Элементы теории сплавов (Лекция 5)

1.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Термодинамическая
(металлическая)
система
–
отделённая
от
внешней
среды
реальными
или
воображаемыми границами и заполненная веществом
часть пространства, внутри которой между составляющими
материальными объектами возможен обмен энергией и
веществом
Металлический сплав – сложное кристаллическое
вещество, состоящее из нескольких более простых
веществ и обладающее металлическими свойствами
Фаза – часть физико-химической системы, однородная по
своему строению, химическому составу и свойствам.
Компоненты – химические индивиды, наименьшее число
которых достаточно для образования всех фаз в системе

2.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Равновесное
состояние
–
неизменность
термодинамических параметров во времени и отсутствие в
системе потоков энергии и вещества при постоянных
внешних условиях.
Фазовое
равновесие
–
равновесное
состояние
термодинамической системы, состоящей из двух или более
фаз.
Структурная
составляющая
–
самостоятельный
(имеющий
характерные
особенности)
обособленный
элемент структуры сплава, различимый при увеличениях в
100-300 раз, например эвтектика, состоящая из нескольких
фаз.
Правило фаз Гиббса: С = К – Ф + 2; при Р=const С = К – Ф + 1,
где С – число независимых переменных (степеней свободы), К – число
компонентов, Ф – число фаз.

3.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Однокомпонентная система: независимые переменные р и Т

4.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Двухкомпонентная (бинарная) система (А+В):
независимые переменные р, Т и ХВ

5.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Твёрдые растворы ̶ фазы, в которых один из компонентов сплава
сохраняет свою кристаллическую решетку, тогда как атомы другого
компонента (или других компонентов) располагаются в этой решетке
Твёрдый раствор замещения
Твёрдые растворы обозначают буквами α, β, γ

6.

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Лекция 5
По
степени
взаимной
растворимости
компонентов твердые растворы замещения делят на
неограниченные и ограниченные.
Необходимыми
условиями
неограниченной
взаимной растворимости металлов являются:
- однотипность (т.е. изоморфность) кристаллических
решеток;
- небольшое различие в атомных радиусах (правило
Юм- Розери), не более 15 %);
-
близость
химических
строения) металлов.
свойств
(электронного

7.

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Лекция 5
Твёрдые растворы, в которых атомы растворённого
компонента занимают строго определённые позиции в
решётке
растворителя,
формируя
тем
самым
собственную подрешётку , называют упорядоченными
твёрдыми растворами или сверхструктурами
Упорядоченные
буквами - α´, β´, γ´
твёрдые
растворы
обозначают

8.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Сверхструктуры
образуют
компоненты
сплава,
находящиеся в соотношении АВ, АВ2, АВ3. При изменении
температуры происходит разупорядочение их структуры
с соответствующим изменением свойств. Температуру
разупорядочения называют точкой Курнакова.

9.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Закон Вегарда:
периоды
элементарных
ячеек твёрдых
растворов
изоморфных
веществ
линейно
зависят
от
концентрации

10.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ

11.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Химические соединения – фазы постоянного
состава,
соотношение
элементов
в
которых
подчиняется правилу валентности:
- с ионным типом связи – оксиды (FeO, CuO, MgO и
т.д.);
- с ионно-ковалентным – сульфиды, фосфиды (ZnS,
AlP и др.);
-c металлическим типом связи – интерметаллиды
(TiNi, CuZr и др.), фазы внедрения (карбиды,
гидриды, нитриды переходных металлов Fe, Сг, Ti, Zr,
Nb и др., если справедливо соотношение Rx/RM < 0,59,
где RM и Rx - атомные радиусы металла и неметалла
соответственно).

12.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Интерметаллиды
типа
АВ2,
характеризующиеся
отношением атомных радиусов 1,1…1,6 называются
фазами Лавеса (NbFe2,TiCr2, AgBe2 и др.);
фазы Юм-Розери (электронные соединения) –
соединения
со строго определённым количеством
электронов, приходящихся на один атом: 3/2, 21/13, 7/4
– CuBe, Cu5Zn8, Cu3Sn).
В отличие от твердых растворов внедрения фазы
внедрения Мy/Хп образуются при значительно более
высоких концентрациях неметалла X и обладают
собственной кристаллической решеткой, которая
отлична от решетки металла М.

13.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Диаграмма состояния – графическое изображение
изменения
равновесного
состояния
сплавов
в
зависимости от их химического состава и температуры.
Система сплавов – совокупность бесконечно большого
числа всех возможных сплавов, которые могут быть
образованы из данных компонентов.
По фазовому признаку различают системы:
- с неограниченной взаимной растворимостью
компонентов,
- системы с ограниченными твёрдыми растворами на
основе компонентов,
- системы с промежуточными фазами;
По типу наиболее важных фазовых превращений:
- эвтектические (эвтектоидные),
- перитектические (перитектоидные) и др.

