ответы на материаловедение 2 семестр. матвед экзамен. 1. Типы межатомных связей и их влияние на свойства материалов
 Скачать 4.93 Mb.
|
Рисунок 1 — Микроструктура механической смеси 14)ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ. В учебнике страница 75! Диаграммы состояния представляют собой графическое изображение фазового состояния сплавов данной системы в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Диаграммы состояния строят при условии равновесия системы. Равновесным называется такое состояние, при котором все процессы, характерные для сплавов данной системы, прошли полностью, и с течением времени структура сплавов, а, следовательно, и их свойства, не изменяются. Равновесное состояние соответствует минимальному значению свободной энергии системы. Такое состояние может быть достигнуто при малых скоростях охлаждения или нагрева. Поэтому с помощью диаграмм состояния сплавов можно исследовать фазовые и структурные превращения, происходящие в сплавах при медленном нагреве или охлаждении. Система, находящаяся в неравновесном состоянии всегда стремится к равновесному, поэтому структура и свойства сплавов такой системы изменяются с течением времени. Диаграммы состояния сплавов строят в координатах «температура – концентрация компонентов». Температуру откладывают по оси ординат, а концентрацию компонентов – по оси абсцисс. Общее содержание компонентов в сплаве равно 100%, каждая точка на оси абсцисс соответствует определенному содержанию обоих компонентов. Например, точка С (рис.5.1) характеризует сплав, в котором содержится 40% компонента В и 60% компонента А, а точка Д – сплав, в котором 60% компонента В и 40% компонента А. Для построения диаграмм состояния сплавов используют метод термического анализа. Он заключается в экспериментальном построении кривых охлаждения сплавов известного состава, с помощью которых определяют критические точки сплава. Кривые охлаждения строятся в координатах «время – температура». Данные получают путем измерения температуры охлаждающегося сплава через определенные отрезки времени. Охлаждение сплава должно быть медленным, это обеспечивает его равновесное состояние при всех температурах. Критическими точками называются температуры, при которых происходят структурные превращения в сплавах. На кривых охлаждения сплавов они выявляются в виде перегибов или площадок, свидетельствующих об изменении темпов охлаждения (они замедляются), что связанно с тепловыми эффектами, сопровождающими превращения – выделением скрытой теплоты кристаллизации. Простейшие диаграммы состояния двухкомпонентных систем можно разделить на три основных типа: Это диаграммы сплавов, компоненты которых которые в твердом состоянии образуют смеси, твердые растворы и химические соединения. 15) ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ, КОМПОМНЕНТЫ КОТОРЫХ В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ ОБРАЗУЮТ СМЕСИ В учебнике страница 76(все рисунки там) Рассмотрим построение этой диаграммы на примере системы «свинец–сурьма» Кривые охлаждения компонентов и сплавов представлены на рис.5.2. Процесс кристаллизации компонентов сплава (чистых металлов) рассмотрен на примере свинца. До т.1 на кривой охлаждения (рис.5.2,а) свинец находится в жидком состоянии. При температуре, соответствующей т.1, начинается кристаллизации свинца, которая заканчивается через интервал времени, соответствующий отрезку 1–1'. Появление на кривой охлаждения горизонтального участка 1–1', свидетельствует о том, что процесс кристаллизации проходит при постоянной температуре. После окончания кристаллизации происходит охлаждение свинца в твердом состоянии (участок 1' – 2 кривой охлаждения). Аналогично происходит кристаллизация сурьмы. Отличие заключается только в температуре кристаллизации. При постоянной температуре происходит также кристаллизация сплава с 13% сурьмы (рис.5.2,г). Все остальные сплавы кристаллизуются в интервале температур. Рассмотрим процесс кристаллизации сплава с 5%Sb и 95%Pb. До т.1 сплав находится в жидком состоянии. В т.1 начинается кристаллизация сплава с выделения из жидкости кристаллов Pb. При этом происходит изменение концентрации компонентов в жидкой фазе, а именно, повышение в жидкости содержания сурьмы. В т.2, как показывают результаты химического анализа, в жидкой фазе содержится 13% Sb и 87%Pb . При этой температуре (246°С) происходит кристаллизация оставшейся жидкости по определенному механизму: из жидкости одновременно выделяются две твердые фазы – кристаллиты Sb и Pb. