Книги → Материаловедение. Шпаргалка → 20. Типы фаз в металлических сплавах. Правило фаз; правило рычага
Диаграмма состояния – это графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от его концентрации и температуры.
Изучение любого сплава начинается с построения и анализа диаграммы состояния соответствующей системы. Диаграмма состояния дает возможность изучать фазы и структурные составляющие сплава. Используя диаграмму состояния, можно установить возможность проведения термической обработки и ее режимы, температуры литья, горячей пластической деформации.
В любой системе число фаз, которые находятся в равновесии, зависит от внутренних и внешних условий. Закономерности всех изменений, происходящих в системе, подчинены общему закону равновесия, который называется правилом фаз или законом Гиббса. Правило фаз выражает зависимость между числом степеней свободы С (вариантностью) системы, числом компонентов К и числом фаз системы Ф, находящихся в равновесии.
Степенями свободы называют независимые термодинамические параметры, которым можно придавать произвольные (в некотором интервале) значения так, чтобы не изменялись фазовые состояния (не исчезали старые фазы и не появлялись новые).
Обычно все превращения в металлах и сплавах происходят при постоянном атмосферном давлении. Тогда правило фаз записывают так: С = К – Ф + 1.
Уравнение правила фаз позволяет корректировать правильность построения диаграмм состояния.
Фаза – это однородная часть системы, которая отделена от других частей системы (фаз) поверхностью раздела при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачком.
Однородная жидкость является однофазной системой, а механическая смесь двух кристаллов – двухфазной, так как каждый кристалл отличается от другого по составу или по строению и они отделены один от другого поверхностью раздела.
Компонентами называются вещества, образующие систему.
Построение диаграмм состояния осуществляют различными экспериментальными методами. Часто пользуются методом термического анализа. 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 20б перегиба и температурные остановки. Температуры, соответствующие не фазовым превращениям, называются критическими точками. Точки, отвечающие началу кристаллизации, называют точками ликвидуса, а концу кристаллизации – точками солидуса. По полученным кривым охлаждения для различных сплавов изучаемой системы строят диаграмму состояния в координатах; по оси абсцисс – концентрация компонентов, по оси ординат – температура.
В процессе кристаллизации изменяются и концентрация фаз, и количество каждой фазы. В любой точке диаграммы, когда в сплаве одновременно существуют две фазы, можно определить количество обеих фаз и их концентрацию. Для этого служит правило рычага или правило отрезков.
Правило отрезков. Данная диаграмма охватывает сплавы, компоненты которых образуют смеси своих практически чистых зерен при ничтожной взаимной растворимости. На оси абсцисс отложена процентная доля компонента В в сплаве.
Фазовое строение сплавов на диаграмме зависит от температуры. При термодинамическом воздействии компонентов друг на друга снижается температура их перехода в жидкое состояние, достигая некоторого минимума при определенном для каждой пары компонентов составе. Состав сплава можно определить, спроецировав точку С на ось абсцисс (точка В э ). Сплав двух компонентов, который плавится при минимальной температуре, называется эвтектическим или эвтектикой.
Эвтектика является равномерной смесью одновременно закристаллизовавшихся мелких зерен обоих компонентов. Температура, при которой одновременно плавятся или кристаллизуются оба компонента, называется эвтектической температурой.
Фаза — часть сплава, отделенная поверхностью раздела и отличающаяся непрерывностью химического состава, кристаллической структуры и свойств по всему объему и скачкообразным изменением всех указанных параметров при переходе через границу.
Таким образом, признаками любой фазы (Ф) являются:
• граница раздела, обособляющая фазу сплава от других его фаз.
В твердом состоянии в сплавах различают два вида твердых фаз — твердые растворы и промежуточные фазы (ПФ). В сплавах возможно также наличие специфических смесей фаз, которые образуются одновременно (во время охлаждения или нагревания) при постоянной температуре. Эти фазовые смеси могут состоять из твердых растворов, промежуточных фаз и технически чистых металлов. Они носят название эвтектоидных смесей.
