Определение количества компонентов в сплаве кратко

Обновлено: 16.05.2024

10. Сплавы. Основные понятия и термины: сплав, компонент, фаза, структура, равновесное и неравновесное состояния.

Сплавы – это вещества, состоящие из двух или более элементов периодической системы. Получают их с помощью спекания или сплавлением. Компонент – вещество, образующее сплав. Фаза – пространственно ограниченная и отличная от других часть системы, имеющая свою кристаллическую решётку и свои свойства. Гомогенные вещества имеют одну фазу, а гетерогенные – несколько фаз. Структура – строение металла, в котором можно различать отдельные фазы, их форму, размеры и взаимное расположение. Структура влияет на свойства. Равновесное состояние – когда в сплаве все фазы, присущие этой системе оформлены. Это состояние обеспечивается при медленном охлаждении, можно различать размеры и формы фаз. Неравновесное состояние – процесс образования и обособления фаз не закончился, образуется при быстром охлаждении.

11. Сплавы. Классификация сплавов. Зависимость структуры сплава от положения компонентов в периодической системе Д.И. Менделеева.

Химические соединения, твёрдые растворы, смеси (механические). Если оба компонента теряют свою кристаллическую решётку, и у сплава образуется новая решётка, то это хим. соединение. Если один из компонентов сохраняет кристаллическую решётку, а другие её теряют, такие сплавы наз. твёрдыми растворами. Если оба компонента сохраняют кристаллическую решётку и свойства, то сплавы называются смесями. Хим. соединения: металлы обладают восстановительными свойствами, а неметаллы – окислительными. Сплавы: стали, чугуны, медные, алюминиевые, магниевые, титановые, оловянистые и свинцовые сплавы.

12. Диаграммы состояния двойных сплавов (основные типы). Закономерности Н.С. Курнакова.

Диаграмма состояния сплавов показывает фазовое или структурное состояние в зависимости от сплавов. Процесс кристаллизации начинается на линии ликвидус и заканчивается на солидус. Свойства сплавов твёрдых растворов изменяются по параболической зависимости при добавлении второго компонента.

Оба компонента имеют разную химическую природу.

13. Диаграммы состояния сплавов. Правило отрезков.

Для определения состава твёрдой и жидкой фазы какой-то точки необходимо провести коноду. Для определения количественного состава фаз в сплаве нужно брать отрезки на коноде обратно расположению фаз на диаграмме. Qα относится так к Qспл, что Qα/Qспл = lk/ls, а Qж/Qспл = ks/ls.

14. Сплавы. Деформируемые и литейные сплавы. Особенности строения и свойства.

Литейный сплав в твёрдом состоянии хрупок, происходит разрушении в условиях растяжения или изгиба (ударного). Деформируемый сплав пластичен.

Напряжение σ = P/F0, P – действующая нагрузка, F0 – площадь образца, которую он имеет в начале испытания на растяжение. Важнейшая характеристика: σВ – предел прочности при растяжении, что соответствует наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца. σВ – сопротивление большой пластической деформации. Чем больше энергия атомов, тем выше σВ. Структура с мелким зерном прочнее, чем структура с крупным.

σТ – предел текучести, для пластичных материалов σТ ≈ 0,5σВ. Условный предел текучести σ0,2 = 0,5-0,7 σВ. HB – твёрдость по Бринелю, характеризует сопротивление металла большой пластической деформации в условиях сжатия. P = 3000 кг, диаметр шарика = 10 мм. HB = P/Fотп [кгс/мм2]. Чем выше HB, тем труднее изготавливать детали. Линейная зависимость: σВ ≈ HB/3. Пластичность определяется в испытаниях на растяжение. lн – начальная длина образца, lк – конечная. Относительное удлинение σ% = (lк-lн)/lн·100%. Это характеристика надёжности материала. Относительное сужение ψ% = (dк-dн)/dн·100%, d – диаметр образца. Ударная вязкость – хар-ка, показывающая сопротивление материала к динамическим нагрузкам. Ударная вязкость aн = (P·H-P·h)/S [кгс/мм2]. Модуль Юнга E (нормальной упругости) показывает связь между нагрузкой и деформацией. Чем жёстче материал, тем выше E. EFe = 20000 кгс/мм2.

