Термический анализ

Вопросы

Основные понятия теории сплавов

Термический анализ

Диаграмма состояния железо-цементит

Основные понятия теории сплавов

Под сплавом понимают металлическое вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. Вещества из которых образован сплав, называются компонентами. При кристаллизации сплавов могут образовываться следующие типы соединений: механические смеси, твердые растворы, химические соединения.

Механические смеси образуют компоненты с большим различием атомных диаметров, не способные к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступающие в химическую реакцию с образованием соединения. При этом каждый из компонентов сохраняет свой тип кристаллической решетки. Механические свойства смесей зависят от количественного соотношения компонентов, от размеров и формы зерен.

Твердые растворы (рис. 1) характеризуются тем, что один компонент (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, а другой (растворимый) — отдает свои атомы в решетку растворителя. Например, компонент В растворился в компоненте А. Свойства твердого раствора отличаются от свойств компонентов его образующих.

Существуют твердые растворы внедрения и твердые растворы замещения. При образовании твердых растворов внедрения атомы растворенного компонента В размещаются между атомами растворителя А в его кристаллической решетке (рис.1,б). При образовании твердых растворов замещения атомы растворенного компонента В замещают часть атомов растворителя (компонент А) в его кристаллической решетке (рис.1, а).

Поскольку размеры растворенных атомов отличаются от размеров атомов растворителя, то образование твердого раствора сопровождается искажением кристаллической решетки растворителя (рис. 2).

Твердые растворы замещения могут быть с ограниченной и неограниченной растворимостью. В твердых растворах с ограниченной растворимостью концентрация растворенного компонента возможна до определенных пределов.

В твердых растворах с неограниченной растворимостью возможна любая концентрация растворенного компонента (от 0 до 100%).

Рис.1 Рис.2

Как правило, образуются твердые растворы с ограниченной растворимостью.

Химические соединения имеют следующие особенности: совершенно новую кристаллическую решетку, отличную от решеток элементов его образующих; свойства соединения резко отличаются от свойств элементов (высокая твердость и хрупкость); постоянный состав; подчиняются законам валентности и выражаются формулой А_n В_m,где nи m— взаимно простые целые числа.

Системой называют совокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (температуре, давлении). Система может быть простой, если она состоит из одного компонента, и сложной, если она состоит из нескольких компонентов.

Фазой называют однородную по химическому составу, кристаллическому строению и свойствам часть системы, отделенную от других частей системы поверхностью раздела. Фазами могут быть металлы и неметаллы, жидкие и твердые растворы, химические соединения. Однородной системой является, например, однородная жидкость, двухфазной – механическая смесь двух видов кристаллов.

Термический анализ

Фазовые превращения, происходящие в сплавах, можно наглядно представить с помощью диаграмм состояния. Диаграммы состояния позволяют определить фазовые и структурные превращения сплавов при медленном нагреве или медленном охлаждении. Они дают возможность предвидеть изменение свойств сплавов и назначать оптимальные режимы термической обработки.

Для построения диаграмм состояния применяют метод термического анализа. Тигель вместе с металлом помещают в печь (рис. 3) и нагревают до температуры плавления. Затем в жидкий металл погружают термопару (две разнородные проволоки, спаянные концами), соединенную с чувствительным гальванометром, шкала которого проградуирована в градусах. Далее печь выключают, и металл начинает остывать вместе с печью. Одновременно через равные промежутки времени снимают показания гальванометра и строят кривую изменения температуры во времени (рис. 4).

Для построения диаграмм состояния приготавливают несколько сплавов разного состава из одних и тех же компонентов и получают серию кривых охлаждения.Сплавы, как правило, кристаллизуются в интервале температур. Температура Т_n начала первичной кристаллизации, при которой образуются зародыши твердой фазы, называется температурой ликвидус, а температура конца первичной кристаллизации Т_s при которой исчезают последние капли жидкости, — температурой солидус.

В сплавах типа «механическая смесь» имеется наиболее легкоплавкий сплав системы, первичная кристаллизация которого протекает при постоянной температуре, он называемся эвтектическим сплавом. Структура, полученная при кристаллизации жидкого раствора эвтектического состава, называется эвтектикой.

Получив серию кривых охлаждения, строят диаграмму состояния: для этого на оси абсцисс отмечают точки, характеризующие составы изученных сплавов, и указывают температуры ликвидус, получают линию ликвидус, а соединив температуры солидус, — линию солидус.

Принято сплавы, расположенные слева от эвтектического, называть доэвтектическими, а расположенные справа, — заэвтектическими.