Что можно узнать по диаграмме состояния сплавов материаловедение

5. Диаграммы состояния сплавов

5. Диаграммы состояния сплавов

Сплавы можно получать при соединении большинства металлов друг с другом, а также с неметаллами. Диаграммы состояния сплавов дают наглядное представление о протекающих в сплавах превращениях в зависимости от их химического состава и температуры.

При построении диаграмм состояния сплавов на оси абсцисс указывают химический состав или концентрацию сплава в процентах. Для этого горизонтальную линию определенной длины делят на сто одинаковых частей и каждое деление принимают за 1 % одного из компонентов сплава.

Рис. 5. Диаграмма состояния сплавов системы свинец—сурьма (Pb—Sb)

Точка А соответствует чистому свинцу, а точка В – чистой сурьме. По оси ординат в определенном масштабе указывают температуру. Для того чтобы построить диаграмму состояния сплавов, сначала строят ряд кривых охлаждения сплавов одних и тех же элементов с различной концентрацией.

На основе этих кривых строят диаграмму. Сплавы, компоненты которых при затвердевании образуют только механические смеси, относятся к первой группе. Диаграмма этих сплавов условно называется диаграммой состояния первого рода. Диаграмма сплавов, образующих при затвердевании только твердые растворы, называется диаграммой состояния второго рода. Наиболее типичными для диаграмм первого рода являются сплавы свинца с сурьмой.

Построение диаграммы (первого рода) состояния сплавов Pb—Sb:

1) кривые охлаждения доэвтектических сплавов;

2) диаграмма состояния сплавов Pb—Sb;

3) кривые охлаждения заэвтектических сплавов. Диаграмма построена для пяти видов сплава свинца с сурьмой:

1) 5 % сурьмы и 95 % свинца;

2) 10 % сурьмы и 90 % свинца;

3) 20 % сурьмы и 80 % свинца;

4) 40 % сурьмы и 60 % свинца;

5) 80 % сурьмы и 20 % свинца.

Все они имеют две критические температуры: верхнюю и нижнюю. Изучение процессов кристаллизации этих сплавов показывает, что верхняя критическая температура соответствует началу, а нижняя – концу затвердевания сплава. Таким образом, процесс кристаллизации сплавов Pb—Sb резко отличается от кристаллизации чистых металлов. Сплавы кристаллизуются в интервале температур, а чистые металлы – при постоянной температуре.

Механическая смесь кристаллов, выделяющихся из жидкого сплава одновременно, называется эвтектикой (в переводе с греческого – «хорошо сложенный»). Сплавы указанной концентрации называют эвтектическими. Линия АСВ на диаграмме называется линией ликвидуса (в переводе с греческого – «жидкий»). Выше этой линии любой сплав свинца с сурьмой находится в жидком состоянии. Линия ДСВЕ получила название линии солидуса (в переводе с греческого – «твердый»), или эвтектической линии. Точка С показывает состав эвтектики. Сплавы, расположенные левее этой точки, называют доэвтектическими, правее ее – заэвтектическими. В структуре доэвтектических сплавов, кроме эвтектики, всегда есть некоторое количество свинца, а в заэвтектических, кроме эвтектики, – сурьмы.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Читайте также

Аккумуляторы для мобильных устройств – оценка состояния

Оценка состояния аккумулятора потребителем

Оценка состояния аккумулятора потребителем Оценка реальной электрической емкости. Сделать это можно двумя способами. Первый способ – качественный и очень приблизительный. Заключается он в примерной оценке среднего времени продолжительности работы вашего мобильника.

Профессиональная оценка состояния аккумулятора

Профессиональная оценка состояния аккумулятора Тут уж не посидишь перед зарядным устройством с часами в руках. Особенно когда необходимо произвести входной контроль, например, сотни аккумуляторов. Для принятия решений в этом случае требуются количественные и точные

5.2.3. Экранные состояния объектов

5.2.3. Экранные состояния объектов Элементы человекоориентированного интерфейса должны быть доступными для начинающего пользователя и эффективными для опытного пользователя, причем переход от одного к другому не должен требовать переучивания. Хороший интерфейс должен

13.2.3. Общий обзор состояния производства наночастиц

13.2.3. Общий обзор состояния производства наночастиц Коммерческое использование любого метода должно быть обосновано экономически. В лабораторных условиях ученым удалось разработать множество интересных и красивых способов синтеза нанопорошков, но очень многие из них

