Общие сведения о диаграммах состояния двойных систем

Федеральное агентство по образованию

Уральский государственный технический университет-УПИ

СПЛАВЫ И ИХ СТРУКТУРА

Методические указания к домашнему заданию по курсу

«Материаловедение и технология материалов»

для студентов направления

280100 – Безопасность жизнедеятельности

Печатается по решению редакционно-издательского совета

УГТУ-УПИ от 18.01.2007 г.

Екатеринбург

УГТУ-УПИ

УДК 669.017

Составитель Е.Е. Барышев

Научный редактор проф., д-р техн.наук В.С. Цепелев

СПЛАВЫ И ИХ СТРУКТУРА: методические указания к домашнему заданию по курсу «Материаловедение и технология материалов» / сост. Е.Е. Барышев. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2007. 42 с.

В работе приведены рекомендации по изучению диаграмм состояния и структуры двойных сплавов и сплавов системы железо-углерод.

Библиогр.: 7 назв. Рис. 12. Прил. 2.

Подготовлено кафедрой «Безопасность жизнедеятельности»

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДИАГРАММАХ СОСТОЯНИЯ ДВОЙНЫХ СИСТЕМ

За исключением сравнительно небольшого числа случаев, когда в технике используются чистые металлы U, Th, Zr, Li, Be (в ядерной энергетике), Ge, Ag, Cu (в электро- и радиотехнике), подавляющее количество изделий, конструкций, машин изготовлено из металлических сплавов, как правило, более дешевых и часто с лучшими физико-химическими и технологическими свойствами по сравнению с чистыми металлами.

Под сплавом понимают вещество, полученное сплавлением двух и более элементов. Сплав, приготовленный преимущественно из металлов и обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом.

В расплаве все компоненты, из которых был получен сплав, находятся обычно в атомарном состоянии, образуя однородный жидкий раствор. При кристаллизации расплава образуются новые вещества – фазы сплава.

Фазой называют однородную составляющую часть системы, имеющую определенный состав, кристаллическое строение, свойства, одно и то же агрегатное состояние и отделенную от остальных частей системы поверхностями раздела.

Достаточно полную информацию о сплавах дают результаты экспериментальных исследований, обобщенные в виде так называемых диаграмм состояния. Диаграммы состояния позволяют определить фазовый состав сплавов при различных температурах и концентрациях компонентов.

По диаграммам можно установить, какие превращения происходят в сплавах при нагреве и охлаждении, определить равновесные температуры плавления и затвердевания сплавов различных составов.

В диаграммах состояния двойных систем по оси ординат откладывается температура, а по оси абсцисс – концентрации компонентов, конечные точки оси абсцисс соответствуют чистым компонентам.

Строятся диаграммы состояния на основе данных термического анализа с помощью кривых охлаждения сплавов различного состава (рис. 1). На участке кривой А от t _Н до t _А происходит охлаждение расплавленного компонента А. Площадка при t _А свидетельствует о кристаллизации компонента А. Ниже температуры t _А идет охлаждение отвердевшего компонента А.

Сплавы кристаллизуются в интервале температур. На кривой охлаждения сплава 1 в интервале температур t _m – t _n скорость охлаждения меньше, чем на других участках этой линии, что связано с выделением тепла при кристаллизации. Таким образом, t _m – температура начала, a t _n – температура конца кристаллизации сплава 1. Кривые охлаждения других сплавов имеют аналогичный вид. Исключение составляет сплав состава «Э», который кристаллизуется подобно чистым компонентам А и В - при постоянной температуре t_Э. Таким образом, ниже температуры t _Э все сплавы системы «А-В» наводятся в твердом (закристаллизовавшемся) состоянии. Если установленные экспериментально точки t _m и t _n нанести на график (рис. 1, б) при соответствующих составах, то получим диаграмму состояния.

Ниже рассмотрены основные типы диаграмм состояния металлических сплавов.

1.1. Диаграмма состояния сплавов, образующих механическую смесь компонентов

Этот тип диаграмм относится к системам, компоненты которых в жидком состоянии обладают полной взаимной растворимостью; в твердом состоянии нерастворимы или практически нерастворимы друг в друге; не образуют химических соединений; не имеют аллотропных изменений.

Диаграмма системы приведена на рис. 2. Характерной особенностью такой системы является снижение температуры плавления каждого из компонентов при добавке другого; вторая особенность – температура конца затвердевания не зависит от состава сплава; она значительно ниже температуры затвердевания каждого из компонентов.

Линия Р-S-R обозначает температуры начала процесса затвердевания сплавов соответствующих составов и называется линией ликвидуса. Прямая M-S-N соответствует температуре конца затвердевания и называется линией солидуса. Таким образом, все сплавы, находящиеся выше линии ликвидуса, жидкие; ниже линии солидуса все сплавы находятся в твердом состоянии. В области фигур PSM и RSN часть сплава находится в твердом состоянии, а часть – в жидком.

