Описание процесса кристаллизации и построение кривой охлаждения для сплава заданного состава.

Введение.

Исследование диаграмм состояния позволят нам подбирать оптимальные составы сплавов, получать определенные свойства для применения в тех или иных областях. При помощи диаграмм состояния можно подобрать режимы термообработки сплавов для получения определенных механических свойств. Диаграмма состояния позволяет однозначно и наглядно определять условия фазового равновесия, появления в системе новых фаз и химических соединений, образования и распада жидких и твердых растворов.

 

Описание процесса кристаллизации и построение кривой охлаждения для сплава заданного состава.

Графическое изображение диаграммы состояния Cu-Ce представлено на рисунке 1.

Рисунок 1. Диаграмма состояния системы Cu-Ce

2.1. Характеристика компонентов.

Cu (медь) - элемент одиннадцатой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов. Атомная масса Cu - 63,546 а. е. м. Его температура плавления - 1 083,4 °C.

Широкое применение меди в промышленности обусловлено рядом ее ценных свойств и прежде всего высокой электрической проводимостью, пластичностью, теплопроводностью. Более 50% меди используется для изготовления проводов, кабелей, шин, токопроводящих частей электрических установок.

Соли меди (II) имеют широкое применение. Особенно важное значение имеет медный купорос-кристаллогидрат сульфата меди (II) CuS04 • 5 Н20. Медный купорос используют в производстве минеральных и органических красителей, в медицинской промышленности, для пропитки древесины в качестве антисептика (предохраняет дерево от гниения). Большое значение имеет медный купорос в сельском хозяйстве: им протравливают семена перед посевом, опрыскивают деревья и кустарники для борьбы с вредителями. Ацетат меди (II) Cu (CH₃COO)₂^.H₂O. Получается обработкой металлической меди или оксида меди (II) уксусной кислотой. Обычно представляет собой смесь основных солей различного состава и цвета (зеленого и сине-зеленого). Под названием ярь-медянка применяется для приготовления масляной краски.

Ce (церий) - химический элемент III группы 6-го периода периодической таблицы. Атомная масса - 140,115 а.е.м. Температура плавления - 799 °C. Имеет четыре модификации. Ниже 95 К существует кубическая α - форма; в интервале 95-264 К - гексагональная β - форма; в интервале 263-1035 К - γ - форма с кубической решеткой; выше 1035 К существует δ - форма с кубической решеткой.

В современной технике широко используют способность церия (как и других лантаноидов) модифицировать сплавы на основе железа, магния, добавления 1 % церия к магнию резко увеличивает прочность последнего на разрыв и сопротивление ползучести. Церий повышает электропроводность алюминия, меди, ниобия, титана.

Легирование конструкционных сталей церием значительно повышает их прочность. Здесь действие церия в целом аналогично действию лантана. Но поскольку церий и его соединения дешевле и доступнее лантана, значение церия, как легирующей добавки, больше.

Легирование церием алюминия резко увеличивает его прочность и электропроводность (на несколько процентов).

2.2. Типы сплавов.

На основе α-Ce -модификации образуется ограниченный твердый раствор, обозначаемый как (α-Ce), внедрения с максимальной растворимостью Ce в Cu, равной 0,1%.

На основе β-Ce -модификации образуется ограниченный твердый раствор (β-Ce) с максимальной растворимостью Ce в Cu, равной 0,37 %.

На основе γ-Ce -модификации образуется ограниченный твердый раствор (γ-Ce) с максимальной растворимостью Ce в Cu, равной 0,55 %.

На основе δ-Ce -модификации образуется ограниченный твердый раствор (δ-Ce) с максимальной растворимостью Ce в Cu, равной 0,1 %.

Растворимость Сu в твердом Се составляет 0,44; 0,31; 0,31; 0,20; 0,16 % при температурах870, 800, 500 и 300 °С, соответственно.

В системе существуют пять соединений, из которых СеСu₆ и СеСu₂ плавятся конгруэнтно при температурах 940 и 820 ° соответственно. Соединения СеСu, СеСu₄ и СеСu₅ образуются по перитектическим реакциям.

 

2.3. Фазовые превращения диаграммы Pb-U и линии ликвидуса и солидуса.

Фазовый состав в двухфазных областях (определяется по правилу отрезков) записывается непосредственно на диаграмме. Линия ликвидуса обозначена пунктиром, солидуса – точками. Выше линии ликвидуса сплавы находятся в жидком состоянии, образуя жидкий раствор. При достижении линии солидуса с нагревом начинается процесс плавления и заканчивается на ликвидусе. При охлаждении от температуры ликвидуса начинается кристаллизация сплавов, которая заканчивается на линии солидуса. Между линиями ликвидуса и солидуса сплавы находятся в полужидком состоянии.

2.3.1 Нонвариантные превращения.

На диаграмме состояния имеется 6 нонвариантных трехфазных превращения.