18.2. Обзор состояния и перспектив промышленности

18.2. Обзор состояния и перспектив промышленности В настоящее время можно уверенно утверждать, что примерно к 2015 году осуществляемые и планируемые научно-технические разработки в области нанотехнологий приведут к весьма серьезным качественным и количественным

17.Основные термодинамические параметры состояния газа

18. Состояния тел. Термодинамическая система. Адиабатический процесс

18. Состояния тел. Термодинамическая система. Адиабатический процесс Существуют три агрегатных состояния: твердое, жидкое и газообразное.Если параметры системы не изменяется со временем, то можно говорить о термодинамическом равновесии системы.Совокупность тел и полей,

25. Уравнение состояния идеального газа

26. Универсальное уравнение состояния идеального газа

26. Универсальное уравнение состояния идеального газа Отношение массы mгаза (вещества) к количеству газа (вещества) vэтой системы называют молярной массой газа (вещества):М = m/ v.Размерность молярной массы следующая: [M] = 1 кг / 1 моль.Следствие из закона Авогадро позволяет

41. Уравнение состояния Ван-дер-Ваальса

41. Уравнение состояния Ван-дер-Ваальса В общем случае для реальных газов при вычислении параметров состояния нельзя использовать уравнение состояния pv = RT,которое верно для идеальных газов.Общее уравнение состояния для реальных газов. в котором коэффициенты Bi –

43. Частные производные параметров состояния. Термические коэффициенты

43. Частные производные параметров состояния. Термические коэффициенты Свойства реальных веществ описываются термическими коэффициентами.Определение 1. Коэффициентом объемного расширенияaназывается изменение объема вещества при повышении его температуры на один

3.3. Диаграммы состояния ювелирных сплавов

3.3. Диаграммы состояния ювелирных сплавов В ювелирной технике применяются сплавы на основе благородных металлов: серебра, золота и платины. Это основные металлы. Для имитации золотых и серебряных сплавов используют некоторые сплавы на основе меди и алюминия. Они

26. Выбор сплавов для определенного назначения на основе анализа диаграмм состояния

26. Выбор сплавов для определенного назначения на основе анализа диаграмм состояния Чистые металлы используют в электрорадиотехнике (проводниковые, электровакуумные). Основнымиконструкционными материалами являются металлические сплавы. Сплавом называют вещество,

27. Строение и свойства железа; метастабильная и стабильная фазовые диаграммы железо-углерод. Формирование структуры углеродистых сталей. Определение содержания углерода в стали по структуре

27. Строение и свойства железа; метастабильная и стабильная фазовые диаграммы железо-углерод. Формирование структуры углеродистых сталей. Определение содержания углерода в стали по структуре Сплавы железа с углеродом являются самыми распространенными металлическими

Источник

Диаграммы состояния металлов и сплавов

Характеристика изотропии, анизотропии и полиморфных превращений. Физические и механические свойства сплавов. Влияние легирующих элементов на равновесную структуру сталей. Определение оптимальной температуры заливки сплава для получения литых деталей.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Диаграммы состояния металлов и сплавов

1. Диаграммы состояния

Сплавы состоят из двух и более элементов периодической системы. Элементы образующие сплавы, называют компонентами. Свойства сплава зависят от многих факторов, но прежде всего они определяются составом фаз и их количественным соотношением. Эти сведения можно получить из анализа диаграмм состояния. Зная диаграмму состояния, можно представить полную картину:

формирования структуры любого сплава;

определить оптимальную температуру заливки сплава для получения литых деталей;

оценить жидкотекучесть выбранного сплава и возможность получения химической неоднородности;

сделать заключение о возможности и условиях обработки давлением;

определить режим термической обработки, необходимый для данного сплава.

Методы построения диаграмм состояния.

предсказать и проверить процессы, происходящие в сплавах при нагреве и охлаждении;

оно показывает, происходит ли процесс кристаллизации при постоянной температуре или в интервале температур;

указывает, какое число фаз может одновременно существовать в системе.

Так как диаграммы состояния обычно строятся при постоянном (атмосферном) давлении, то правило фаз выражается следующим уравнением:

Имея диаграмму состояния, можно проследить за фазовыми превращениями любого сплава и указать состав и количественное соотношение фаз при любой температуре. Это осуществляется при помощи двух простых правил:

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых ограниченно растворимы в твёрдом состоянии и образуют эвтектику.

Эвтектическое превращение ЖC > бE + вF

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой ограниченно растворимы в твёрдом состоянии и образуют перитектику.

Перитектическое превращение Жd + вf > бc

Диаграмма состояния сплавов с полиморфным превращением одного из компонентов.

Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями компонентов и эвтектойдным превращением.