Виды фаз можно выявить с помощью микроструктурного анализа. На рис. 4.1 показана схема микроструктуры сплава с различными промежуточными фазами. Белое поле с границами — это твердый раствор. Промежуточные фазы крупных размеров, образовавшиеся при кристаллизации, обозначены Фперв; промежуточные фазы более мелких размеров, сформировавшиеся при горячей обработке давлением, — Фвтор, а дисперсные частицы промежуточных фаз, образовавшиеся при термообработке, — Фстар. Частицы этих фаз находятся внутри твердого раствора.
Пластинчатые образования в одном из зерен представляют собой эвтектоидную смесь из двух фаз (Фэвт).
В том случае, когда легирующий компонент растворяется в металле-основе, не изменяя его кристаллическую решетку, образуется новая фаза — твердый раствор.
Твердый раствор — фаза сплава, кристаллическая решетка которой не отличается от кристаллической решетки металла-основы, а концентрация легирующих компонентов изменяется в широком диапазоне значений. Твердые растворы занимают основной объем сплава, являясь матричными фазами.
Классифицируют твердые растворы по нескольким признакам, одним из которых служит положение атома легирующего компонента в кристаллической решетке. Согласно этому признаку различают твердые растворы внедрения и замещения.
В твердых растворах внедрения атомы легирующего компонента располагаются в междуузлиях (рис. 4.2, а), в твердых растворах замещения — в узлах кристаллической решетки, замещая атомы основного металла (рис. 4.2, б).
Твердые растворы внедрения образуются в сплавах, содержащих металлоиды — водород, азот, углерод, бор, атомы которых имеют малые радиусы, сравнимые с размером пор и междуузельных пространств в кристаллической решетке металлов. Твердые растворы замещения характерны для сплавов, легированных металлами.
Промежуточные фазы — это химические соединения, которые образуются между технически чистыми компонентами в сплавах при определенном их соотношении. Их частицы отделены от матричного твердого раствора поверхностью раздела.
От твердых растворов ПФ отличаются также типом межатомной связи, которая может быть ковалентной, ковалентно-металлической, ионной. В любом случае эти связи сильнее в сопоставлении с металлической, вследствие чего температура плавления, модуль упругости и твердость ПФ выше, чем твердых растворов.
В сплавах ПФ подразделяют по названию легирующего элемента, образующего соединение с металлом:
— оксиды — соединения с кислородом;
— гидриды — соединения с водородом;
— карбиды — соединения с углеродом;
— нитриды — соединения с азотом;
— бориды — соединения с бором;
— силициды — соединения с кремнием;
— интерметаллиды или интерметаллические фазы — соединения с другим металлом.
В сплавах на основе железа — сталях и чугунах — наибольшее влияние на свойства оказывают карбиды и нитриды. В порядке увеличения карбидообразующей (нитридообразующей) способности легирующие компоненты сталей и чугунов располагаются в ряд:
Карбиды и нитриды элементов с большей карбидообразующей (нитридообразующей) способностью по сравнению с железом — основой сплавов — образуются при повышенных температурах практически на всех технологических этапах изготовления изделий. Эти карбиды обычно называют специальными. К ним относятся следующие фазы:
• TiC, NbC, VC, ZrC, TiN, NbN с общей формулой MeX (МеС, MeN), имеющие ГЦК-решетку;
• карбиды Fе3С, Сr7С3, Сr23С6, Мо6С со сложными кристаллическими решетками.
Такие промежуточные фазы, как нитриды FeN, Fe2N, Fe4N, CrN, AlN, образуются при специальной обработке поверхности — азотировании.
Твердость карбидов и нитридов в сталях, например, в несколько раз выше, чем в твердых растворах, а модуль упругости более чем в 2 раза превышает модуль упругости высокопрочных сталей. Эти соединения влияют на свойства сплавов; их используют для упрочнения объема сплава и поверхности.
