У цих умовах сплав буде складатися з кристалів компонента А іВ, які чітко виявляються на мікроструктурі (якщо вони досить великого розміру).Рентгенограма сплаву показує наявність двох кристалічних граток компонентів А іВ.
Хімічна сполука.При утворенні хімічної сполуки:
а) співвідношеннячисел атомів елементів відповідає стехіометрич-ній пропорції, що може бутивиражено простою формулою (у загальному виді хімічна сполука двох елементівможна позначити АxВy;
б) утворюєтьсяспецифічна (відмінна від елементів, що складають хімічну сполуку) кристалічнагратка з упорядкованим розташуванням в ній атомів компонентів;
в) властивостісплаву, як правило, суттєво відрізняються від властивостей компонентів А і В.
Твердий розчин. Вкристалічній ґратці одного компонента окремі атоми замінені атомами іншогокомпонента. Хімічний або спектральний аналіз показує в твердих розчинах.наявність двох елементів або більше, тоді як за даними металографічногоаналізу такий сплав, як і чистий метал, має однорідні зерна. Рентгенівськийаналіз виявляє у твердому розчині, як і в чистому металі, тільки один типгратки. Отже, на відміну від механічної суміші, твердий розчин є однофазним іскладається з одного виду кристалів, має одну кристалічну гратку. На відмінувід хімічної сполуки твердий розчин існує не при визначеному співвідношеннікомпонентів, а в інтервалі концентрацій.
2. Діаграмистану двохкомпонентних сплавів
Фазовий склад іструктуру сплаву в залежності від температури і концентрації в зручній графічнійформі показують діаграми стану.
Діаграми стануподвійних систем будують у координатах температура-хімічний склад сплаву. Виддіаграми визначається особливостями компонентів, які формують даний сплав іхарактером їх взаємодії. Діаграми надають інформацію про температури початку ізакінчення перетворень сплавів, що, в свою чергу, дозволяє підібрати режимтермічної обробки і визначити кінцеву структуру сплаву після охолодження.
Побудова діаграмстану основана на фіксації характерних точок сплаву, що мають місце при йогоохолодженні (рис. 1). Для чого в сплав (1), що охолоджується поміщаєтьсятермопара (2) і спеціальним приладом (3) проводиться запис температури впроцесі охолодження сплаву. Аналогічний процес проводиться для декількохскладів сплаву. При зміні фазового складу сплаву на кривій зниженнятемператури, в залежності від числа ступенів свободи, буде спостерігатисяперегин (рис. 4.1.б), або горизонтальна лінія. Відповідні температури, при якихпроходять такі зміни наносяться на вертикальну лінію, яка на діаграмі станупоказує склад нашого сплаву. Провівши подібні виміри для декількох сплавіврізного складу (рис. 4.1.в) та з’єднавши відповідні точки, отримаємо діаграмустану для подвійних сплавів компонентів А і В.
/>
Рис.1. Схемапроцесу побудови діаграм стану.
Однією знайпростіших є діаграма стану систем з необмеженою розчинністю компонентів у рідкомуі твердому стані (рис.4.2).
/>
Рис.2. Діаграмастану сплаву необмежений твердий розчин.
Верхню кривуназивають кривою ліквідус. Вище її всі сплави знаходяться в рідкому стані,область існування сплаву в рідкому стані позначають L.
Крива ліквідуспоказує, як змінюється температура початку кристалізації сплавів в залежностівід їх хімічного складу. Нижню криву називають кривою солідус, або кривою кінцякристалізації. Нижче неї всі сплави знаходяться у твердому стані і маютьоднофазну структуру твердого розчину. В інтервалі температур між кривимиліквідус і солідус, який називається інтервалом кристалізації, усі сплавискладаються з двох фаз: рідини і кристалів твердого тіла. Тверді розчиниприйнято позначати маленькими грецькими буквами (a, b, g, d). При цьому твердийрозчин, що має кристалічну гратку компонента А позначають a, компонента В -b. Такимчином, на діаграмі стану даного типу є три різних фазових області. Для побудовикривої охолодження конкретного сплаву І-І проектують точки перетинувертикальної лінії, що характеризує склад сплаву з лініями діаграми на графікзалежності температура — час (t — t) і, користуючись правилом фаз, визначаютьстан 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 ненонваріантна, температура буде знижуватись. Друга область – твердо-рідкий стан(L+a). С=2-2+1. Так як С0, то температура також буде знижуватись, при цьомузміниться кут нахилу в зв’язку з зміною теплопровідності рідини та твердо-рідкогостану. Третя область – тверда речовина (a?), С=2–1+1=2, відбувається зниженнятемператури. Відповідно перша область – чиста рідина, друга область – в рідиніпоявляються тверді кристали твердого розчину a, третя область – однофазнийтвердий розчин a.