15. Способы упрочнения сплавов.

Наклёп – упрочнение металлов и сплавов в результате измельчения зерна при холодной пластической деформации. Перекристаллизация – упрочнение в результате измельчения зерна при полиморфном превращении. Дисперсионное твердение – упрочнение сплавов в результате выделения мелких частиц второй фазы из пересыщенного твёрдого раствора.

16. Деформация упругая и пластическая. Упрочнения металлов при пластической деформации.

Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки. При упругом деформировании под действием внешней силы изменяется расстояние между атомами в крист. решётке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места и деформация исчезает. При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой. Если нагрузку снять, то перемещённая часть кристалла не возвратится на старое место, деформация сохранится. Наклёп. Перекристаллизация. Дисперсионное твердение.

17. Холодная и горячая пластические деформации. Условия деформирования. Влияние на структуру и свойства металлов и сплавов.

Если пластическая деформация осуществляется при температуре выше Tр, то наклёпа нет. Эта деформация называется горячей пластической деформацией. Холодная пластическая деформация (давление) происходит при температуре ниже Tр, возникает упрочнение.

18. Рекристаллизация сплавов, влияние на структуру и свойства. Температура рекристаллизации по А.А. Бочвару.

Рекристаллизация – возвращение свойств в первоначальное состояние в процессе нагрева наклёпанного металла. Процессы: уменьшение количества дефектов, рост зерна (до исходного). А.А. Бочвар показал: Tр = a·TплК (в Кельвинах). Чем выше Tпл, тем выше Tр. Вольфрам, молибден – самые тугоплавкие Me. Если чистый Me – a ≈ 0,2, механические смеси – a ≈ 0,4, твёрдые растворы – a ≈ 0,6, химические соединения – a ≈ 0,8.

19. Диффузионные и бездиффузионные процессы в металлических сплавах, влияние на свойства.

Бездиффузионные характеризуются перемещением атомов в пределах элементарной ячейки крист. решётки, высокой скоростью. Диффузионные превращения характеризуются перемещением атомов на большие расстояния. Они ускоряются с повышением температуры. К таким процессам относят частичный расплав твёрдого раствора α1 → α2 +β.

Под сплавом понимают вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. Возможны другие способы приготовления сплавов: спекание, электролиз, возгонка. В этом случае вещества называются псевдосплавами. Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом. Сплавы обладают более разнообразным комплексом свойств, которые изменяются в зависимости от состава и метода обработки.

Характеристика основных фаз в сплавах

Чистые металлы обычно имеют низкую прочность и невысокие технологические свойства. В технике обычно применяются сплавы. Сплавами обычно называют сложные вещества, полученные сплавлением нескольких элементов.

Элементы или химические соединения, образующие сплав, называют компонентами. Компонентами металлических сплавов могут быть не только металлы, но и неметаллы. В зависимости от числа компонентов сплавы могут быть двойные, тройныеи т. д. В зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов в сплавах образуются фазы, число и тип которых характеризуют состояние сплава.

Фазой называют однородную часть сплава, характеризующуюся определенным составом, свойствами, типом кристаллической решетки и отделенную от других частей сплава поверхностью раздела. Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения фаз в сплаве. Фазовый состав и структура, определяющие свойства сплава, зависят от состава и технологии его обработки.

В сплавах возможно образование следующих фаз:

1) жидких растворов; 2) твердых чистых металлов; 3) твердых растворов; 4) химических соединений. В зависимости от количества фаз сплавы могут быть одно-, двух- и многофазными.

В жидком состоянии компоненты сплава обычно неограниченно растворяются друг в друге, образуя жидкие растворы. В твердом состоянии компоненты могут образовывать:

1) механические смеси, представляющие собой смесь двух или нескольких фаз; 2) химические соединения, когда компоненты вступают в химические взаимодействия; 3) твердые растворы, когда один компонент растворяется в другом, который называется растворителем.

Механические смеси

Если элементы, входящие в состав сплава, при затвердевании из жидкого состояния не растворяются друг в друге и не взаимодействуют, то образуется механическая смесь. Механические смеси образуются при кристаллизациимногих сплавов, например Pb - Sb,

А1 - Си. По структуре смесь представляет собой неоднородное тело. При металлографическом анализе на шлифе видны кристаллиты разных компонентов, образующих механическую смесь. Химический анализ определяет также разные элементы. Рентгеноструктурный анализ определяет два типа кристаллических решеток, образующих такую смесь.