Если сплав имеет состав, соответствующий точке Е (слева от точки S), то при охлаждении ниже линии ликвидуса в точке а в расплаве начнут появляться твердые кристаллы компонента А. При дальнейшем снижении температуры (t ₁; t ₂; t ₃) растет количество кристаллов компонента А, соответственно уменьшается количество жидкой фазы, а ее состав изменяется в направлении, обозначенном стрелкой на линии ликвидуса, – обогащается компонентом В. При достижении температуры t _эвт система представляет твердые зерна компонента А, между которыми затвердевает последнее количество расплава с составом, соответствующим точке В _Э. Этот состав называется эвтектикой. По структуре эвтектика представляет тонкодисперсную смесь кристаллов обоих компонентов.

Иногда эвтектическую реакцию записывают в виде: L → A + B. Другими словами – жидкая фаза при некоторой постоянной температуре (температуре эвтектики) распадается на две твердых фазы.

Если сплав имеет состав справа от эвтектики (заэвтектический), то при охлаждении процессы кристаллизации идут аналогично, с той только разницей, что первыми в расплаве появятся кристаллы компонента В, количество которых по мере падения температуры будет увеличиваться; последним будет затвердевать расплав эвтектического состава. Подобного рода сплавы образуют пары: Sn-Zn; Pb-Sn; AI-Si.

В сплаве, представляющем механическую смесь компонентов, каждый из них при кристаллизации образует зерна со своим типом кристаллической решетки (рис. 3). Свойства такого сплава будут средними из свойств элементов, его образующих.

Рис.3. Микроструктура сплавов системы Pb-Sb, х100: а – эвтектический сплав; б – доэвтектический сплав Pb-7%Sb; в – заэвтектический сплав Pb-55%Sb

1.2. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

В сплавах, твердых растворах, один из компонентов, растворитель, образует свою кристаллическую решетку, а атомы растворенных компонентов либо внедряются в межузельные пространства, образуя растворы внедрения, либо частично замещают в узлах решетки атомы основного компонента – растворы замещения. Твердые растворы являются фазами переменного состава с широким диапазоном растворимости, от незначительной, порядка сотых-десятых долей процента, до неограниченной взаимной растворимости компонентов друг в друге.

Неограниченные твердые растворы способны образовывать металлы, близко расположенные в таблице Менделеева, особенно находящиеся в одной группе – металлы с одинаковым типом кристаллических решеток и близкими размерами атомов или параметров кристаллических решеток, например: Cu-Si; Fe-Ni; Fe-Cr; Co-Ni; Au-Ag; Au-Cu; Bi-Sb; Mo-W; V-Ti.

Как видно из рис. 4, в этих системах отсутствует эвтектика, а температуры ликвидуса и солидуса монотонно увеличиваются от легкоплавкого компонента к тугоплавкому.

Рассмотрим процесс кристаллизации сплава, состав которого соответствует точке С. При охлаждении сплава ниже линии ликвидуса (т. а ₁) начинают выделяться кристаллы твердого раствора состава S, При дальнейшем охлаждении размеры и количество кристаллов твердой фазы возрастают, а количество расплава соответственно снижается. При этом одновременно меняется состав фаз: жидкой - по стрелке на линии ликвидуса от С до Р, а твердых кристаллов - по стрелке на линии солидуса от S до С. Такой характер кристаллизации приводит к дендритной ликвации, в результате которой зерна твердой фазы будут неоднородны по сечению - в центре зерна сплав будет обогащен компонентом В. При медленном охлаждении в системе происходит выравнивание состава зерен в результате диффузии. Но в реальных условиях при быстром охлаждении расплава, полного выравнивания не происходит.

1.3. Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы

Этот тип диаграмм наиболее характерен для металлических сплавов.

На рис. 5 обозначены фазы системы при различных составах и температурах. Эти диаграммы представляют своеобразную комбинацию диаграмм первых двух типов. Как видно, застывший сплав не содержит чистых компонентов, он состоит из твердых растворов α и β различного состава, а также эвтектики.

1.4. Диаграмма состояния сплавов, образующих химические соединения

Химическое соединение образуется при строго определенном соотношении количеств компонентов А и В, которое на диаграмме обозначается вертикальной линией. В сплаве, соответствующем химическому соединению, образуется новый тип кристаллической решетки. Такой сплав имеет определенную температуру плавления, характеризуется высокой твердостью и хрупкостью. Так, сплав - соединение CuAl имеет твердость 400 ед. НВ, в то время как твердость Сu и Аl оставляет соответственно 35 и 20 ед. НВ.

Диаграмма состояния системы с устойчивым химическим соединением A _n B _m которое не распадается вплоть до момента плавления) представляет собой как бы приставленные одна к другой диаграммы состояния двух систем: А – A _n B _m и A _n B _m – В. На рис. 6. приведена диаграмма состояния двухкомпонен-тной системы Mg-Pb, образующей химические соединения Mg₂Pb. Многие двойные сплавы имеют более сложные диаграммы состояния.