Что называется диаграммами состояния сплавов
Диаграммы состояния сплавов
ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ДВОЙНЫХ СПЛАВОВ
Диаграмма состояния представляет собой графическую зависимость состояния сплавов данной системы от их концентрации (химического состава) и температуры. По ней можно установить, какие превращения происходят в сплавах при нагреве и охлаждении, определить, при каких температурах произойдет затвердевание.
Диаграммы состояния строят экспериментальным путем на основе результатов термического анализа, изучения структур сплавов в твердом состоянии, по результатам физических методов исследований.
Диаграмма состояния сплавов, образующих неограниченные твердые растворы.
Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы.
Диаграмма состояния сплавов, образующих неограниченные твердые растворы и перитектику.
Смесь кристаллов в сплаве называется эвтектикой или эвтектической смесью, если она закристаллизовалась из жидкости при температуре более низкой, чем температуры плавления отдельных компонентов, образующих этот сплав, (по-гречески eutektos означает легко плавящийся, легкоплавкий).
Процесс образования новой фазы за счет растворения (расплавления) старой фазы в жидкости называется перитектическим.Температура, при которой происходит этот процесс, называется перитектической.
Для определения относительного количества (массы) сосуществующих фаз и структурных составляющих одного сплава пользуются правилом отрезков коноды.
Правило отрезков коноды.Для определения количества жидкой и твердой фаз сплава по диаграмме состояния:
1. Восстановить перпендикуляр к точке, характеризующей состав данного сплава (т. е. провести линию сплава).
3. Соотношение между жидкой и твердой частями сплава будет обратно пропорционально отрезкам, на которые линия сплава делит коноду.
4. Для определения количества твердой части сплава надо взять отношение длины отрезка, прилегающего к жидкой части сплава, к длине всей коноды.
5. Для определения количества жидкой части сплава надо взять отношение длины отрезка, прилегающего к твердой части сплава, к длине всей коноды. Поскольку в выражение для количественного определения температура не входит, то правило отрезков верно для любых температур и, следовательно, любых двухфазных областей разных диаграмм состояний.
ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО-ЦЕМЕНТИТ:
Понятие о диаграммах состояния сплавов
Диаграммы состояния дает возможность изучать фазы и структурные составляющие сплава, устанавливать возможность проведения термической обработки и ее режимы, температуры литья, горячей пластической деформации и т. д.
В любой системе число фаз, находящихся в равновесии, зависит от внутренних и внешних условий. Изменения, происходящие в системе, подчинены общему закону равновесия, который называется правилом фаз или законом Г и б б с а.
Правило фаз выражает зависимость между числом степеней свободы С (вариантностью) системы, числом компонентов К и числом фаз системы Ф, находящихся в равновесии. В общем виде
где 2 — число переменных внешних факторов равновесия (температура и давление).
Вариантность C (число степеней свободы) – это число внутренних и внешних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения количества фаз в системе.
Если вариантность C = 1 (моновариантная система), то возможно изменение одного из факторов в некоторых пределах, без изменения числа фаз.
Если вариантность C = 0 (нонвариантная cистема), то внешние факторы изменять нельзя без изменения числа фаз в системе.
Обычно все превращения в металлах и сплавах происходят при постоянном атмосферном давлении. Тогда правило фаз записывают так:
где: С – число степеней свободы, К – число компонентов, Ф – число фаз, 1 – учитывает возможность изменения температуры.
Уравнение правила фаз позволяет корректировать правильность построения диаграмм состояния.
Построение диаграмм состояния осуществляют различными экспериментальными методами. Наиболее часто пользуются методом термического анализа. Сущность этого метода: отбирают несколько сплавов данной системы с различным соотношением масс входящих в них компонентов. Сплавы помещают в огнеупорные тигли и нагревают в печи. После расплавления сплавов тигли со сплавами медленно охлаждают и фиксируют скорость охлаждения. По полученным данным строят термические кривые в координатах время-температура. В результате измерений получают серию кривых охлаждения, на которых при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба и температурные остановки.