Химические соединения

Различают химические соединения двух типов: металл — неметалл и металл - металл.

К химическим соединениям металлов с неметаллами относят фазы с ионным типом связи и фазы внедрения.

Фазы с ионным типом связи образуются в тех случаях, когда атом металла отдает валентные электроны и становится положительным ионом, а атом неметалла (например, кислорода, серы) принимает их на свою внешнюю оболочку и становится отрицательным ионом. В такой кристаллической решетке элементы удерживаются электростатическими силами. Химические соединения этой группы имеют строго стехиометрический состав, их формулы определяются валентностью составляющих элементов. В структуре сплавов они находятся в виде неметаллических включений сульфидов, оксидов, фосфидов и т. д. Например, оксид марганца МnО, карбид железа Fe3C и др.

Фазы внедрения образуются в результате взаимодействия железа, марганца, хрома, вольфрама, молибдена и других металлов с неметаллами с малым атомным диаметром - углеродом, азотом, бором и водородом. К этим фазам относятся карбиды, нитриды, бориды и гидриды. Условием образования фаз внедрения является отношение атомных диаметров у неметалла и металла меньше

0,59. Атомы металла размещаются в узлах решетки, а атомы неметалла - в ее октаэдрических или тетраэдрических порах. Из-за меньших объемов тетраэдрических пор в них могут разместиться только атомы водорода.

Фазы внедрения имеют простую химическую формулу Ме,Х (Fe4N, Mn4N), Ме2Х (Fe2N, Мо2С), МеХ (карбиды VC, TiC, WC, NbC и нитриды FeN, VN, TiN), где Me - металл, X - неметалл. Такие фазы внедрения, как карбиды и нитриды, обладают высокой твердостью. На базе фаз внедрения с избытком металлических атомов могут образовываться твердые растворы.

К системе металл - металл относятся электронные соединения (фазы Юм-Розери), фазы Лавеса и G-фазы.

Электронные соединения образуются между одновалентными (Си, Ag, Li) металлами или металлами переходных групп (Fe, Мп, Со), с одной стороны, и металлами с валентностью от 2 до 5 (А1, Be, Mg, Zn) - с другой стороны. Электронные соединения являются фазами переменного состава. Соединения этого типа имеют определенную электронную концентрацию, т. е. определенное отношение числа валентных электронов к числу атомов: 3/2, 21/13, 7/4. Фазы с такими значениями электронной концентрации принято обозначать соответственно Р-, у- и є-фазами.

К P-соединениям с электронной концентрацией N1 = 3/2, обычно имеющим ОЦК решетку, относятся соединения CuZn, CuBe, Cu3Al и др. Например, для соединения CuZn N. = (1-1 + + 2 • 1)/(1 + 1) = 3/2.

К у-соединениям с электронной концентрацией 21/13 и сложной кубической решеткой относятся Cu5Zn8, Co5Zn21, Fe5Zn21. Для соединения Cu5Zng N2 = (1 • 5 + 2 • 8)/(5 + 8) = 21/13.

Электронная концентрация 7/4 с гексагональной решеткой характерна для е-соединений CuZn3, Cu3Sn, Cu3Si. Для соединения CuZn3 с гексагональной е-решеткой N3 = (1 ? 1 + 2 • 3) /(1 + 3) = 7/4.

Электронные соединения характерны для сплавов на меднойоснове (латуней и бронз), где они являются упрочняющими фазами.

Фазы Лавеса имеют формулу АВ2. Они образуются между компонентами А и В при отношении их атомных диаметров от 1,1 до 1,6, обычно 1,2. К фазам Лавеса относятся соединения TiFe2, TiCr2, MoFe2, NbFe2, TiCo2, присутствующие в ряде жаропрочных сплавов и способствующие их упрочнению. Они имеют гексагональную плотноупакованную или гранецентрированную кубическую решетку.