При аналізідіаграми стану може виникнути питання про фазовий склад будь-якого сплаву привизначеній температурі, про відносну кількість кожної з фаз, про концентрації вцих фазах компонентів. Відповідь на ці питання, можна одержати за допомогою правилавідрізків. Наприклад, для сплаву І-І при температурі, що характеризує т.д.потрібно одержати відповіді на зазначені питання. Через т.д. проводимо відрізокгоризонтальної прямої (коноду) до перетину з лініями діаграми, що обмежуютьдану 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 фазвизначається співвідношенням довжини відповідних відрізків коноди:
/>
Правило відрізківможна використовувати лише в двохфазних областях діаграми
Розглянемодіаграму стану сплаву механічна суміш (рис 3). Лінія асв – лінія ліквідус, алінія акслв – лінія солідус. Діаграми стану подібного типу при певнійконцентрації компонентів мають найнижчу температуру плавлення (т.с), яканазивається евтектичною температурою. При цій температурі проходить евтектичнеперетворення, суть якого в одночасному виділенні з рідини двох або більше типівкристалів, які мають свої типи кристалічної гратки. Кристалики дуже малихрозмірів, в оптичних мікроскопах часто не розрізняються і спостерігаються якєдине зерно евтектики.
/>
Рис 3. Діаграмастану сплаву механічна суміш.
При цьомурентгеноструктурний аналіз показує наявність двох або більше типів кристалічнихграток. Для зображення евтектичної механічної суміші компоненти беруть в дужки(А+В). Тоді евтектичне перетворення буде мати вигляд L=(А+В). В сплавахмеханічна суміш нижче лінії ліквідус з рідини виділяються кристали чистихкомпонентів А або В. При цьому лівіше т.с буде рідина і кристали компоненту А,а правіше – рідина і компонент В. При зниженні температури до температуриевтектичного перетворення (лінія ксл) почне виділятися евтектична механічнасуміш компонентів. Структура сплавів при кімнатній температурі буде складатисьз кристалів чистих компонентів і евтектики. Для чисто евтектичного сплаву ІІ-ІІструктура буде складатися тільки з зерен евтектики. Розрахунок числа ступенівсвободи при побудові кривих охолодження аналогічний вищесказаному завиключенням протікання евтектичного перетворення. С=К–Ф+1, К=2, Ф=3, тому що зрідини (одна фаза) одночасно виділяються два типа кристалів (дві фази), такимчином Ф=1+2=3 і С=2–3+1=0, тобто маємо нонваріантну систему і ні один зфакторів (температура, концентрація) не змінюється без зміни числа фаз. Накривій охолодження з’явиться горизонтальна площадка. Після повної кристалізаціїрідини залишаться тільки дві фази: кристали А і В, С=2–2+1=1 і почнетьсязниження температури.
Розглянемодіаграму стану сплаву обмежений твердий розчин. Такі діаграми бувають зевтектичним перетворенням, яке відбувається так, як в сплавах механічна суміш іперитектичним перетворенням. Розглянемо сплав з евтектичним перетворенням.(Рис. 4.4).
/>
Рис. 4. Діаграмастану сплаву обмежений твердий розчин з евтектичним перетворенням.