Промежуточные фазы типа интерметаллидов оказывают существенное влияние на свойства цветных сплавов. Такие фазы обычно обозначают строчными буквами греческого алфавита. Количество групп и типов этих соединений в сплавах чрезвычайно велико. В машиностроительных сплавах практическое значение имеют четыре группы интерметаллидов: фазы Лавеса (Л), сигма-фазы (о), фазы типа Ni3Аl(у’), электронные соединения (b, е, у).
Элементарное введение в материаловедение (стр. 2 )
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6
3.2.2*. Правило фаз
Различные сплавы отличаются своим составом (т. е. количественным соотношением компонентов). В металловедении принято рассматривать не отдельные сплавы, а системы.
Диаграммы состояния многокомпонентных сплавов представляют собой пространственные фигуры, на плоском основании которых изображается состав сплавов, а по вертикальной оси откладывается температура. Например, для трехкомпонентного сплава основание диаграммы состояния имеет вид треугольника, по сторонам которого отложены относительные концентрации компонентов.
В материаловедении чаще всего рассматривают двухкомпонентные системы. Так поступают и в тех случаях, когда имеют дело со сплавами из многих компонентов: выделяют основную систему, а остальные компоненты рассматривают как легирующие элементы.
Число степеней свободы. Степень свободы определяется числом независимых переменных (например, температура, концентрация сплава, давление), которые можно изменять в определенных пределах, не нарушая равновесия. Равновесным называется состояние сплава, которое не изменяется во времени. При равновесии сохраняется число сосуществующих фаз. Если при этом условии можно менять только температуру (одна переменная), то число степеней свободы равно единице; если и температура, и состав фазы должны быть постоянными, то число степеней свободы равно нулю.
Закономерности всех изменений системы в зависимости от внутренних и внешних условий подчиняются правилу фаз. Правило фаз устанавливает возможное число фаз и условия, при которых они могут существовать в данной системе, т. е. в сплаве из данного числа компонентов. Правило фаз выражает зависимость между количеством фаз, числом компонентов и числом степеней свободы системы:
Рассмотрим возможные случаи равновесия для однокомпонентных систем.
Если в однокомпонентной системе (например, в чистом металле) имеется одна фаза (жидкий или закристаллизовавшийся, т. е. твердый металл), то К=1 и Ф=1. Тогда, согласно (3.2.2), С=1+1-1=1, т. е. имеется одна степень свободы. Это значит, что можно нагреть или охладить металл в определенном интервале температур, сохраняя его однофазным (жидким или твердым).
Если в момент плавления в системе имеются две фазы (например, жидкий и твердый металл), то К=1, Ф=2 и, следовательно, С=1+1-2=0, т. е. не имеется ни одной степени свободы. Такое равновесие возможно лишь при постоянной температуре. Следовательно, температура плавления и температура затвердевания однокомпонентных систем, например чистых металлов, всегда постоянны, и, пока не исчезнет одна фаза (расплавится твердая часть при нагреве или затвердеет жидкая часть при охлаждении), температура остается неизменной.
Однако для двухкомпонентной системы затвердевание сплава будет происходить при других условиях, так как Л=2, Ф=2, следовательно, С=2+1-2=1, т. е. имеется одна степень свободы. Значит, равновесие между жидкой и твердой фазой при затвердевании сохраняется в интервале температур (температуру можно менять). На кривой, характеризующей зависимость температуры сплава от времени (кривой охлаждения), появятся температуры начала и конца затвердевания.
3.2.3*.Диаграмма состояния эвтектического типа
В учебнике [56] эвтектика определяется как механическая смесь двух видов кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкости. В твердом состоянии соль практически не растворяется во льду, поэтому при кристаллизации эвтектики в ней одновременно выделяются кристаллы соли и кристаллы льда, которые образуют механическую смесь из кристаллов соли и льда.