Сигма-фаза, образующаяся на базе металлов с близкими атомными диаметрами (как, например, о-фаза в системе Fe - Сг), появляется в структуре высокохромистых сплавов при их очень медленном охлаждении или изотермической выдержке при 600-800 °С.

Образование кристаллов о-фазы сопровождается увеличением твердости и резким охрупчиванием коррозионностойкихсталей.

Твердые растворы

Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (растворяемых) компонентов располагаются в его решетке, искажая ее.

Химический анализ твердого раствора показывает несколько элементов, а металлографический и рентгеноструктурный - однородные зерна и один тип решетки, как у металла-растворителя.

Различают твердые растворы замещения и внедрения. Твердый раствор замещения образуется замещением части атомов растворителя в его кристаллической решетке атомами растворенного компонента (рис. 1, а).

Атомы растворенного элемента обычно не занимают особых мест в кристаллической решетке, а только замещают в некоторых узлах атомы растворителя. Такое размещение атомов называют неупорядоченным (рис. 4.2, а). Оно образуется в тех случаях, когда взаимодействие разнородных элементов твердого раствора недостаточно выражено. Если же атомы разных элементов твердого раствора взаимодействуют между собой несколько сильнее, чем однородные атомы, то они стремятся расположиться в определенном порядке. Атомы растворителя и растворенного элемента располагаются на разных кристаллографических плоскостях. Например, в системе Au - Си после медленного охлаждения расплава одни кристаллографические плоскости состоят целиком из атомов меди, а другие - из атомов золота (рис. 4.2, б). Такие твердые растворы называют упорядоченными.

Полностью упорядоченные растворы образуются, когда отношение компонентов в сплаве составляют целые числа: 1:1, 1:2, 1:3

Рис. 1. Кристаллическая решетка ГЦК твердого раствора замещения (а) и твердого раствора внедрения (б)

Рис. 2. Размещение атомов в кристаллической решетке твердых растворов:

а - неупорядоченное (сплав Cu-Au); б - упорядоченное (сплав Cu-Au); в - решетка твердого раствора вычитания

и т. д. Такой сплав с упорядоченной структурой можно характеризовать формулой химического соединения, например CuAu или Cu3Au.

Упорядоченные твердые растворы характеризуются более высокой твердостью и хрупкостью и могут рассматриваться как промежуточные фазы между неупорядоченными твердыми растворами и химическими соединениями.

Неограниченно растворяются в твердом состоянии такие металлы с ГЦК решеткой, имеющие небольшую разницу в атомных размерах AR, как Ag и Au (AR = 0,2 %), Ni и Си (AR = 2,7 %) и др., а также металлы с ОЦК решеткой: Мо и W (AR = 9,9 %), V и Ті (AR = 2 %). Металлы с большим атомным диаметром (Na, Са, РЬ) в Fe, Си, Ni нерастворимы.

Предельная растворимость зависит также от различия в строении валентных оболочек электронов. Одновалентные металлы полностью растворяются только в одновалентных: Cu-Ag, Ag-Au, Cu-Ni.

Ограниченная растворимость компонентов наступает при достижении критической величины электронной концентрации в

твердом растворе N, где электронная концентрация — это количество валентных электронов на атом. Для ОЦК решетки N = 1,36, для ГЦК решетки N = 1,40. Если электронная концентрация превышает эти значения, то образуется новая фаза с другой кристаллической решеткой.

Например, из диаграммы состояния Си - Zn известно, что предел растворимости Zn в Си составляет 39 %. Для сплава, содержащего 61 % Си и 39 % Zn, N = (61 ? 1 + 39 ? 2)/100 = 1,39, что меньше предельного значения 1,40.

Твердый раствор внедрения образуется путем внедрения атомов растворенного компонента в междоузлия (пустоты) кристаллической решетки (рис. 1, б). В решетке ГЦК такая пустота находится в центре куба и образует сферу диаметром 0,4D, где D -диаметр атомов растворителя. В решетке ОЦК пустота находится в центре грани и образует сферу диаметром 0,29.0.

Образование твердых растворов внедрения, как правило, сопровождается увеличением параметров кристаллической решетки и ее искажением.