Лінія ліквідус –крива асв, лінія солідус – крива акслв. Процеси, що відбуваються приохолодженні аналогічні процесам, які мають місце при охолодженні сплавумеханічна суміш, за виключенням того, що з рідини будуть виділятися не кристаличистих компонентів, а твердих розчинів на основі цих компонентів, тобто a і b.Розглянемо більш детально сплав І-І. В області 1-2 появляться кристали твердогорозчину на основі кристалічної гратки компоненту А, які позначаються a. Вобласті 2-3 вся рідина закристалізувалась і утворився однофазний твердий розчинa. Крива км показує максимальну розчинність компоненту В в компоненті А, яказменшується при знижені температури. Нижче т.3 надлишок компоненту В будевиділятися в вигляді кристалів твердого розчину компоненту А в компоненті В,тобто b. Таким чином, нижче т. 3 буде знаходитись область існування кристалів aі b. Для всіх сплавів розташованих лівіше т.м кінцева структура буде складатисяз одних кристалів a-твердого розчину. Аналогічно для сплавів, що знаходятьсяміж т.л та н надлишок компоненту А буде виділятися з b- твердого розчину ввигляді кристалів a, а для сплавів, що знаходяться правіше т.н будемо матиоднофазну структуру b- твердого розчину. Для сплавів, що знаходяться між т.к тал відбувається евтектичне перетворення з утворенням з рідини одночасномеханічної евтектичної суміші кристалів твердих розчинів: L=(a+b) і кінцеваструктура буде складатись з кристалів евтектики та b або a- твердих розчинів.
Діаграма стануобмеженого твердого розчину з перитектичним перетворенням зображена на рис 5.На цій діаграмі лінія адл – лінія ліквідус, а крива авсл – лінія солідус. Придосягненні температури перитектичного перетворювання – лінія всд рідина складут.д взаємодіє з утвореними кристалами a- твердого розчину складу т.в зутворенням кристалів b- твердого розчину (L+a=b). Таким чином, для сплавів, щознаходяться між т.к і м в результаті перитектичного перетворення, або зменшеннярозчинності одного компонента в іншому (криві кв та мс) кінцева структура сплавубуде складатися з механічної суміші кристалів твердих розчинів a і b. Процесперитектичного перетворення характеризується одночасним існуванням трьох фаз,що на кривих охолодження відобразиться горизонтальною ділянкою (2-2?).
Діаграми станусплаву хімічна сполука розділяються хімічною сполукою на декілька простихдіаграм, в яких хімічна сполука виступає як другий компонент.
/>
Рис 5. Діаграмастану сплаву обмежений твердий розчин з перитектикою.
В залежності відкількості хімічних сполук, що можуть утворюватись діаграма може розділятися надекілька діаграм твердих розчинів або механічних сумішей в залежності відпроцесу взаємодії хімічних сполук з компонентами А і В. Розглянемо структури,що утворюються на прикладі діаграми стану, зображеної на рис 4.6.
Компонент Аутворює з хімічною сполукою АxВy механічну суміш, а компонент В — обмеженийтвердий розчин. Діаграма стану сплаву механічна суміш дає структури аналогічнірис.4.3 з урахуванням, що одним компонентом сплаву є компонент А, а другим –хімічна сполука АхВу. В другій частині діаграми — обмеженому твердому розчинібудуть виділятись структури в вигляді не чистих компонентів, а твердихрозчинів. Враховуючи, що тверді розчини позначають маленькими грецькимибуквами, позначимо як g-твердий розчин на базі кристалічної гратки хімічноїсполуки АхВу і, як звичайно, b — твердий розчин на основі кристалічної граткикомпоненту В.
/>
Рис. 6. Діаграмастану сплаву хімічна сполука.
Структури, щоутворяться, будуть аналогічні структурам обмеженого твердого розчину зевтектикою (рис 4.4).
Ми розглядалиперетворення, що відбувалися при охолоджені сплавів, які утворювали компоненти,що мають один тип кристалічної гратки в усьому температурному діапазонііснування сплавів. Проте досить багато металів мають декілька типівкристалічних граток в залежності від температури та тиску (явище поліморфізмуабо алотропізму.) При охолодженні таких сплавів, компоненти яких маютьполіморфні форми в твердому стані проходять процеси аналогічні процесамкристалізації, тобто утворюються зародки нових кристалів з іншою кристалічноюграткою, які ростуть, збільшуючись в розмірах поки не відбудеться повна перебудоватипу кристалічної гратки. В залежності від типу сплавів, які можутьутворюватись різними поліморфними формами, діаграма стану зображується якбидвома діаграмами накладеними одна на одну. Верхня частина зображує процесипервинної кристалізації, тобто утворення з рідини певного типу кристалів, адруга – процеси вторинної кристалізації, тобто перебудову в твердому станікристалічних граток. Розглянемо деякі варіанти діаграм стану з поліморфнимиперетворюваннями.