Р и с. 3.2.1. Диаграмма состояния системы Sn-Pb
Р и с. 3.2.2. Типичный вид диаграммы соcтояния и некоторые ее характерные линии
Если в двойных сплавах одновременно существуют три фазы (например, жидкий сплав и две твердые фазы), как при кристаллизации эвтектики, то в соответствии с правилом фаз К=2, Ф=3 и С=2+1-3=0, т. е. не имеется ни одной степени свободы. Такое состояние возможно лишь при постоянной температуре и постоянном составе фаз. Следовательно, при кристаллизации эвтектического сплава составы твердой и жидкой фаз должны быть постоянными.
Сплавы эвтектического состава представляют особый интерес для сверхпластичников, поскольку именно на таких сплавах в свое время были выполнены первые исследования. В частности, Пирсон в своей классической работе 1934 г. исследовал поведение cплавов на основе олова: Sn-Pb и Sn-Bi.
3.2.4*. Полиморфизм
При переходе материала из одной полиморфной формы в другую меняются свойства, в частности, плотность и соответственно объем вещества. Так, например, плотность Feg на 3% больше плотности Fea, а удельный объем соответственно меньше. Эти изменения объема необходимо учитывать при термообработке. Многие другие технически важные металлы имеют несколько модификаций. Титан имеет две модификации : ГПУ (a-титан) и ОЦК (b-титан), кобальт тоже две: ГПУ (a-кобальт) и ГЦК (b-кобальт). Рассмотрим некоторые известные примеры проявления полиморфизма.
Однажды зимой в Санкт-Петербурге на одном из складов военного снаряжения стали происходить непонятные события: хранившиеся в холодном неотапливаемом помещении оловянные пуговицы для шинелей теряли блеск, темнели и через несколько дней рассыпались в порошок. Самым странным было то, что испорченные пуговицы как бы заражали своих соседей: одна за другой белые пуговицы тускнели, темнели и рассыпались. Разрушение распространялось как чума. В несколько дней горы ярко блестящих белых пуговиц превратились в бесформенную груду серого порошка. Все имущество склада погибло от «оловянной чумы», как прозвали эту «болезнь» белого олова.
Полиморфизм олова явился одной из основных причин гибели полярной экспедиции английского исследователя Р. Скотта (). Оловом были запаяны канистры с керосином. При низкой температуре произошло полиморфное превращение пластичного белого олова в хрупкий порошок серого олова. Горючее вылилось и испарилось, и на обратном пути экспедиция осталась без топлива.
Перечислим типы кристаллических решеток важнейших металлических элементов.
Металлы с одним типом решетки (изоморфные):
Металлы с полиморфными превращениями:
3.2.5*. Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями
Особую роль играют в материаловедении материалы, испытывающие при нагреве полиморфные превращения. В качестве примеров можно привести такие важные с точки зрения практического применения материалы, как сплавы на основе железа и титана. Чтобы рассказать о характерных особенностях диаграмм состояния для такого рода материалов, введем несколько дополнительных понятий.
Структура многофазного материала представляет собой прежде всего пространственную конструкцию из элементов, которые можно назвать фазовыми составляющими. Эти элементы характеризуются формой, размерами, типом кристаллической решетки и химическим составом (он иной, чем в у сплава в целом). Таким образом, каждая фазовая составляющая представляет собой, по существу, кусочек однофазного материала со своей специфической дефектной структурой. В связи с этим многофазная структура, как правило, не может быть удовлетворительно описана одним скалярным параметром типа «средний размер зерен».
3.2.6. Некоторые примеры
Выше уже говорилось, что «жизненным кредо» материаловеда является убеждение: свойства материала определяются его структурой. Приведем некоторые примеры, свидетельствующие о том, что такое утверждение по крайней мере не беспочвенно.
Рассмотрим другой пример. Кристаллы серы построены из молекул серы, связанных между собой очень слабыми силами, и поэтому они непрочны; температура плавления серы 115oС. Вместе с тем между атомами молекулы серы действуют в несколько сот раз большие химические силы связи. Как показал [74], если бы все атомы серы плотно “упаковались” и между ними действовали только эти силы, то температура плавления кристаллов серы данной разновидности составила бы 34 700oС. Такое же изменение претерпели бы и другие молекулярные кристаллы, если бы при перестройке молекул удалось возбудить те силы связи, которые действуют внутри каждой из них.