Твердый раствор внедрения характерен для сплавов металлов с элементами 1-го и 2-го периодов, имеющими малые атомные диаметры (С, В, N, Н, О). Концентрация второго компонента в твердом растворе внедрения обычно невысока и всегда ниже, чем в твердых растворах замещения и химических соединениях этих элементов. В отличие от химических соединений твердые растворы внедрения имеют кристаллическую решетку металла-растворителя, в то время как химические соединения образуют решетку, отличающуюся от решетки металла.

На базе химических соединений - фаз внедрения могут образовываться твердые растворы вычитания (рис. 2, в), иногда называемые твердыми растворами с дефектной решеткой. В таких твердых растворах уменьшается число атомов растворителя и появляются свободные узлы в его решетке. Твердые растворы вычитания образуются при растворении атомов V, Ті, Nb, Zr в их карбидах VC, TiC, NbC, ZrC в тех узлах, которые ранее были заняты атомами углерода.

Атомы растворенных элементов скапливаются в кристаллической решетке растворителя преимущественно вблизи дислокаций, снижая их упругую энергию (рис. 3). В растворах замещения атомы меньшего, по сравнению с атомами растворителя, размера присутствуют в сжатой зоне решетки, а большего размера - в растянутой зоне. При образовании твердых растворов внедрения атомы располагаются в растянутой зоне решетки под экстраплоскостью. Вблизи дислокации они образуют группы в виде облаков, называемые атмосферами Коттрелла. Такое расположение сопровождается уменьшением искажений кристаллической решетки и отвечает наименьшему запасу свободной энергии.

В процессе кристаллизации изменяются и концентрация фаз (поэтому состав жидкости изменяется), и количество каждой фазы (при кристаллизации количество твердой фазы увеличивается, а жидкой уменьшается). В любой точке диаграммы, когда в сплаве одновременно существуют две фазы, можно определить количество обеих фаз и их концентрацию. По диаграмме состояния можно также установить, является ли образующаяся кристаллическая фаза твердым раствором, химическим соединением или чистым компонентом. Для этого служит так называемое правило рычага, или правило отрезков.

Первое положение правила отрезков формулируется следующим образом. 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.

Рассмотрим диаграмму (рис. 4.3), аналогичную диаграмме Pb – Sb. В точке а, показывающей состояние сплава К при температуре t₁, сплав состоит из кристаллов В и жидкости. Выше точки l сплав находится в однофазном состоянии, и концентрация компонентов в этой фазе (т.е. в жидкости) определяется проекцией точки l. При охлаждении из сплава выделяются кристаллы В, и состав жидкости изменяется в сторону увеличения в ней компонента А.

При температуре t₁ концентрация компонента В в жидкости определяется проекцией точки b; это максимальное количество компонента В, которое может содержать жидкость при t₁. По достижении температуры солидус жидкость принимает концентрацию точки С. Следовательно, при охлаждении сплава К. концентрация жидкости меняется по кривой lС. Выделяющиеся кристаллы В имеют постоянный состав – это чистый компонент В, концентрация которого лежит на вертикальной оси ВВ.

Следовательно, для сплава К при температуре t₁ составы обеих фаз определяются проекциями точек b и с, так как эти точки находятся на пересечении горизонтальной линии проходящей через точку а, с линиями диаграммы.

Количество этих фаз также можно определить c помощью второго положения правила отрезков. Для того чтобы определить количественное соотношение фаз, через заданную точку проводят горизонтальную линию. Отрезки этой линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

Например: при t₁

количество жидкой фазы ас/bc . 100 %

количество твердой фазы ba/bc . 100 %

Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00

Например, если известно, что отношение структурных компонентов (эвтектика к избыточной β-фазе) при температуре 20 ° C составляет 1: 2 или 33:67 (долевой процент), химический состав сплавов свинец-сурьма Необходимо определить состав (рисунок 1.9)) 28 Рисунок 1.9.

Диаграмма равновесия системы Pb-Sb, кривые охлаждения сплавов, содержащих 4 (a), 13,5 (b) и 60 (c)% Sb, реакция превращения и применение закона сегментации в присутствии основного сплава Cx

Определить диапазон концентраций структурных компонентов эвтектики и бета-фазы. Область с таким структурным компонентом находится между точками E и D. То есть 17,3

Образовательный сайт для студентов и школьников

Читайте также: