Правило фаз, построение диаграмм состояния - раздел Образование, МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Процесс Кристаллизации Металлических Сплавов И Связанные С Ни...
Процесс кристаллизации металлических сплавов и связанные с ним многие закономерности строения сплавов описывают с помощью диаграмм фазового равновесия, которые в удобной графической форме показывают фазовый состав и структуру в зависимости от температуры и концентрации. Диаграммы построены для условий равновесия; равновесное состояние соответствует минимальному значению свободной энергии.
Рассмотрение диаграмм состояния позволяет определить фазовые превращения в условиях очень медленного охлаждения или нагрева. Закономерность изменения числа фаз в гетерогенной системе определяется правилом фаз.
Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачкообразно.
При изучении физико-химических равновесий за внешние факторы, влияющие на состояние сплава, принимают температуру и давление. Применяя правило фаз к металлам, можно во многих случаях принять изменяющимся только один внешний фактор – температуру, т. к. давление, за исключением очень высокого, мало влияет на фазовое равновесие в твердом и жидком состояниях. Тогда общие закономерности существования устойчивых фаз, отвечающих условиям равновесия, в математической форме выражаются правилом фаз (правилом Гиббса) и при постоянном давлении описываются следующим уравнением:
С = К + 1 – , (4.1)
где К – число компонентов в системе; – число фаз; С – число степеней свободы (вариантность системы).
Число степеней свободы С – число независимых внутренних переменных (состав фаз) и внешних (температура, давление) факторов, которые можно менять без изменения числа фаз, находящихся в равновесии. При фазовых превращениях в сплавах вновь образующаяся фаза не обязательно должна иметь более низкий уровень свободной энергии, чем исходная, но обязательно в процессе фазового превращения свободная энергия системы, в целом, должна уменьшаться.
По кривым свободной энергии можно геометрическим путем построить основные типы диаграмм состояния. Их строят в координатах температура–концентрация в процентном содержании по массе.
Для построения диаграмм состояния используют термический анализ, разработанный Н. С. Курнаковым. Экспериментально получают кривые охлаждения отдельных сплавов и по их перегибам или остановкам, связанным с тепловыми эффектами превращений, определяют температуру соответствующих превращений. Эти температуры называют критическими точками.
При изучении превращений в твердом состоянии используют различные методы физико–химического анализа, микроанализа, рентгеноструктурного, дилатометрического, магнитного анализов и др.
В жидком состоянии большинство металлов неограниченно растворяются один в другом, образуя однофазный жидкий раствор. Любые фазы, образующиеся в сплаве, отличаются по составу от исходного жидкого раствора, поэтому для образования устойчивого зародыша необходимы не только гетерогенные флуктуации, но и флуктуации концентрации. Флуктуациями концентрации называют временно возникающие в отдельных малых объемах жидкого раствора отклонения химического состава сплава от среднего его состава. Такие флуктуации возникают в результате диффузионного перемещения атомов вещества и вследствие тепловых движений в жидком растворе. Зародыш новой фазы может возникнуть только в тех микрообъемах исходной фазы, состав которых в результате флуктуации концентрации и расположения атомов соответствует составу и строению новой кристаллизующейся фазы.
Скорость роста кристаллов в жидких растворах меньше, чем в чистых металлах. Это объясняется тем, что рост кристаллов требует диффузионного перемещения атомов компонентов в жидком растворе.
Диаграмма состояния разделена линиями на области. Отдельные области могут состоять только из одной фазы, а некоторые – из двух, имеющих разные составы, строение и свойства.
Анализируя диаграмму состояния, можно составить представление о специфике свойств сплавов данной системы компонентов и характере их изменений в зависимости от состава, а также о возможности термической обработки сплавов и температуре нагрева для ее проведения.
Вид диаграммы определяется характером взаимодействий, которые возникают между компонентами в жидком и твердом состояниях.
4.2. Диаграмма состояния для сплавов, образующих смеси из чистых компонентов
Общий вид диаграммы для случая, когда оба компонента сплава в жидком состоянии неограниченно растворимы, а в твердом – не растворяются, не образуют химических соединений и не имеют полиморфных превращений, представлен на рис. 4.1. Фазы: жидкость – Ж, кристаллы – А и В.