Особенно остро эта проблема встала при проведении испытаний на трубчатых образцах. Несколько лет назад в ИПСМ были изготовлены образцы из сверхпластичного сплава Zn-22%Al, форма и размеры которых были выбраны такими, чтобы их можно было испытать на установке Института проблем прочности АН Украины. При проведении экспериментов наблюдалась локализация деформации, вызванная все тем же неравномерным прогревом образца. Как и в вышеупомянутых примерах, точность поддержания температурного режима, обеспечиваемого стандартной установкой, имеющейся в распоряжении механиков, оказалась недостаточной для проведения полноценных механических экспериментов в режиме СП.
20. Типы фаз в металлических сплавах. Правило фаз; правило рычага
20. Типы фаз в металлических сплавах. Правило фаз; правило рычага
Диаграмма состояния – это графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от его концентрации и температуры.
Изучение любого сплава начинается с построения и анализа диаграммы состояния соответствующей системы. Диаграмма состояния дает возможность изучать фазы и структурные составляющие сплава. Используя диаграмму состояния, можно установить возможность проведения термической обработки и ее режимы, температуры литья, горячей пластической деформации.
В любой системе число фаз, которые находятся в равновесии, зависит от внутренних и внешних условий. Закономерности всех изменений, происходящих в системе, подчинены общему закону равновесия, который называется правилом фаз или законом Гиббса. Правило фаз выражает зависимость между числом степеней свободы С (вариантностью) системы, числом компонентов К и числом фаз системы Ф, находящихся в равновесии.
Степенями свободы называют независимые термодинамические параметры, которым можно придавать произвольные (в некотором интервале) значения так, чтобы не изменялись фазовые состояния (не исчезали старые фазы и не появлялись новые).
Обычно все превращения в металлах и сплавах происходят при постоянном атмосферном давлении. Тогда правило фаз записывают так: С = К – Ф + 1.
Уравнение правила фаз позволяет корректировать правильность построения диаграмм состояния.
Фаза – это однородная часть системы, которая отделена от других частей системы (фаз) поверхностью раздела при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачком.
Однородная жидкость является однофазной системой, а механическая смесь двух кристаллов – двухфазной, так как каждый кристалл отличается от другого по составу или по строению и они отделены один от другого поверхностью раздела.
Компонентами называются вещества, образующие систему.
Построение диаграмм состояния осуществляют различными экспериментальными методами. Часто пользуются методом термического анализа. 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 20б перегиба и температурные остановки. Температуры, соответствующие не фазовым превращениям, называются критическими точками. Точки, отвечающие началу кристаллизации, называют точками ликвидуса, а концу кристаллизации – точками солидуса. По полученным кривым охлаждения для различных сплавов изучаемой системы строят диаграмму состояния в координатах; по оси абсцисс – концентрация компонентов, по оси ординат – температура.
В процессе кристаллизации изменяются и концентрация фаз, и количество каждой фазы. В любой точке диаграммы, когда в сплаве одновременно существуют две фазы, можно определить количество обеих фаз и их концентрацию. Для этого служит правило рычага или правило отрезков.
Правило отрезков. Данная диаграмма охватывает сплавы, компоненты которых образуют смеси своих практически чистых зерен при ничтожной взаимной растворимости. На оси абсцисс отложена процентная доля компонента В в сплаве.
Фазовое строение сплавов на диаграмме зависит от температуры. При термодинамическом воздействии компонентов друг на друга снижается температура их перехода в жидкое состояние, достигая некоторого минимума при определенном для каждой пары компонентов составе. Состав сплава можно определить, спроецировав точку С на ось абсцисс (точка Вэ). Сплав двух компонентов, который плавится при минимальной температуре, называется эвтектическим или эвтектикой.
Эвтектика является равномерной смесью одновременно закристаллизовавшихся мелких зерен обоих компонентов. Температура, при которой одновременно плавятся или кристаллизуются оба компонента, называется эвтектической температурой.