Эвтектойдное превращение гC > бE + вF

Физические и механические свойства сплавов в равновесном состоянии. Свойства сплавов в значительной степени определяется фазовым составом, о котором можно судить по диаграмме состояния. Упрочнение при сохранении пластичности твёрдых растворов используют на практике. Так, при растворении в железе кремния или марганца (в количестве2%) прочность увеличивается в 2 раза, а пластичность снижается всего на 10%. Растворение алюминия (в количестве 5%) в меди повышает прочность сплавов в 2 раза, а пластичность остаётся на уровне пластичности меди.

перитектическое превращение на линии HJB (1499оС)

эвтектическое превращение на линии ЕСF (1147о)

эвтектойдное превращение на линии РSК (727оС)

стали, содержащие до 2,14% С;

чугуны, содержащие более 2,14% С.

При Т = 14990С протекает перитектическая реакция

Кристаллы феррита взаимодействуют с жидкой фазой, и образуют кристаллы аустенита состава точки J. Согласно правилу фаз перитектический процесс идёт изотермически и при постоянной концентрации фаз, так как число степеней свободы при этом процессе равно нулю. Все сплавы лежащие ниже линий NJ и JЕ, находятся в твёрдом состоянии и имеют аустенитную структуру.

Превращение сталей в твёрдом состоянии. Большинство технологических операций (термическая обработка, обработка стали давлением и др.) проводят в твёрдом состоянии, поэтому более подробно рассматриваются превращения сталей при температурах ниже температур кристаллизации (ниже линии NJE).

Эвтектойдное превращение идёт при постоянной температуре (727оС) и составе фаз (феррит 0,02%С, цементит 6,67%С ), так как в процессе одновременно участвуют три фазы (Ф, Ц, А), и число степеней свободы равны нулю.

При дальнейшем охлаждении концентрация углерода в аустените изменяется по линии ^ ЕS вследствие выделения вторичного цементита и к температуре эвтектойдного превращения принимает значение 0,8%. При температуре линии РSК аустенит в ледебурите претерпевает эвтектойдное превращение в перлит.

Влияние легирующих элементов на равновесную структуру сталей

В качестве легирующих наиболее часто используют следующие элементы: Cr, Ni, Mn, Si, Mo, W, V, Ti, Co, Nb. Реже используются Al, Cu, B и некоторые другие. Почти все легирующие элементы изменяют: температуру полиморфных превращений железа; температуру эвтектойдной и эвтектической реакций; растворимость углерода в аустените; взаимодействия с углеродом образуют карбиды; взаимодействия друг с другом или с железом образуют интерметаллиды.

физический сталь сплав полиморфный

1300оС. Вследствие нерастворимости фаз внедрения происходит обеднение аустенита углеродом при легировании стали сильными карбидообразователями. Таким образом, в зависимости от легирующего элемента и его количества в структуре легированных сталей могут встретиться следующие типы карбидов: хорошо растворимые в аустените карбиды типа М3С;

трудно растворимые карбиды типов М7С3, М23С6, М6С;

почти нерастворимые в твёрдом состоянии карбиды типа МС.

Влияние легирующих элементов на температуры фазовых превращений сталей при нагреве и на состав точек S и Е диаграммы.

1%. Характерно, что небольшое количество ледебуритной эвтектике при пониженном содержании углерода не снижает способности сплава обрабатываться давлением в горячем состоянии, тогда как нелегированный белый чугун (С > 2,14%) теряет способность к обработке давлением даже при малых количествах эвтектической составляющей структуре. В связи с этим легированные стали, содержащие ледебуритную составляющую, относятся к сталям, а не к белым чугунам и классифицируют как ледебуритные.

Список используемой литературы

1.Александров В.М. Курс лекций по материаловедению, 2010г

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Влияние высокотемпературной термомеханической обработки на тонкую кристаллическую структуру аустенитных сталей и сплавов. Закономерности роста зерен металлов и сплавов при высоких температурах. Влияние температуры на характеристики металлов.

курсовая работа [534,9 K], добавлен 28.12.2003

Изучение свойств алюминиевого деформируемого сплава, где основным легирующим элементом является марганец. Влияние легирующих элементов на свойства и структуру сплава и основных примесей. Условия эксплуатации и области применения алюминиевых сплавов.

реферат [128,9 K], добавлен 23.12.2014

курсовая работа [375,9 K], добавлен 08.08.2013

Классификация, свойства, применение, маркировка углеродистых и легированных сталей. Влияние углерода и примесей на их свойства. Термическая обработка сплава 30ХГСА. Измерение твёрдости методом Роквелла. Влияние легирующих элементов на рост зерна стали.

дипломная работа [761,3 K], добавлен 09.07.2015

Свойства и атомно-кристаллическое строение металлов. Энергетические условия процесса кристаллизации. Строение металлического слитка. Изучение связи между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния. Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов.

курсовая работа [871,7 K], добавлен 03.07.2015

Источник

Металлические сплавы и диаграммы состояния

Сплавами являются твёрдые вещества, получа­емые сплавлением двух или более простых веществ, на­зываемых компонентами. В металлическом сплаве основными компонентами являются металлы. Для металлического сплава меняя соотношение компонентов, можно получить бесчисленное множество вариантов сплава, и каждый вариант будет иметь свою структуру и свойства, температуру плавления, затвердения и т.д.

В технике большинство сплавов получают взаимным растворе­нием их составляющих в жидком состоянии, т.е. доводят компо­ненты до плавления. Однако сплавы могут быть получены в твёр­дом состоянии в процессе смешивания и спекания порошков ком­понентов под давлением при высоких температурах. Расплавленные компоненты при охлаждении и кристаллизации могут образовывать твердые металлические сплавы с различным строением: смеси, твердые растворы, химические соединения.

Наиболее часто встречающиеся сплавы – твёрдые растворы, в которых компоненты в твердом состоянии частично или полностью растворены друг в друге. Можно просто представить понятие твёрдого раствора можно, если, например, заморозить солёную воду. В этом случае лёд уже будет представлять собой твёрдый раствор соли в воде.

Растворение атомов одного из компонентов в кристаллической решётке другого компонента может идти по типу внедрения, когда атомы растворенного элемента располагаются между атомами растворителя (рисунок 1.1), и по типу замещения, когда атомы растворенного элемента замещают атомы растворителя (рисунок 1.2).

Рисунок 1 – Строение твёрдого раствора внедрения и замещения

При образовании твёрдого раствора внедрения его растворимость всегда ограниченная, что связано с ограниченными размерами межатомных промежутков в кристаллической решётке растворителя.

Чем больше концентрация твёрдого раствора, тем больше увеличены межатомные расстояния в решетке. Такие твёрдые растворы возникают при сплавлении металлов с неметаллами, имеющими малый атомный радиус – углеродом, азотом, бором, водородом. Примером твёрдых растворов внедрения, имеющих промышленное значение, являются твёрдые растворы углерода в ОЦК и ГЦК решётке железа – феррит и аустенит.

Информация о состоянии и структуре сплавов просто и сжато может быть представлена в виде диаграммы состояния – графического изображения состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Такие диаграммы также называют структурными с добавлением слова равновесные, что указывает на образование таких фаз и структур, которые соответствуют наименьшему значению свободной энергии системы.

На любой диаграмме состояния можно выделить следующие точки и линии:

Ликвидус – точка, отвечающая началу кристаллизации.

Линия ликвидус – геометрическое место точек ликвидус.

Солидус – точка, отвечающая концу кристаллизации.

Линия солидус – геометрическое место точек солидус.

Фигуративная точка– точка, взятая в пределах диаграммы состояния, которая показывает температуру сплава, его состояние, процентное соотношение компонентов.

Фигуративная линия – линия, проходящая через фигуративную точку параллельно оси температур.

Рассмотрим основные диаграммы состояния двойных сплавов.

Рисунок 2 – Диаграмма состояния I рода

Диаграмма состояния II рода характерна для сплавов с неограниченной растворимостью компонентов друг в друге, име­ющих одинаковые типы крис­таллических решеток. Диаграм­ма (рисунок 3) содержит область жидкой фазы (выше линии лик­видус АСВ), двухфазную об­ласть α + Ж, расположенную между линиями АСВ и АDВ, об­ласть твердой фазы α (ниже ли­нии солидус АDВ). Фаза α пред­ставляет собой твердый ра­створ компонентов А и В, азерна этой фазы имеют общую кристаллическую решетку.

Рисунок 3 – Диаграмма состояния II рода

Диаграмма состояния III рода характерна для сплавов с огра­ниченной растворимостью компонентов друг в друге. На диаграм­ме (рисунок 4) линия АDВ является линией ликвидус, а линия АСDЕВ – линией солидус. Фаза α является твердым раствором компонента В в компоненте А, а фаза β – твердым раствором компонента А в компоненте В. Эвтектика для рассматриваемой диаграммы пред­ставляет собой смесь мелкозернистых фаз α и β. Эвтектика крис­таллизуется при наименьшей для данной системы температуре, т.е. на линии СЕ.