Перитектические:

1) L + CeCu₂ = CeCu (515 Cº)

2) L + CeCu₅ = CeCu₄ (780 Cº)

3) L + CeCu₆ = CeCu₅ (798 Cº)

Эвтектические:

4) L = (Ce) + CeCu (415 Cº)

5) L = CeCu₂ + CeCu₄ (755 Cº)

6) L = (Cu) + CeCu₆ (875 Cº)

 

2.3.2 Моновариантные превращения

При охлаждении на линии ликвидуса из жидкой фазы начинает кристаллизоваться новая (твердая) фаза (определяется путем проведения изотермы в двухфазной области от точки пересечения до ближайшей линии на диаграмме):

По линии:

 

cd	de	ef	ij
L1(0%U)→Pb3U(25%U)	L1(25%U)→Pb3U(28%U)	L1(28%U)→PbU(47%U)	L1(97%U)→PbU(50%U)

 

Температурный интервал кристаллизации находится между ликвидусом и солидусом системы и зависит от состава сплава. Исключение составляют составы эвтектических точек и состав фаз Pb₃U+PbU и PbU+(γU), в которых сплавы кристаллизуются при постоянной температуре 1210 и 1125 ⁰С соответственно.

На линиях kl и lm при охлаждении начинается полиморфное превращение (γU) → (βU) и (βU) → (αU). На линиях jk, kl, lm происходит частичный распад твердых растворов (αU), (βU), (γU) с выделением фазы PbU. Реакции этих фазовых превращений запишутся в виде

jk	kl	lm
Т = 1125-765 (γU)(100%U) → (PbU)(100%U)	Т = 765-645 (βU)(100%U) → (PbU)(100%U)	Т = 645-0 (αU)(100%U) → (PbU)(100%U)

 

2.4. Описание процесса кристаллизации и построение кривой охлаждения для сплава 21% Ce.

Кривая охлаждения строится в координатах «температура - время». Количество критических точек определяется числом пересечений вертикальной линии, соответствующей составу сплава (в нашем случае - 21 % Сe), с линиями диаграммы. В рассматриваемом сплаве таких точек 3 (рис. 2).

При достижении ликвидуса (точки 2) кристаллизуется новая фаза по реакции L_(24%) → Cu₄Ce_(20%) , состав которой определяется изотермой, проведенной в двухфазной области до пересечения с ближайшей линией диаграммы (рис. 2), и изменяется в соответствии с линией солидуса при охлаждении до температуры, соответствующей точке 3.

Рисунок 2. Определение состава равновесных фаз

 

При этом состав жидкой фазы изменяется в соответствии с линией ликвидуса в интервале температур, соответствующих точкам 1 и 3.

Используя правило фаз Гиббса рассчитаем число степеней свободы по уравнению С = К – Ф + 1.

Количество компонентов в данной системе Cu-Ce равно 2. Количество фаз определяется количеством членов фазового превращения - L и CuCe. Отсюда С = 1. Таким образом, процесс данного фазового превращения (первичная кристаллизация) для заданного сплава идет в интервале температур соответствующих точкам 2 и 3.

Для построения кривой охлаждения отмечаем критические точки на оси температур.

2.5. Определение соотношения фаз и структурных составляющих в сплаве при заданной температуре.

 

Для определения соотношения фаз и структурных составляющих необходимо воспользоваться правилом рычага. Построение рычага для сплава Сu-C производится при температуре 577 С. (рис. 3). Состояние сплава в этом случае характеризуется фигуративной точкой «к».

Условие равновесия рычага запишется в виде:
Q(Cu₄Ce) · ак = Q(Cu₂Ce) · кв.
Выражая величины отрезков ак и кв через концентрации соответствующих фаз в %, получим: Q(Pb₃U) · (С0 – Са) = Q_PbU · (Св – С0),
откуда соотношение фаз
Q(Pb3U)/ Q(PbU) = Св – С0/ С0 – Са.

Соотношение структурных составляющих определяется из условия равновесия рычага для структурных составляющих (рис. 4, б).
Q(Pb₃U) · а´к = Qэвт. · кв´.
Q(Pb₃U) · (С0 – Са´) = Qэвт. · (Сэвт. – С0) или Q(Pb₃U)/ Qэвт. = (С0 – Са´)/(Сэвт. – С0).

При T=1230 ⁰С.
Соотношение фаз:
Q(L)/Q(PbU)=(50-45)/(45-30)
Q(L)/Q(PbU)=1/3
25% L и 75% PbU.
Структурных составляющих нет.

 

При Т=0 ⁰C.
Соотношение фаз:
Q(Pb₃U)/Q(PbU)=(50-45)/45-25)
Q(Pb₃U)/Q(PbU)=15/20
42% Pb₃U и 58% PbU.
Соотношение структурных составляющих:
Q(PbU)/Qэвт.= (50-45)/(45-28)
Q(PbU)/Qэвт.=15/17
46% PbU и 54% эвтектики.

Заключение

Анализ диаграмм состояния очень важен, т.к. позволяет с точностью определять фазовый и химический состав сплавов, определять температуры фазовых переходов. При помощи диаграмм состояния можно получать сплавы с определенными физическими и механическими свойства, подбирать режимы термообработки.

Библиографический список
1. Анализ новых металлов / Элвелл В.Т., Вуд Д.Ф. - М.: Химия, 1970. - 222 с.

2. Аналитический контроль в металлургии цветных и редких металлов / Малютина Т.М., Конькова О.В. - М.: Металлургия, 1988. - 244с

3.Металлургия цветных металлов / Уткин Н.И. - М.: Металлургия, 1985. - 432с.

4. Металлургия и материаловедение: Справочник / Циммерман Р., Гюнтер К.; пер. с нем. - М.: Металлургия, 1982. - 480 с.

5. Справочник по редким металлам / под ред. К.А. Гемпела, - М.: Мир, 1965. - 931с.