Діаграма станусистеми, коли компонент А має дві поліморфні форми Аa і Аb, причомунизькотемпературна форма Аa ізоморфна компоненту В і утворює необмеженийтвердий розчин a, а високотемпературна модифікація Аb, утворює обмеженийтвердий розчин з перитектикою (рис. 7.а). Лінія ліквідусу даної діаграми абк,лінія солідус – алск.
/>
Рис. 7. Діаграмистану сплавів з поліморфними перетвореннями.
В області алб зрідини починається виділення кристалів твердого розчину компоненту В ввисокотемпературній модифікації Аb (b), область адл – область існування b-твердого розчину. Нижче лінії дл починається перебудова кристалічної гратки внизькотемпературну модифікацію Аa і область длс буде складатись з двох типівкристалів твердих розчинів a і b. Нижче лінії дск буде однорідний a- твердийрозчин.
Якщо ж кристаликомпоненту В будуть ізоморфні високотемпературній модифікації Аb, то діаграмабуде мати вигляд зображений на рис. 7.б Після повного затвердівання рідининижче лінії солідус агв отримаємо b — твердий розчин, при зниженні температуриякого нижче лінії дз почнеться перебудова кристалічної гратки і появлятьсякристали a — твердого розчину. Лівіше кривої дк закінчиться перебудовакристалічної гратки в низькотемпературну модифікацію і буде область однорідногоa — твердого розчину.
Якщо компоненти Аі В мають по дві модифікації, причому Аa і Вa так як і Аb та Вb ізоморфні іутворюють необмежені тверді розчини, то діаграма має вигляд зображений на рис. 7.в.
Розглянемосистему, коли високотемпературні модифікації Аb,, Вb ізоморфні і утворюютьнеобмежений b — твердий розчин, а низькотемпе-ратурні модифікації Аa і Вaутворюють 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 почнутьвиділятися кристали твердих розчинів g або d. Всі інші структури, що утворятьсяаналогічні структурам обмеженого твердого розчину з евтектикою, які приведеніна рис. 4.
Властивостісплавів, як і тип діаграми визначаються структурами, що утворюються в процесіохолодження. Тому, очевидно, що повинен існува-ти зв’язок між типом діаграми тавластивостями сплавів. Узагальнивши багаточисленні дослідження сплавів М.С.Курнаков сформулював правила, що встановлюють зв’язок між типом діаграми тавластивостями, зображені на рис 8. Вверху зображені типи діаграм, а внизузалежності властивостей від концентрації компонентів.
/>
Рис. 8. Зв’язокміж типом діаграми та властивостями сплавів.
В системах, денемає розчинності компонентів в твердому стані (механічні суміші), властивостісплавів змінюються приблизно по лінійному закону. Якщо відомі властивостічистих компонентів, то легко визначити і властивості сплавів різноїконцентрації компонентів. В системах з необмеженою розчинністю в твердому станівластивості змінюються по криволінійному закону, причому можуть сильновідрізнятися від властивостей чистих компонентів. Для сплавів з обмеженоюрозчинністю в твердому стані властивості сплавів, що мають однофазну структурузмінюються по криволінійному закону, а в двохфазній області по прямолінійномузакону. Для сплавів з хімічною сполукою склад хімічної сполуки відповідаємаксимуму або мінімуму на графіку властивостей (сингулярна точка), а властивостіінших сплавів змінюються в залежності від типу структур, які утворюютькомпоненти сплаву з хімічною сполукою
Використаналітература
1. Материаловедение: Учебник длявысших 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. идоп. – М.: Машиностроение, 1980. – 493 с
3. Технология конструкционныхматериалов. /А.М.Дальский й др. Учебник для ВУЗов. — М.: Машиностроение, 1987 — 664 с.
4. Маталин А.А. Технологиямашиностроения. Учебник для ВУЗов. Машиностроение, 1985 — 496с.
5. Хубка В. Теория техническихсистем.: Пер.с нем. — М.: Мир, 1987 — 208 с.
6. Мосталыгин Г.П., Толмачевский Н.Н.Технология машиностроения. Учебникдля ВУЗов по инженерно-экономическимспециальностям. Машиностроение, 1990 — 288с.