Характерные особенности химических соединений

1. Кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов, образующих соединение;

2. В соединении всегда сохраняется простое кратное соотношение компонентов. Это позволяет выразить их состав простой формулой А_nВ_m, где А и В – соответствующие элементы, m и n - простые числа;

3. Свойства соединения резко отличаются от свойств образующих его компонентов;

4. Температура плавления (диссоциации) постоянная;

5. Образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.

Примеры химических соединений: цементит – Fe ₃ C, оксиды металлов WC, TiO ₂…

Механические смеси образуются, когда из жидкого расплава одновременно выпадают кристаллы составляющих его компонентов. При образовании механической смеси кристаллические решетки фаз не меняются.

Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения фаз в сплаве. Для описания структуры используют понятие структурных составляющих.

Структурная составляющая – часть сплава, имеющая при рассмотрении под микроскопом однообразное строение. Структурные составляющие могут быть однофазными и двухфазными.

1 фаза, 1 структурная составляющая	2 фазы, 1 структурная составляющая	2 фазы, 2 структурные составляющие

 

Диаграммы и способы их построения

Курс металловедения тесно связан с изучением диаграмм состояния.

Диаграмма состояния сплава представляет собой графическое изображение состояния сплава и показывает превращения, протекающие в сплавах в зависимости от температуры и концентрации элементов (в условиях минимальной свободной энергии).

Без знания диаграмм состояния нельзя научно обоснованно выбирать сплавы с заданными свойствами и выбирать режимы литья, термической обработки и обработки давлением. Диаграммы состояния строятся для определения количества фаз в сплаве и их состава.

Диаграммы состояния, как правило, строят экспериментально (на основании кривых охлаждения). Для их построения обычно используется термический метод, с помощью которого получают кривые затвердевания и охлаждения сплавов.

Готовят ряд сплавов с различным содержанием компонентов А и В, расплавляют и начинают медленно охлаждать, фиксируя их температуру через равные промежутки времени. По этим данным строят кривые охлаждения для всех сплавов.

 

 

По остановкам и перегибам на этих кривых, обусловленных тепловыми эффектами превращений, определяют температуры превращений.

Фиксируют эти температуры и переносят на поле диаграммы состояния. Затем точки с одинаковым физико-химическим смыслом (начало кристаллизации, конец кристаллизации, образование химического соединения, и т.д.) соединяют между собой.

Кривая, замыкающая критические точки начала кристаллизации a-твердого раствора (линия 1-3-5-7-9) называется линией ликвидус («ликва» – жидкость, лат.).

Семейство критических точек, соответствующих температуре окончания кристаллизационных процессов (линия 2-4-6-8-10), образует линию солидус (solid, «солид» – твердый, лат.).

Выше линии 1-3-5-7-9 сплавы находятся в жидком состоянии. Ниже линии 2-4-6-8-10 сплавы находятся в твердом состоянии.

Точки перегиба (3–8) или остановки (1, 2, 9, 10) на кривых охлаждения называют критическими точками. Они соответствуют температурам, при которых в сплавах начинаются, заканчиваются или полностью протекают какие-либо превращения.

 

Правило отрезков

А В

 

С помощью правила отрезков на диаграмме определяют:

1. Состав фаз сплава заданного состава при определенной температуре.

Пусть имеем сплав К определенной концентрации. Проводим горизонтальную линию, соответствующую данной температуре t ₁, до пересечения с линиями ликвидус (l ₁) и солидус(s ₁). Проекции точек пересечения на ось концентраций (l^/ ₁ и s^/ ₁) показывают состав фаз. При охлаждении состав жидкой фазы в соответствии с правилом отрезков меняется по линии ликвидус, а состав твердой фазы – по линии солидус.

2. Относительное количество каждой фазы при определенной температуре.

Отрезки горизонтальной линии между точкой К и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз:

 

температура	количество жидкой фазы	количество твердой фазы
t 1
t 2

 

 

Существует большое количество диаграмм различных типов. Свойства сплавов зависят от их положения на диаграмме:

Диаграмма состояния ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД

Железо и его сплавы – важнейшие конструкционные материалы в технике, и в особенности в машиностроении. Разнообразие фазовых и структурных составляющих в системе железо-углерод способствует получению сталей и чугунов с заданными механическими свойствами.

В виду того, что в машиностроении нельзя использовать сплавы с содержанием углерода свыше 6,67 % С ввиду их очень высокой хрупкости, то диаграмму состояния обычно изображают для соединения Fe₃C – цементита, содержащего 6,67 % углерода.

 

Диаграмма состояния железо-цементит