Діаграма стану двокомпонентних сплавів (стр. 1 из 2)

РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:

Діаграма стану двокомпонентних сплавів

Зміст

1. Основні типи сплавів

2. Діаграми стану двохкомпонентних сплавів

Використана література

1. Основні типи сплавів

сплав механічна суміш

Сплавом називають речовину одержану сплавленням двох або більше елементів. Сплав, складовою частиною якого являється метал і він має металеві властивості називається металевим сплавом. Потрібно відмітити, що для виробництва конструкцій в основному використовуються сплави, а не чисті метали. Сплав по своїм властивостям може суттєво відрізнятися від властивостей елементів, з яких він складається. Крім того, змінюючи вміст елементів сплаву можна направлено змінювати його властивості відповідно до вимог експлуатації конструкції. Тому розуміння будови сплавів, умов їх утворення та складу відіграє важливу роль в раціональному використанні їх при створенні зварних конструкцій.

Властивості сплавів визначаються насамперед фазовим складом та структурою, які залежать від компонентів, 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 є однією фазою. При затвердінні в сплаві може утворитися декілька фаз. Фазою називають однорідну частину сплаву, відокремлену від інших частин поверхнею розподілу, при переході через яку властивості чи структура сплаву змінюються стрибкоподібно. Наприклад, якщо рідкий сплав і кристалики твердої речовини, то система буде двохфазною. Якщо сплав затвердів, але складається з елементів, що зберігають в сплаві свої кристалічні гратки, то завжди буде границя розподілу між цими гратками і сплав буде двохфазний. Число ступенів свободи - це число зовнішніх і внутрішніх факторів системи (температура, тиск, концентрація), які можуть змінюватись без зміни числа фаз. Математичний вираз умов рівноваги системи представлений правилом фаз (закон Гіббса).

С = К-Ф+2,

де С – число ступенів 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 змінитись без зміни числа фаз. Якщо С = 1, то температура може змінюватись без зміни числа фаз. При С = 2 може змінюватись температура і концентрація сплаву, не змінюючи числа фаз.

В залежності від компонентів, що утворюють систему розрізняють, в основному, три види сплавів:

Механічна суміш – сплав, в якому компоненти не здатні до взаємного розчинення і не вступають в хімічну реакцію. У цих умовах сплав буде складатися з кристалів компонента А і В, які чітко виявляються на мікроструктурі (якщо вони досить великого розміру). Рентгенограма сплаву показує наявність двох кристалічних граток компонентів А і В.

Хімічна сполука. При утворенні хімічної сполуки:

а) співвідношення чисел атомів елементів відповідає стехіометрич-ній пропорції, що може бути виражено простою формулою (у загальному виді хімічна сполука двох елементів можна позначити АxВy;

б) утворюється специфічна (відмінна від елементів, що складають хімічну сполуку) кристалічна гратка з упорядкованим розташуванням в ній атомів компонентів;

в) властивості сплаву, як правило, суттєво відрізняються від властивостей компонентів А і В.

Твердий розчин. В кристалічній ґратці одного компонента окремі атоми замінені атомами іншого компонента. Хімічний або спектральний аналіз показує в твердих розчинах .наявність двох елементів або більше, тоді як за даними металографічного аналізу такий сплав, як і чистий метал, має однорідні зерна. Рентгенівський аналіз виявляє у твердому розчині, як і в чистому металі, тільки один тип гратки. Отже, на відміну від механічної суміші, твердий розчин є однофазним і складається з одного виду кристалів, має одну кристалічну гратку. На відміну від хімічної сполуки твердий розчин існує не при визначеному співвідношенні компонентів, а в інтервалі концентрацій.

2. Діаграми стану двохкомпонентних сплавів

Фазовий склад і структуру сплаву в залежності від температури і концентрації в зручній графічній формі показують діаграми стану.

Діаграми стану подвійних систем будують у координатах температура-хімічний склад сплаву. Вид діаграми визначається особливостями компонентів, які формують даний сплав і характером їх взаємодії. Діаграми надають інформацію про температури початку і закінчення перетворень сплавів, що, в свою чергу, дозволяє підібрати режим термічної обробки і визначити кінцеву структуру сплаву після охолодження.

Побудова діаграм стану основана на фіксації характерних точок сплаву, що мають місце при його охолодженні (рис. 1). Для чого в сплав (1), що охолоджується поміщається термопара (2) і спеціальним приладом (3) проводиться запис температури в процесі охолодження сплаву. Аналогічний процес проводиться для декількох складів сплаву. При зміні фазового складу сплаву на кривій зниження температури, в залежності від числа ступенів свободи, буде спостерігатися перегин (рис. 4.1.б), або горизонтальна лінія. Відповідні температури, при яких проходять такі зміни наносяться на вертикальну лінію, яка на діаграмі стану показує склад нашого сплаву. Провівши подібні виміри для декількох сплавів різного складу (рис. 4.1.в) та з’єднавши відповідні точки, отримаємо діаграму стану для подвійних сплавів компонентів А і В.

