3.Лекция ф4

1. ЛЕКЦИЯ №3 «Металлические сплавы»

Вопросы лекции:
1. Диаграммы состояния сплавов.
2. Зависимости академика
Н.С.Курнакова.

2.

1. Диаграммы
состояния сплавов

3.

Металлический сплав - вещество,
получаемое в результате взаимодействия
двух
или
нескольких
элементов,
обладающее свойствами металлов.
Основу любого металлического сплава
составляют металлы. Составной частью
может быть любой химический элемент
(металл или не металл), а также
химическое соединение.

4. Способы получения сплавов

• Сплавление элементов (веществ).
• Смешивание
твёрдых
частиц.
прессование
и
их
последующее
спекание при высоких температурах
(порошковая металлургия).
• Проникновение одного вещества в
другое твёрдое вещество при высоких
температурах (диффузионный метод).
• Кристаллизация из паров в вакууме.
• Плазменное напыление.
• Электролиз.

5.

Компонентами
сплава
называются
вещества, необходимые и достаточные для
образования системы. Компонентами могут
быть чистые элементы (металлы и неметаллы),
а также устойчивые химические соединения.
Все процессы, протекающие в сплавах в
зависимости от температуры и концентрации,
находят отражение в диаграмме состояния.
Диаграммой
состояния
называется
графическое
изображение
равновесных
состояний сплава, показывающее фазовый
состав сплавов в зависимости от температуры
и концентрации компонентов.

6.

Диаграмма состояния строится в координатах:
концентрация – температура. По оси абсцисс
откладывается концентрация в процентах.
ОСЬ КОНЦЕНТРАЦИЙ

7. Построение диаграмм состояния

Сплавы
с
различной
концентрацией
компонентов нагревают до жидкого состояния,
и медленно охлаждают. Строятся графики
зависимости изменения температуры сплавов
от времени (кривые охлаждения).
Анализ построенных графиков позволяет
определить
температуры
фазовых
превращений для каждой концентрации сплава
(критические точки):
• температуру начала кристаллизации Т1
• температуру конца кристаллизации Т2.

8.

9.

Линию, проведенную через геометрическое
место точек, соответствующих температурам
начала кристаллизации Т1, называют линией
ликвидуса (от латинского liguidus — жидкий).
Выше этой линии все сплавы данной системы
находятся в жидком состоянии.
Линию, проведенную через геометрическое
место точек, соответствующих температурам
конца кристаллизации Т2, называют линией
солидуса (от латинского solidus — твердый).
Ниже этой линии все сплавы данной системы
находятся в твердом состоянии.

10.

Для диаграмм состояний разных сплавов,
формы кривых линий ликвидуса и солидуса
могут
быть
различными
(выпуклыми,
вогнутыми). Эти линии служат линиями
раздела фаз.
Фазой
называется
однородная
по
химическому составу и кристаллическому
строению часть системы, отделенная от других
частей поверхностью раздела.
При переходе через поверхность раздела
может скачкообразно меняться химический
состав,
агрегатное
состояние,
или
кристаллическая структура вещества. Фазами
могут быть чистые металлы и неметаллы,
возможные их аллотропические модификации,
химические соединения, жидкие и твердые
растворы.

11.

При образовании сплава атомы компонентов
вступают в определенные взаимодействия друг
с другом. В жидком состоянии большинство
металлических сплавов представляют собой
жидкие растворы , т.е. однородные жидкости.
По
характеру
физико-химического
взаимодействия
компонентов
различают
сплавы 3-х основных типов:
• механические смеси;
• твердые растворы;
• химические соединения
(промежуточные фазы).

12.

Механическая смесь – это такая
кристаллическая структура, в которой
компоненты, образующие сплав, сохраняют
свои кристаллические решётки.
Условия образования:
• разный тип кристаллической решётки:
• значительно отличаются размеры атомов:
• различная валентность.

13. Диаграмма состояния сплава, состоящего из компонентов А и В, образующих механическую смесь

14.

Концентрация сплава, при которой он
имеет
самую
низкую
температуру
плавления, а процессы
плавления (при
нагреве) и кристаллизации (при охлаждении)
протекают при постоянной температуре,
называется эвтектической, а сплав
эвтектическим (по-гречески «эвтектика» хорошо
плавящейся).
Структура
эвтектического
сплава
–
тонкая
механическая смесь, обычно пластинчатой
формы,
которая
носит
название
«эвтектика».

15.

Твёрдым раствором называется
кристаллическая структура, в которой
один
компонент
сохраняет
свою
кристаллическую решётку, а второй её
утрачивает, размещаясь в решётке
компонента растворителя.
При образовании твёрдых растворов:
• Увеличивается электросопротивление
• Уменьшается пластичность
• Повышается твёрдость и прочность

16.

Твёрдые растворы делятся на:
• Твёрдые растворы замещения
• Твёрдые растворы внедрения

17.

В твёрдых растворах замещения
атомы
растворённого
компонента
размещены в узлах кристаллической
решётки компонента растворителя.

18.