14.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
конода
Солидус
(массовые %)
Система сплавов с эвтектическим равновесием и
граничными твердыми растворами

15.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Температура ликвидуса – температура, при которой начинается
кристаллизация сплава (заканчивается плавление)
Температура солидуса – температура, при которой заканчивается
кристаллизация сплава (начинается плавление)
Конода - горизонтальный отрезок, проведенный в двухфазной
области диаграммы состояния и определяющий для данной
температуры составы равновесных фаз
Фигуративная («показательная») точка – гипотетическая точка
сплава определённого состава при определённой температуре
Правило рычага (правило отрезков) – методика определения
количества равновесных фаз в структуре двухфазного сплава.
Граничный твёрдый раствор – твёрдый раствор ограниченной
концентрации на основе чистых компонентов
Сольвус – кривая изменения взаимной предельной растворимости
компонентов

16.

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Лекция 5
А
Ха
0
Хn
Хb
Компонент В,%
В
100
Согласно правилу рычага, массовая доля твёрдой
фазы в сплаве Хn при температуреT2 определяется
отношением отрезков an/ab, а жидкой фазы - bn/ab

17.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Диаграммы состояния двойных систем с непрерывным
рядом твёрдых растворов

18.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Кривые охлаждения и диаграмма состояния медь - никель

19.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Бинодальная кривая
Пример
диаграмм
состояния
двойной системы с расслоением
твёрдого раствора

20.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Система сплавов с
эвтектическим
равновесием и
граничными
твердыми
растворами
А
В
X
Xn
Xe
Эвтектическое равновесие: Жв ↔ αа + βв , где Ж- жидкость
(расплав), αа и βв кристаллы твёрдых фаз компонентов
А и В, соответственно

21.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Вторичные кристаллы в структуре металлического
сплава состава X:
а - при медленном охлаждении; б - при ускоренном
охлаждении (видманштеттова структура)

22.

Лекция 5
а
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
б
в
Структура доэвтектического сплава Xn:
а - при эвтектической температуре до начала реакции; б - при
эвтектической температуре после реакции; в - при «комнатной»
температуре

23.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ

24.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Диаграмма состояния двойной системы с перитектическим равновесием
Перитектическое превращение - образование одной из
кристаллических фаз вследствие взаимодействия другой
кристаллической фазы с расплавом

25.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ

26.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Диаграмма состояния железо-углерод с эвтектоидным превращением
(трёхфазная реакция превращения одной твёрдой фазы в две
другие)

27.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Поверхность
перлита

28.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Характер изменения физико-механических свойств сплавов типичных
металлических систем

29.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Тип диаграммы
состояния и
механические
свойства сплавов

30.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Диаграмма состояния Ni-Cu (а) и изменение удельного
электросопротивления ρ и температурного коэффициента
электросопротивления α в зависимости от содержания меди в
сплаве (б)

31.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ

32.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ

33.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Зависимость жидкотекучести L от состава сплавов систем различного типа

34.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ

35.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Схема остановки расплава при заполнении формы
«узкоинтервальным» (а) и «широкоинтервальным» сплавом

36.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Образование усадочной раковины (а) и рассеянной
пористости (б,в) при затвердевании слитка в металлической
изложнице

37.

Лекция 5
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Зависимость объёмной усадки V от состава сплавов систем
различного типа

38.

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Лекция 5
Резюме:
-Диаграммы состояния позволяют качественно
охарактеризовать
многие
физико-химические,
механические и технологические свойства сплавов.
-На основании анализа диаграмм состояния
можно определить, какие именно сплавы и в каком
направлении
свойства
изменяют
при
переходе
свою
к
структуру,
их
неравновесному
состоянию, зависящему от реальных условий
литья,
обработки
давлением
термической обработки.
и
специальной

39.

На рисунке приведена фазовая диаграмма льда. Лёд имеет восемь твердых
фаз различной кристаллической структуры. Согласно современным
представлениям, Ганимед, крупный спутник Юпитера, состоит в основном
из льда. Давление линейно возрастает при увеличении глубины от
поверхности Ганимеда, достигая максимума в 2 ГПа. Вследствие
радиоактивного распада температура в центре Ганимеда составляет около
30°С, а на поверхности она ниже - 100°С. Какие фазы льда имеются на
Ганимеде, если распределение температуры по глубине от поверхности
линейно?

40.

На рисунке приведена фазовая диаграмма льда. Лёд имеет восемь твердых
фаз различной кристаллической структуры. Согласно современным
представлениям, Ганимед, крупный спутник Юпитера, состоит в основном
из льда. Давление линейно возрастает при увеличении глубины от
поверхности Ганимеда, достигая максимума в 2 ГПа. Вследствие
радиоактивного распада температура в центре Ганимеда составляет около
30°С, а на поверхности она ниже - 100°С. Какие фазы льда имеются на
Ганимеде, если распределение температуры по глубине от поверхности
линейно?

41.

Задание
Сплав , соответствующий по составу фигуративной точке 1 охлаждают до
температуры 150 град. С (точка 3 на фазовой диаграмме):
Какие фазы присутствуют в точке 3, состав этих фаз в ат%. (приблизительно)
и их процентное отношение (приблизительно) ?