Линия начала кристаллизации АСВ является линией ликвидус; линия конца кристаллизации ДСЕ – линией солидус. На линии АС начинают выделяться кристаллы А; на линии СВ – кристаллы В; на линии ДСЕ из жидкости концентрации С одновременно выделяются кристаллы А и В. Эвтектическая смесь двух видов кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкости, называется эвтектикой.
b
c
a
Ж+B
c1
a1
b1
E
B
C
III
Ж+A
II
t3
t3
t3
A+B
A+B
III
II
I
t2t2,
t2t2,
Ж+B
Ж+A
t2t2,
Ж
t1
t1
Д
A
I
t
B
t, 0C
A
A
B, %
τ, c
α
Рис. 4.1. Общий вид диаграммы состояния и кривые охлаждения сплавов: 1 – заэвтектического; 2 – доэвтектического; 3 – эвтектического
На рис. 4.2 схематически показано строение сплава в разные моменты кристаллизации.
Рис. 4.2. Строение сплавов
Имея диаграмму состояния, можно проследить за фазовыми превращениями любого сплава и указать состав и количественное соотношение фаз при любой температуре. Это определяется по правилу отрезков.
Для определения концентрации компонентов в двух фазах через данную точку а (рис. 4.1), характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область. Проекции точек пересечения в и с на горизонтальную ось диаграммы покажут составы фаз в1 и с1. Отрезки этой линии между точкой а и точками в и с, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз:
Ж = ac/bc; B = ab/bc.
Эти правила справедливы для любой двухфазной области диаграммы состояния.
При оценке прочностных и других свойств сплава следует иметь в виду, что часть сплава, которая представлена эвтектикой, имеет более высокую прочность, чем представленная более крупными зернами избыточной фазы.
4.3. Диаграмма состояния для сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии
На рис. 4.3 приведена диаграмма состояния для сплавов с неограниченной растворимостью компонентов друг в друге в жидком и твердом состоянии, имеющих одинаковые типы решеток и сходное строение наружных электронных оболочек.
s
I
M
A
t, 0C
α
A
Ж+α
N
Ж
Ж+α
I
α
t2
t1
Ж
t
B
τ, c
B, %
Рис. 4.3. Общий вид диаграммы состояния и кривая охлаждения сплава
Линия АМВ – линия ликвидус; линия АNВ – линия солидус; фаза α представляет собой твердый раствор компонентов А и В, зерна этой фазы имеют единую кристаллическую решетку, но у сплавов разного состава числа атомов компонентов А и В в элементарных ячейках решетки различно.
В случае ускоренного охлаждения сплава при кристаллизации диффузионные процессы не успевают завершиться. В связи с этим центральная часть каждого зерна оказывается обогащенной более тугоплавким компонентом В, а периферийная – легкоплавким компонентом А. Это явление называется дендритной ликвацией, снижающей прочностные и другие свойства сплавов.
Дендритная ликвация может быть устранена путем длительного отжига, который называется диффузионным. Происходящие при этом диффузионные процессы выравнивают химический состав в зернах.
При образовании твердого раствора временное сопротивление при растяжении, предел текучести и твердость повышаются при сохранении достаточно высокой пластичности. Это объясняется тем, что атомы растворенного элемента группируются в искаженных областях решетки, что мешает продвижению дислокаций.
4.4. Диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии, с эвтектикой
На рис. 4.4 приведена диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью компонентов друг в друге в твердом состоянии, с эвтектическим превращением.
Линия АСВ – линия ликвидус; линия АDCEВ – линия солидус; фаза α является твердым раствором компонента В в А; фаза β представляет собой твердый раствор компонента А в В. Кривые DM и EN отражают характер изменения растворимости в зависимости от температуры. Растворимость компонента В в компоненте А уменьшается с понижением температуры (линия DM). Растворимость компонента А в компоненте В не зависит от температуры (линия EN).
β +( α+β)
α +( α+β)+βII
M
α +βII
α +βII
N
t
D
α
Ж+α
Ж+β
C
II
Ж
E
B
Ж+β
β
Ж
t1
t2
Ж+α
t3
α
I
τ, c
B, %
A
A
I
t, 0C
α +β
Рис. 4.4. Общий вид диаграммы состояния с ограниченной растворимостью
компонентов эвтектического типа и кривая охлаждения сплава
Рассмотрим кристаллизацию сплава Ι. В точке 1 – начало кристаллизации, в точке 2 – конец кристаллизации твердого раствора α. Эти кристаллы не претерпевают изменений до точки 3, лежащей на линии предельной растворимости DM. Ниже этой точки твердый раствор α является перенасыщенным и выделяет избыточные кристаллы β. Кристаллы β, выделившиеся из твердого раствора, называются вторичными кристаллами и обозначаются βΙΙ. Процесс образования вторичных кристаллов из твердой фазы называется вторичной кристаллизацией. Так как линия EN изображена вертикально, то вторичных выделений α-кристаллов не происходит.
Свойства таких сплавов сильно зависят от дисперсности и характера расположения фаз, их тонкого субзеренного строения, величины зерна и т. д.
4.5. Диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии, с перитектикой
На рис. 4.5 показана диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состояния с перитектическим превращением.
t3
I
τ, c
t, 0C
A
A
II
I
Ж+β
E
D
C
Ж+α
α
α +β
β
B, %
α
Ж+α
t2
t2,
Ж+β
t1
Ж
B
Ж
Рис. 4.5. Общий вид диаграммы состояния с перитектическим превращением и характер кристаллизации
Линия АСВ – линия ликвидус; линия АDEВ – линия солидус; линия CDE – линия перитектического превращения. Перитектическое превращение заключается в том, что жидкость реагирует с ранее выпавшими кристаллами и образует новый вид кристаллов.
Рассмотрим кристаллизацию сплава Ι: при понижении температуры в точке 1 происходит выпадение осадков β-раствора, при достижении перитектической горизонтали CDE состав жидкости отвечает точке C, а состав кристаллов – точке E. Обе эти фазы реагируют и дают третью фазу α, концентрация которой определяется точкой D.
Перитектическое превращение происходит по следующей реакции:
ЖС + βE → αD.
Для сплава I перитектическая реакция не приводит к полному затвердеванию, так как наряду с вновь образовавшейся фазой αС сохраняется жидкая фаза:
ЖC + βE → αD + ЖC.
Полное затвердевание сплава произойдет в точке 3, структура сплава будет однофазная.
Для сплава за точкой С перитектическая реакция заканчивается образованием новой α–фазы, но остается избыток β-фазы:
ЖC + βE → αD + βE .
Структура сплава состоит из кристаллов двух типов α- и β-твердых растворов. Получающие смеси характеризуются тем, что фаза, выделившаяся ранее (β-фаза), окружена фазой, выделившейся позднее.
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Учебник Под редакцией доктора технических наук профессора В С Кушнера... УДК... ББК я...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Правило фаз, построение диаграмм состояния
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Учебник
Под редакцией доктора технических наук, профессора В. С. Кушнера
Допущено Учебно-методическим объединени
Строение сплавов
Сплавы – важные вещества, получаемые сплавлением или спеканием двух или нескольких элементов периодической системы, называемых компонентами. Сплав считается металличес
Процесса кристаллизации
Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях – газообразном, жидком и твердом. Изменение агрегатного состояния происходит при определенных температурах. Температура
Процесса кристаллизации
В жидком состоянии атомы вещества вследствие теплового движения перемещаются беспорядочно. В то же время в жидкости имеются группировки атомов небольшого объема, в пределах которых
Превращения в твердом состоянии. Полиморфизм
Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией. Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных
Механические свойства материалов
Способность металла сопротивляться воздействию внешних сил характеризуется механическими свойствами. Поэтому при выборе металла для изготовления деталей машин необходимо знать его м
Деформации и напряжения
Напряжение – мера внутренних сил, возникающих в материале под влиянием внешних воздействий (нагрузок, изменения температуры и пр.). Для изучения напряжений через произвольную
Испытание материалов на растяжение и ударную вязкость
Испытания на растяжение относят к самым распространенным видам механических испытаний, при которых определяется прочность и пластичность материала. Результаты экспериментальных исследований механич
Определение твердости
Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого, материала. Высокой твердостью должны обладать металлорежущие инструменты (резцы, сверла, фрезы
Упругая и пластическая деформации, разрушение
Любая деформация может осуществляться в твердых телах путем относительного смещения атомов. В твердых телах различают упругую деформацию (исчезающую после устранения воздействия, вызвавшего
Наклеп и рекристаллизация
Как следует из диаграмм растяжения, при деформации сталей при комнатной температуре предел текучести увеличивается с ростом деформации, то есть материал в этих условиях упрочняется.
Химические соединения
Данная диаграмма получается, когда сплавляемые компоненты образуют устойчивое химическое соединение АnВm , не диссоциирующее при нагреве впло
Тесты для контроля текущих знаний
1. Металлы в твердом состоянии обладают рядом характерных свойств:
1) высокими теплопроводностью и электрической проводимостью в твердом состоянии;
2) увел
Железоуглеродистых сплавов
5. ДИАГРАММА «ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД (ЦЕМЕНТИТ)»
5.1. Компоненты, фазы и структурные составляющие железоуглеродистых сплавов
Железоуглеродистые сп
Изменения структуры сталей при охлаждении
Большинство технологических операций (термическая обработка, обработка давлением и др.) проводят в твердом состоянии. Ниже рассматриваются превращения, протекающие в железоуглеродис
Изменение структуры чугунов при охлаждении
Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14 % и имеющие в своей структуре цементит называются белыми чугунами.
Рассмотрим превращение в чугунах (рис. 5.4).
ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ
В машиностроительном производстве железоуглеродистые сплавы подразделяются на стали (содержание углерода от 0,02 до 2,14 %) и чугуны (содержание углерода от 2,14 до 6,67 %). Стали п
Отжиг углеродистых сталей
Термическая обработка – самый распространенный в современной технике способ изменения свойств металлов и сплавов. Термообработку применяют как промежуточную операцию для улучшения т
Тесты для контроля текущих знаний
1. Твердый раствор внедрения углерода в Feα называется:
1) цементитом;
2) ферритом;
3) аустенитом;
4) ледебуритом.
Назначение легирования
В данном разделе рассматриваются примеси, вводимые в стали в определенных концентрациях с целью изменения их внутреннего строения и свойств. Такие примеси (элементы) называются легирующими (
И механические свойства сталей
Полиморфные состояния железа при образовании твердых растворов введением легирующих элементов смещаются по температуре. Все легирующие элементы по влиянию на полиморфные состояния ж
Влияние легирования на превращения при термообработке
1. При закалке (нагрев, выдержка, охлаждение со скоростью V>Vкр) углеродистых сталей из переохлажденного аустенита образуется мартенсит. Влияние легирующих элементов н
УПРОЧНЕНИЕ СПЛАВОВ
Интерес к упрочнению материалов обусловлен стремлением к уменьшению их расхода, увеличению прочности, износостойкости, коррозионной стойкости деталей, сопротивления хрупкому разруше
Упрочнение легированием
Формирование благоприятной структуры и надежность работы деталей обеспечивают рациональное легирование, измельчение зерна и повышение качества металла.
Упрочнение при легир
Упрочнение пластическим деформированием
В результате холодной пластической деформации изменяются свойства металла: повышаются прочность, электросопротивление, снижаются пластичность, плотность, коррозионная стойкость. Это явление назы
Упрочнение термическими методами
Температурное воздействие на различные материалы с целью изменения их структуры и свойств является самым распространенным способом упрочнения в современной технике. Это воздействие может осущест
Цементация стали
Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают два основных вида цементации: твердую углеродосодержащую смесь (карбюризаторы) и газов
Азотирование стали
Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом при нагреве ее в аммиаке. Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного
Нитроцементация
Процесс одновременного насыщения стали углеродом и азотом в газовой среде называется нитроцементацией. Нитроцементацию проводят при более низких (850–870 °С) по сравнению с ц
Поверхностное упрочнение
Среди методов поверхностного упрочнения наибольшее распространение получили поверхностная закалка, обработка лазером и электроискровое легирование. При поверхностной закалке
Строительные стали
К строительным относятся конструкционные стали, применяемые для изготовления металлических конструкций и сооружений, для армирования железобетона.
К низколегированным строительным сталям о
Цементуемые (нитроцементуемые) стали
К машиностроительным относят конструкционные стали, предназначенные для изготовления различных деталей машин, механизмов и отдельных видов машин. Для деталей и изделий находят применение дешевые уг
Улучшаемые стали
Для наиболее ответственных тяжелонагруженных деталей машин применяют легированные стали, подвергаемые улучшению, т. е. закалке с высоким отпуском. Эти стали содержат 0,3–0,5% С, 1–6% легирую
Износостойкие стали
К износостойким сталям относится сталь 110Г13Л (сталь Гадфильда). Эта сталь имеет следующий химический состав: 1,25 % углерода, 13 % марганца, 1 % хрома, 1 % никеля. Сталь Гадфильда при низкой нача
Рессорно-пружинные стали
Рессорно-пружинные стали предназначены для изготовления пружин, упругих элементов и рессор различного назначения. Основными требованиями, предъявляемыми к данным сталям, являются высокое сопротивле
Подшипниковые стали
В процессе работы детали подшипников (шарики, ролики, обоймы) испытывают высокие удельные знакопеременные нагрузки.
Стали для подшипников должны обладать высокой твёрдостью и износостойкос
Автоматные стали
Обработка резанием – основной способ изготовления большинства деталей машин и приборов. Обрабатываемость стали зависит от ее механических свойств, теплопроводности, микроструктуры и химического сос
Коррозионная стойкость сталей и сплавов
Коррозия – это термин, используемый для обозначения широкого класса видов нежелательного повреждения металла в результате его химического или электрохимического взаимодействия с окруж
Коррозионностойкие стали
Коррозионностойкими (нержавеющими) называют металлы и сплавы, в которых процесс коррозии развивается с малой скоростью. Коррозионностойкие стали применяют для изготовления деталей машин и об
Жаропрочные стали и сплавы
Жаропрочные стали и сплавы применяют для многих деталей котлов, газовых турбин, реактивных двигателей, ракет, атомных устройств и т. д., работающих при высоких температурах.
Жаростойкие стали и сплавы
Жаростойкость – способность металла сопротивляться окислению в газовой среде или в других окислительных средах при повышенных температурах. Жаропрочные сплавы в принципе долж
Инструментальные легированные (штамповые) стали
В качестве инструментальных материалов для горячего деформирования применяют легированные инструментальные стали (штамповые стали), которые условно можно разделить на три основные группы:
Режущие инструментальные и быстрорежущие стали
Для режущих инструментов применяются высоколегированные быстрорежущие стали, а также, в небольших количествах, заэвтектоидные углеродистые стали с содержанием углерода 1,0–1, % и су
ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ
14.1. Классификация твердых сплавов и общая характеристика их свойств
Применение методов порошковой металлургии в начале 1920-х годов в Германии приве
Режущая керамика
Среди исследовавшихся материалов, которые были бы пригодны для изготовления режущих инструментов, была окись алюминия Al2О3 – корунд. Корунд по своей природе –
Сверхтвердые инструментальные материалы
Сверхтвердыми принято считать инструментальные материалы, имеющие твердость при комнатной температуре НV свыше 35 ГПа.
Самый твердый материал на Земле, который издавна прим
Абразивные материалы
При абразивной обработке применяются инструменты на жесткой основе (круги, сегменты, бруски), на гибкой основе (эластичные круги, шкурки, ленты), а также пасты и абразивные зерна. А
Тесты для контроля текущих знаний
1. Какая из сталей относится к автоматным:
1) 40А;
2) А12;
3) 08пс;
4) 18ХГТ.
2. Какая из сталей относится к подшипниковым:
Титан и его сплавы
Важнейшее преимущество титана и титановых сплавов перед другими конструкционными материалами – это высокая удельная прочность и жаропрочность в сочетании с хорошей коррозионной стой
Алюминий и его сплавы
Алюминий – металл серебристо-белого цвета, имеет кристаллическую ГЦК решетку, температуру плавления 660 °С, удельный вес 2,7 г/см3, обладает высокой электропроводностью и
Магний и его сплавы
Магний – металл светло-серого цвета, обладающий наименьшим удельным весом среди металлов – 1,74 г/см3. Имеет гексагональную кристаллическую решетку. Температура плавления – 651°С. Несмот
Полимеры и пластмассы
Полимеры (от греческого polymeres – состоящий из многих частей, многообразный, от poly – много и meros – доля, часть) – соединения с высокой молекулярной массой, молекулы которых состоят из
Резиновые и клеящие материалы
Резиной (от латинского resina – смола) называется продукт специальной обработки (вулканизации) смеси каучука и серы с различными добавками (наполнители, пластификаторы, активаторы вулканизац
Композиционные материалы
Композиционными материалами, или композитами, называют материалы, состоящие из сильно различающихся по свойствам друг от друга, взаимно нерастворимых компонентов.
Тр
Композиционные материалы с металлической матрицей
К этому виду композиционных материалов относятся материалы типа САП (спеченная алюминиевая пудра), которые представляют собой алюминий, упрочненный дисперсными частицами оксида алюминия. Алюминиевы
Композиционные материалы с неметаллической матрицей
Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение в промышленности. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полим
Тесты для контроля текущих знаний
1. Титан имеет две полиморфические модификации. При какой температуре происходит полиморфное превращение?
1) 950 °С.
2) 882,5 °С.
3) 911 °С.
4) 768 °С.
, (4.1)
Новости и инфо для студентов