Твёрдые растворы замещения могут
иметь неограниченную и ограниченную
растворимость.
Условия образования сплавов
неограниченной растворимости:
- одинаковый тип кристаллической решётки;
- различие атомных радиусов не более 15%;

19.

Примеры сплавов «твёрдый раствор
замещения неограниченной растворимости»
«медь – золото» , «медь – никель»
« −железо – хром», « −железо – никель»
Примеры сплавов «твёрдый раствор
замещения ограниченной растворимости»
« −железо – никель» , « −железо - хром»

20.

Упорядоченные
твёрдые
растворы
замещения неограниченной растворимости–
сплавы в которых атомы компонентов
размещаются в определённом порядке.
Сплавы «золото – медь»
AuCu
неупорядоченный
AuCu3
упорядоченные

21.

Переход из неупорядоченного состояния в
упорядоченное происходит при медленном
охлаждении ниже температуры называемой
точкой Курнакова, обозначаемой к, при
этом изменяются свойства:
• Возрастают электропроводность, твёрдость
и прочность;
• Снижается пластичность сплава;
• У ферромагнитных сплавов изменяются
магнитные свойства (некоторые сплавы в
неупорядоченном состоянии парамагнитны, а
после
упорядочивания
становятся
ферромагнитны).

22.

В твёрдых растворах внедрения
атомы
растворённого
компонента
размещены в межузельном пространстве
кристаллической решётки компонента
растворителя.
замещение
внедрение

23.

Твёрдые
растворы
внедрения
всегда имеют ограниченную растворимость.
Твердые растворы внедрения возникают при
сплавлении переходных металлов с неметаллами,
имеющими малый атомный радиус – водородом,
азотом, углеродом и бором.
Примером твердых растворов внедрения,
имеющих промышленное значение, являются
твердые растворы внедрения углерода в α и γ
железе. Так, Feγ с КГЦ решеткой растворяет до
2,14% углерода, Feα с КОЦ решеткой практически
его не растворяет ( максимальная растворимость
составляет 0,02%).

24. Диаграмма состояния сплава, состоящего из компонентов А и В, образующих твёрдый раствор неограниченной растворимости

25. Диаграмма состояния сплава, состоящего из компонентов А и В, образующих твёрдый раствор ограниченной растворимости

26. Химическое соединение

В химическом соединении
кристаллическая
решетка отличается от кристаллических решеток
компонентов.
Образование нового типа кристаллической
решетки
является
основным
признаком,
отличающим
химическое
соединение
от
остальных видов сплава.
В
кристаллической
решетке
химического
соединения атомы компонентов, как правило,
занимают определенные места, химические
соединения
выражаются
определенной
химической формулой, имеют определенную
температуру плавления.

27. Диаграмма состояния сплава, состоящего из компонентов А и В, образующих химическое соединение

28.

Диаграмма
состояния
сплавов,
образующих
химическое
соединение
характеризуется наличием вертикальной
линии, соответствующей соотношением
компонентов в химическом соединении
AmBn.
Эта линия делит диаграмму на две
части, которые можно рассматривать как
самостоятельные диаграммы сплавов,
образуемых одним из компонентов с
химическим соединением.

29.

Компоненты и фазы в системе
«железо –углерод»
Компоненты
Железо — полиморфный элемент,
пластичный
металл серебристо-белого цвета с невысокой твердостью
(НВ 80). Температура плавления — 1539 °С, плотность
7830 кг/м3. Имеет полиморфные модификации. С
углеродом железо образует химическое соединение и
твердые растворы.
Углерод – полиморфный элемент, существующий в
двух модификациях: графит и алмаз. При нормальных
условиях стабилен графит, алмаз представляет собой его
метастабильную модификацию. При высоких температурах
и давлениях стабильным становиться алмаз.

30.

Фазы системы:
• жидкий раствор;
• феррит;
• аустенит;
• цементит;
• графит.

31. Феррит - твердый раствор внедрения углерода в  - железе - Fе(C).

Феррит - твердый раствор внедрения
углерода в - железе - Fе (C).

32.

феррит
• низкотемпературный (до t= 911 °С)
• высокотемпературный (от t= 1392 °С до t= 1539 °С )
Максимальная концентрация углерода в феррите:
низкотемпературном
высокотемпературном
0,02 % (при t= 727 °С)
0,1% (при t= 1499 °С)
Феррит – мягкая пластическая фаза со следующими
механическими свойствами:
предел прочности - 300МПа;
относительное удлинение - 40%;
твёрдость = 80-100 НВ;
ударная вязкость (КСU) = 2,5МДж/м2.

33.

Аустенит - твердый раствор внедрения
углерода в - железе. Fе (C).

34.

Максимальная концентрация углерода
в аустените:
2.14% (при t= 1130 °С)
Аустенит пластичен, но более прочен
феррита. Парамагнитен.
твёрдость = 160-220 НВ (при t= 20-25 °С) ;

35.