По полученным кривым охлаждения (критическим точкам) для различных сплавов изучаемой системы строят диаграмму состояния в координатах: по оси абсцисс — концентрация компонентов (компонента В), по оси ординат — температура.
Температуры, соответствующие фазовым превращениям, называются критическими точками.
Основные линии (рис.4.5) диаграммы: линии ликвидуса, солидуса, а также линии соответствующие фазовым превращениям в твердом состоянии (3, 4).
Рис. 4.5. Диаграмма состояния
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
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
Понятие диаграммы состояния сплава
Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния сплава в зависимости от его температуры, давления и химического состава. Под состоянием понимается фазовый состав сплава, т.е. число и тип составляющих его фаз. Обычно давление считают постоянным, поэтому диаграмма принимает вид зависимости состояния сплава от температуры и концентрации компонентов.
 |
Каждая точка диаграммы состояния отражает фазовый состав сплава определенной концентрации, находящегося при определенной температуре. Так точка а отражает состояние сплава с концентрацией компонентов К1, находящегося при температуре Т1. Необходимо отметить, что все состояния сплава, отражаемые диаграммой, являются устойчивыми, равновесными, обладающими при данных условиях минимальной свободной энергией. По этой причине диаграммы состояния иногда называют равновесными диаграммами или диаграммами фазового равновесия.
Если сплав двухкомпонентный, то его диаграмма состояния является плоской. Если сплав трёх- и более компонентный, его диаграмма имеет более сложный пространственный характер. В этом случае приводят ряд двухмерных срезов такой диаграммы.
С помощью диаграмм состояния можно определять температуры плавления, кристаллизации и полиморфных превращений у различных сплавов, а так же тип, количество и химический состав фаз в конкретных сплавах при любой температуре.
Диаграммы состояния обычно строят экспериментально, используя так называемый термический метод. В этом методе сплавы различных составов (чем больше, тем точнее) нагревают в печи до расплавленного состояния, а затем охлаждают на воздухе, измеряя через равные промежутки времени их температуру. Температуру сплавов обычно измеряют с помощью термопары. В результате получают так называемые кривые охлаждения, то есть графики зависимости температуры сплава от времени. По остановкам и перегибам на этих кривых, вызванных тепловыми эффектами превращений, определяют температуры фазовых превращений в сплавах. Параллельно методом рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии изучают микроструктуру сплавов в различных температурных интервалах. Полученные данные используют для построения диаграмм состояния.
Лекция №2. Теория сплавов
Онлайн-конференция
«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Лекция №2. Теория сплавов
Рассмотрим ряд основополагающих определений и понятий.
Сплав – вещество, полученное сплавлением двух и более элементов (компонентов). Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называются металлическим сплавом.
По количеству компонентов сплавы соответственно называются двойными, тройными и многокомпонентными.
Структурные составляющие – обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями.
Система – совокупность тел (твердых, жидких) в определенном объеме при определенных внешних условиях, взятых для исследования.
Компонент – простейшая часть (вещество) из образующих систему. В металлических сплавах компонентами являются элементы (металлы и неметаллы) и химические соединения (не диссоциирующие при нагревании)
Фаза – однородная часть системы, имеющая физическую границу раздела (поверхность), при переходе через которую химические состав или структура изменяются скачком.
2.1. Строение сплавов
Чистые металлы находят довольно ограниченное применение. Основными конструкционными материалами являются металлические сплавы. В основном сплавы получают путём кристаллизации жидкого расплава нескольких металлов, но могут быть и другие пути – спеканием, диффузией, осаждением и другие.
Почти все металлы в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях и образуют однородный жидкий раствор с равномерным распределением атомов одного металла среди атомов другого металла.