Линия СF показывает предельную растворимость компонента В в компоненте А, а линия ЕК – предельную растворимость компо­нента А в компоненте В. Ниже линии СF из α-фазы начинают выде­ляться атомы компонента В, образуя вторичные кристаллы β_IIβ-твер-дого раствора. Аналогично ниже линии ЕК из β-фазы выделяются атомы компонента А, образуя вторичные кристаллы α_IIα-твердого раствора. Структура доэвтектических сплавов ниже линии СЕ со­стоит из первичных зерен α-фазы, эвтектики (α + β) и зерен вторич­ной β_II-фазы. А структура заэвтектических сплавов состоит из пер­вичных зерен β-фазы, эвтектики (α + β) и зерен вторичной α_II-фазы.

Рисунок 4 – Диаграмма состояния III рода

Диаграмма состояния IV рода (рисунок 5) относится к сплавам, в кото­рых сплавляемые компо­ненты образуют устой­чивое химическое соеди­нение А_тВ_п. Поэтому в данном случае химичес­кое соединение выступа­ет в роли самостоятель­ного компонента, спо­собного образовывать сплавы с каждым из ис­ходных компонентов.

Химическое соединение А_тВ_п образует с компонентами А и В спла­вы, которые характерны для диаграммы состояния I рода.

Рисунок 5 – Диаграмма состояния IV рода

Рисунок 6 – Изменение твёрдости и электрического сопротивления в зависимости от рода диаграммы

Для сплавов и компонентов, образующих химическое соединение, мак­симальные значения твердости и электрического сопротивления наблюдаются при концентрации компонентов, соответствующих химическому соединению (рисунок 6,г).

Таким образом, если известны характер взаимодействия между компонентами и тип диаграммы состояния, то возможен выбор состава сплава, обеспечивающего заданные физико-химические свойства.

1. Что такое сплав? Что является компонентами для металлического сплава? Сколько компонентов должно присутствовать, чтобы вещество можно было назвать сплавом?

2. Способы получения сплава.

3. Типы растворения твёрдых растворов. Показать на рисунке. Какой тип растворения способствует увеличению межатомных расстояний.

4. Что такое диаграмма состояния?

5. Ликвидус как точка и как линия (определения).

6. Солидус как точка и как линия (определения).

7. Фигуративная точка, фигуративная линия (определения).

8. Диаграммы состояний I, II, III, IV рода. Для каких сплавов характерна каждая из диаграмм, особенности диаграмм. Уметь показать на каждой из диаграмм ключевые точки и линии (солидус, ликвидус и др.)

9. Диаграммы изменения твёрдости и электрического сопротивления. Уметь изобразить – как изменяются эти свойства для каждого рода диаграмм.

Источник

Диаграммы состояния. Примеры решения

Задание 1

Решение

1. Диаграмма состояния сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии.

DF – линия предельной растворимоси компонента B в A

EG – линия предельной растворимоси компонента A в B

2. a) Структура сплава 20%В при Т= 400°C – точка M.

PM – твердый раствор α: 7% B => 93% A. C_α= 7% B+ 93% A

MQ – жидкость: 40% B => 60% A. C_ж= 40% B+ 60% A

Q_ж= 100%-60,6% = 39,4% (Или: (PM/PQ)·100% = (20-7)/(40-7)·100% = 39,4%)

b) химический состав сплава по структуре Q_β= 33%, Q_α= 67% при Т= 200°C – точка R.

3. Кривая охаждения для сплава 15%В – a

4. Число степеней свободы для сплава с 30%В при Т= 300°C – точка T.

C = 2-3+1 = 0 (компоненты (A, B) – фазы (α, β, эвтектика) + 1)

Задание 2

Решение

1. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии.

2. a) Структура сплава 30%В при Т= 200°C – точка M.

PM – жидкость: 21% B => 79% A. C_ж= 21% B+ 79% A

MQ – кристаллы твердого раствора: 50% B => 50% A. C_тв= 50% B+ 50% A

Q_тв= 100%-69% = 31% (Или: (PM/PQ)·100% = (30-21)/(50-21)·100% = 31%)

b) химический состав сплава по структуре Q_β= 40%, Q_ж= 60% при Т= 300°C – точка F.

3. Кривая охаждения для сплава 90%В – a

4. Число степеней свободы для сплава с 10%В при Т= 300°C – точка N.

C = 2-1+1 = 2 (компоненты (A, B) – фазы (жидкость) + 1)

Источник