Цементит – карбид железа (Fe3C).
Имеет
сложную
ромбическую
кристаллическую решетку. Содержит
6,67%
углерода.
Характеризуется очень высокой твердостью
(НВ 800), крайне низкой пластичностью и
хрупкостью.
Графит
–
углерод, выделяющийся в
железоуглеродистых сплавах в свободном
состоянии.
Имеет
гексагональную
кристаллическую
решетку. Электропроводен, химически стоек,
малопрочен, мягок.

36. Эвтектические сплавы системы

Перлит
—
это
механическая
(эвтектоидная)
смесь
феррита
с
цементитом. Fе (C) + Fе3C.
Содержит 0,8 % углерода, образуется из
аустенита при температуре 727 °С.
Строение перлита:
- пластинчатое, т.е. зерна состоят из
чередующихся
пластинок
феррита
и
цементита.
- зернистое, если цементит в виде зёрен.

37. Зернистый перлит

38.

Свойства:
• предел прочности - 800 – 900 МПа;
• предел текучести - 450 МПа;
• Пластичен, относительное удлинение менее 16%;
• твёрдость =180-220 НВ;

39.

Ледебурит - эвтектическая смесь аустенита с
цементитом. Содержит 4,3% углерода, образуется
из жидкого сплава при температуре 1147 °С.
При температуре 727 °С аустенит, входящий в
состав ледебурита превращается в перлит и ниже
этой температуры ледебурит представляет собой
механическую смесь перлита с цементитом.
• твёрдость более 600 НВ;
• пластичность ноль.
Присутствие ледебурита в структуре сплавов
обусловливает их неспособность к обработке
давлением и затрудняет обработку резанием.

40. Диаграмма состояния «железо –цементит».

Диаграмма
состояния
«железо
–
цементит» характеризует фазовый состав
и превращения в системе «Fe-Fe3C».
Буквенное
обозначение
точек
диаграммы
принято
согласно
международному стандарту и изменению
не подлежит.

41. Точки диаграммы:

А – определяет температуру плавления
чистого железа - 1539°С.
D - определяет температуру плавления
цементита - 1260°С.
N,
G
–
соответствуют
температурам
полиморфных превращений железа (1392,
911°С).
Н и Р – характеризуют предельную
концентрацию
углерода
соответственно
в
высокотемпературном и низкотемпературном
графите(1499, 727°С).
Е – определяет наибольшую концентрацию
углерода в аустените (1147°С).

42.

Превращения в сплавах системы «железо –
цементит» происходят как при затвердении
жидкой фазы, так и в твёрдом состоянии.
Первичная кристаллизация идёт в интервале
температур, определяемых линиями ликвидус и
солидус.
Линия АВСД - линия ликвидус. На ней
начинается кристаллизация:
• на участке АВ — феррита,
• на участке ВС — аустенита,
• на участке СД — первичного цементита.
Линия AHJECF - линия солидус.

43.

Вторичная кристаллизация вызвана:
• полиморфным превращением железа,
• переменной
растворимостью
углерода
в
аустените
и
феррите
(при
понижении
температуры растворимость уменьшается).
Избыток углерода из твёрдых растворов
выделяется в виде цементита.
Выделяющийся цементит называют:
из жидкого расплава - первичным (линия CD),
из аустенита – вторичным (линия ES),
из феррита – третичным (линия PQ).

44. В системе «железо – цементит» происходит три изотермических превращения:

- перитектическое превращение
на линии HJB (1499 °С):
Ф + Ж А
- эвтектическое превращение
на линии ECF (1147 °С):
Ж А+Ц
- эвтектоидное превращение
на линии PSK (727 °С):
А Ф+Ц

45. Стали и чугуны

Железоуглеродистые
сплавы
в
зависимости от содержания углерода
делятся на:
• техническое железо (до 0,02 % С),
• сталь (от 0,02 до 2,14 % С),
• чугун (от 2,14 до 6,67 % С).

46.

3. Зависимости
академика
Н.С.Курнакова

47.

Свойства металлических сплавов зависят от
химического состава и структуры, которая в свою
очередь,
определяется
характером
взаимодействия компонентов сплава между собой.
Характер
взаимодействия
компонентов
(зависящий от их концентрации) определяет вид
диаграммы состояния сплава.
Н.С. Курнаков экспериментально установил
зависимость между типом диаграммы состояния и
свойствами сплавов.

48.

49.

1. В сплавах, образующих механическую смесь
свойства
в
зависимости
от
концентрации
компонентов изменяются по линейному закону.
2. В сплавах типа «твёрдый раствор»
неограниченной
растворимости
свойства
в
зависимости
от
концентрации
компонентов
изменяются по криволинейному закону.
3. В сплавах типа «твёрдый раствор»
ограниченной растворимости свойства в зоне
твёрдых растворов изменяются по криволинейному
закону, в зоне механической смеси по линейному
закону.
4. Свойства сплавов в состав которых входят
химические соединения имеют максимальные
значения
при
концентрации
компонентов,
соответствующей химическому соединению.

50.

задание на самоподготовку:
• повторить материал: [1] с. 99-140, [2] с.
193-196 и дополнить конспект;
• зарисовать диаграммы состояния
сплавов и зависимости Курнакова;
• подготовиться к ЛР.