При образовании сплавов в процессе их затвердевания возможно различное взаимодействие компонентов. По характеру взаимодействия компонентов все сплавы подразделяются на три основных типа: механические смеси, твердые растворы и химические соединения.
Механическая смесь двух компонентов образуется, если они не способны к взаимодействию или взаимному растворению.
Каждый компонент при этом кристаллизуется в свою кристаллическую решетку. Структура механических смесей неоднородная, состоящая из отдельных зерен компонента А и компонента В. Свойства механических смесей зависят от количественного соотношения компонентов.
Если механическая смесь образуется при первичной кристаллизации, она называется эвтектической, если в результате вторичной – эвтектоидной.
Твердые растворы образуются, когда один компонент растворяется в другом. Тогда в твердом состоянии атомы одного компонента входят в кристаллическую решетку другого. Если атомы кристаллической решетки одного компонента А частичного замещаются атомами другого В, образуются твердые растворы замещения, рис. 2.1а. Твердые растворы замещения образуются элементами, атомные радиусы которых отличаются не более чем на 8 – 15%, но и в этом случае кристаллическая решетка растворителя искажается, не утрачивая своего строения.
Если атомы растворимого компонента В внедряются в пустоты решетки растворителя А, то образуются твердые растворы внедрения (рис. 2.1б). Следовательно, атомы растворимого элемента должны быть соизмеримы с пустотами кристаллической решетки растворителя. Концентрация твердых растворов внедрения не может быть высокой – не более 1…2%.
Рис. 2.1. Схемы твердых растворов замещения (а) внедрения (б)
Твердый раствор имеет однородную структуру и одну кристаллическую решетку. Обозначают твердые растворы буквами греческого алфавита α, β, γ, δ и т.д.
Свойства химического соединения резко отличаются от свойств образующих его компонентов при этом они, как правило, обладают большой твердостью и хрупкостью (карбиды, нитриды и др.). Химическое соединение имеет однородную структуру, состоящую из одинаковых по составу и свойствам зерен, и может играть роль компонента в сплавах.
2.2. Диаграммы состояния двойных сплавов
Диаграмма состояния – графическое изображение состояния сплава изучаемой системы в зависимости от концентрации в нем компонентов и температуры. Диаграмма состояния показывает равновесные, устойчивые состояния сплава, т.е. такие, которые при данных условиях обладают минимальной свободной энергией.
Построение диаграмм состояния осуществляют различными экспериментальными методами. Наиболее часто используется метод термического анализа. Он заключается в том, что составляют несколько сплавов с различной концентрацией компонентов, расплавляют их и медленно охлаждают, фиксируя время охлаждения и температуру.
По полученным данным строят серию кривых охлаждения в координатах: время (τ, сек) – температура (t,°С), на которых наблюдают точки перегибов и температурные остановки – критические точки фазовых переходов (рис. 2.2). 
Рис. 2.2. Кривая охлаждения сплава
Вид диаграммы зависит от того, как взаимодействуют между собой компоненты.
Диаграмма состояния сплавов,
образующих механические смеси чистых компонентов (1 тип)
Рассмотрим кривые охлаждения нескольких сплавов системы А – В, имеющих различный состав (рис. 2.3). Кристаллизация чистого компонента А (100%) начинается в т.1 и заканчивается в т.1*, протекая при постоянной температуре. Выше этой температуры компонент А находится в жидком состоянии, ниже – в твердом. Аналогично происходит кристаллизация чистого компонента В.
Кривая охлаждения сплава (60% А + 40%В) аналогична кривым охлаждения чистых компонентов. На ней имеется также только одна температурная остановка 2-2*, т.е. кристаллизация происходит при постоянной температуре. Особенность кристаллизации этого сплава заключается в том, что происходит одновременная кристаллизация обоих компонентов – появляются и растут кристаллы, образуя мелкокристаллическую механическую смесь обоих компонентов (А+В).