Рис.1. Схема процесу побудови діаграм стану.

Однією з найпростіших є діаграма стану систем з необмеженою розчинністю компонентів у рідкому і твердому стані (рис.4.2).

Рис.2. Діаграма стану сплаву необмежений твердий розчин.

Верхню криву називають кривою ліквідус. Вище її всі сплави знаходяться в рідкому стані, область існування сплаву в рідкому стані позначають L.

Крива ліквідус показує, як змінюється температура початку кристалізації сплавів в залежності від їх хімічного складу. Нижню криву називають кривою солідус, або кривою кінця кристалізації. Нижче неї всі сплави знаходяться у твердому стані і мають однофазну структуру твердого розчину. В інтервалі температур між кривими ліквідус і солідус, який називається інтервалом кристалізації, усі сплави складаються з двох фаз: рідини і кристалів твердого тіла. Тверді розчини прийнято позначати маленькими грецькими буквами (a, b, g, d). При цьому твердий розчин, що має кристалічну гратку компонента А позначають a, компонента В -b. Таким чином, на діаграмі стану даного типу є три різних фазових області. Для побудови кривої охолодження конкретного сплаву І-І проектують точки перетину вертикальної лінії, що характеризує склад сплаву з лініями діаграми на графік залежності температура - час (t - t) і, користуючись правилом фаз, визначають стан 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 не нонваріантна, температура буде знижуватись. Друга область – твердо-рідкий стан (L+a). С=2-2+1. Так як С0, то температура також буде знижуватись, при цьому зміниться кут нахилу в зв’язку з зміною теплопровідності рідини та твердо-рідкого стану. Третя область – тверда речовина (a?), С=2–1+1=2, відбувається зниження температури. Відповідно перша область – чиста рідина, друга область – в рідині появляються тверді кристали твердого розчину a, третя область – однофазний твердий розчин a.

При аналізі діаграми стану може виникнути питання про фазовий склад будь-якого сплаву при визначеній температурі, про відносну кількість кожної з фаз, про концентрації в цих фазах компонентів. Відповідь на ці питання, можна одержати за допомогою правила відрізків. Наприклад, для сплаву І-І при температурі, що характеризує т.д. потрібно одержати відповіді на зазначені питання. Через т.д. проводимо відрізок горизонтальної прямої (коноду) до перетину з лініями діаграми, що обмежують дану 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 фаз визначається співвідношенням довжини відповідних відрізків коноди:

Правило відрізків можна використовувати лише в двохфазних областях діаграми

Розглянемо діаграму стану сплаву механічна суміш (рис 3). Лінія асв – лінія ліквідус, а лінія акслв – лінія солідус. Діаграми стану подібного типу при певній концентрації компонентів мають найнижчу температуру плавлення (т.с), яка називається евтектичною температурою. При цій температурі проходить евтектичне перетворення, суть якого в одночасному виділенні з рідини двох або більше типів кристалів, які мають свої типи кристалічної гратки. Кристалики дуже малих розмірів, в оптичних мікроскопах часто не розрізняються і спостерігаються як єдине зерно евтектики.

Рис 3. Діаграма стану сплаву механічна суміш.

При цьому рентгеноструктурний аналіз показує наявність двох або більше типів кристалічних граток. Для зображення евтектичної механічної суміші компоненти беруть в дужки (А+В). Тоді евтектичне перетворення буде мати вигляд L=(А+В). В сплавах механічна суміш нижче лінії ліквідус з рідини виділяються кристали чистих компонентів А або В. При цьому лівіше т.с буде рідина і кристали компоненту А, а правіше – рідина і компонент В. При зниженні температури до температури евтектичного перетворення (лінія ксл) почне виділятися евтектична механічна суміш компонентів. Структура сплавів при кімнатній температурі буде складатись з кристалів чистих компонентів і евтектики. Для чисто евтектичного сплаву ІІ-ІІ структура буде складатися тільки з зерен евтектики. Розрахунок числа ступенів свободи при побудові кривих охолодження аналогічний вищесказаному за виключенням протікання евтектичного перетворення. С=К–Ф+1, К=2, Ф=3, тому що з рідини (одна фаза) одночасно виділяються два типа кристалів (дві фази), таким чином Ф=1+2=3 і С=2–3+1=0, тобто маємо нонваріантну систему і ні один з факторів (температура, концентрація) не змінюється без зміни числа фаз. На кривій охолодження з’явиться горизонтальна площадка. Після повної кристалізації рідини залишаться тільки дві фази: кристали А і В, С=2–2+1=1 і почнеться зниження температури.