Количественные изменения в сплавах данной системы компонентов при кристаллизации подчиняются правилу отрезков.
Чтобы определить концентрации компонентов в фазах, через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз.
Проведя через заданную точку горизонтальную линию можно определить количественное соотношение фаз. Отрезки данной линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.
Правило отрезков в двойных диаграммах состояния используются только в двухфазных областях. В однофазной области имеется лишь одна фаза; любая точка внутри области характеризует ее концентрацию.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Продолжение на ЛитРес
Читайте также
Разметка металлических заготовок
Разметка металлических заготовок После того как металл выправлен и тщательно очищен, производится разметка той поверхности, которую предстоит обработать. По сути, разметка – это уже слесарная операция, но поскольку в ходе ее заготовка не подвергается непосредственно
Опиливание и зачистка металлических деталей
Опиливание и зачистка металлических деталей Люди, мало сведущие в слесарных работах, зачастую путают эти две операции – опиливание и зачистку, а между тем у них есть существенная разница: опиливание связано с изменением размера деталей (напильником снимается слой
Шабрение металлических поверхностей
Шабрение металлических поверхностей Шабрение поверхностей металлических деталей применимо главным образом в слесарно-сборочных работах, когда требуется плотная подгонка плоскостей прилегающих друг к другу деталей (например, измерительных и направляющих
Притирка металлических поверхностей
Притирка металлических поверхностей Опиливания, зачистки и шабрения поверхностей зачастую бывает недостаточно, чтобы достигнуть достаточно плотного прилегания деталей друг к другу. Поэтому в процессе сборки механизмов слесари прибегают к притирке (доводке)
Реальные типы ШД
Реальные типы ШД Шаговый двигатель в рассмотренном примере имел угол поворота 90° на шаг. Статоры и роторы реальных шаговых двигателей представляют собой последовательности мини-полюсов. Мини-полюса уменьшают угол поворота на шаги улучшают разрешение шагового
12.3. Газы в сплавах платины
12.3. Газы в сплавах платины Газы не оказывают заметного действия на сплавы платины, однако, попадая в расплав, они удерживаются в нем и образуют поры и раковины – очаги разрушения.Платина и сплавы на ее основе адсорбируют на поверхности пары воды, кислород, водород, окись
§ 17. Архитектурные типы судов
§ 17. Архитектурные типы судов Основной архитектурный тип судна определяется формой основного корпуса и его оконечностей, числом надстроек и рубок и их расположением на судне, размещением машинно-котельных отделений, расположением палуб, рангоута, дымовых труб и т. п. и их
Типы систем
Типы систем Системы УОПД представлены в трех модификациях (табл. 5.1): две младшие модели УОПД 02-2 и УОПД 02-3 и одна более мощная система УОПД-0,8. Младшие модели предназначены для автомобилей с объемом подогреваемого двигателя 2 и 1,5 литра соответственно. Модель УОПД-08 может
Покрытие из металлических пластин
Покрытие из металлических пластин Фальцевал кровля – это конструкция, сооруженная из металлических пластин, листов или рулонов, которые скреплены особым образом с помощью фальцев. Фальцем называют вид шва, который образуется при соединении двух соседних листов
Типы мотоциклов по их назначению
Типы мотоциклов по их назначению Мотоцикл в зависимости от цели, для которой он предназначается, имеет свои конструктивные особенности.Современные мотоциклы по их назначению можно разделить на следующие группы: спортивные (гоночные), туристские, полевые, специальные (с
24. Правило рычага и центра тяжести треугольника
24. Правило рычага и центра тяжести треугольника Пользуясь диаграммой состояния, можно для любой температуры определить не только число фаз, но и их состав и количественное соотношение. Для этого следует применить правило отрезков (правило рычага).Это правило может быть
6.3 Типы планов ПО
6.3 Типы планов ПО Цель создания планов ПО состоит в том, чтобы определить средства для удовлетворения требованиям настоящего стандарта, в том числе определить организационные подразделения, которые будут выполнять эти работы. В процессе планирования должны быть