Рис. 2.3. Диаграмма состояния сплавов, образующих механические смеси
чистых компонентов, состав сплавов: 1 – 100%А, 2 – 80%А+20%В,
3 – 60%А+40%В, 4 – 20%А+80%В, 5 – 100%В
Сказанное в равной степени относится и к сплаву (20%А + 80%В), отличие состоит лишь в том, что на участке 1–2 происходит образование и рост зерен компонента В. Для этих сплавов характерной особенностью является то, что кристаллизация на участке 1–2 происходит в интервале температур.
Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью
компонентов в твердом состоянии (2 тип)
Для таких сплавов возможно образование двух фаз: жидкого сплава Ж и твердого раствора α. На диаграмме две линии, верхняя – ликвидус и нижняя – солидус (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью
Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью
в твердом состоянии (3 тип)
В таких сплавах могут существовать три фазы: жидкий раствор (Ж), твердый раствор компонента В в компоненте А – (α) и твердый раствор компонента А в компоненте В – (β). Эта диаграмма содержит в себе элементы двух предыдущих (рис. 2.5).
Рис. 2.5. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью
компонентов в твердом состоянии
Линия АСВ – линия ликвидус, линия АЕСFВ – линия солидус. Линия ЕСF – линия эвтектики. Таким образом, здесь также образуется эвтектика, доэвтектические и заэвтектические сплавы. Линия РЕ – линия ограниченной растворимости компонента В в компоненте А, по этой линии происходит выделение вторичных кристаллов β II (вследствие уменьшения растворимости компонента В в компоненте А с понижением температуры). Процесс выделения вторичных кристаллов называется вторичной кристаллизацией.
Диаграмма состояния сплавов, образующих устойчивые химические соединения (4 тип)
Рис. 2.6. Диаграмма 4 типа
Такая диаграмма характеризуется наличием вертикальной линии, соответствующей соотношению компонентов в химическом соединении А n В m (рис. 2.6). Эта линия делит диаграмму на две части, которые можно рассматривать как самостоятельные диаграммы сплавов, образуемых устойчивым химическим соединением и одним из компонентов. На рисунке представлена диаграмма для случая, когда каждый из компонентов образует с химическим соединением механическую смесь.
2.3. Пластическая деформация, наклеп и рекристаллизация
Волокнистое строение и наклеп можно устранить при нагреве металла. Частичное снятие наклепа происходит уже при небольшом нагреве. Снимается искажение кристаллической решетки. Этот процесс называется возвратом (рис. 2.7). Но волокнистая структура при этом сохраняется.
При нагреве до более высоких температур в металле происходит образование новых равноосных зерен. Такой процесс называют рекристаллизацией. Наклеп при этом снимается полностью. Различают рекристаллизацию первичную и собирательную.
Рекристаллизация первичная (участок 1–2 на рис. 2.7) заключается в образовании зародышей и росте новых равновесных зерен с неискаженной кристаллической решеткой.
Собирательная рекристаллизация – вторая стадия процесса, заключающаяся в росте образовавшихся новых зерен. Рост зерен обусловлен стремлением системы к более равновесному состоянию за счет уменьшения внутренней поверхности зерен. Особенность собирательной рекристаллизации – вторичная рекристаллизация – рост отдельных зерен за счет других. Основными факторами, определяющими величину зерен, являются температура, продолжительность выдержки при нагреве и степень деформации.
Рис. 2.7. Схема изменения структуры и свойств наклепанного металла
при возврате (отдыхе) и рекристаллизации
где а – коэффициент, зависящий от структуры и состава металла. Для особо чистых металлов а = 0,2, для металлов технической чистоты а = 0,3 – 0,4, для сплавов а = 0,5 – 0,6.
На практике наклеп устраняют рекристаллизационным отжигом.
Если деформирование происходит при температуре выше температуры рекристаллизации, то наклепа не происходит. Такая деформация называется горячей. Деформация, которая происходит при температуре ниже температуры рекристаллизации, называется холодной.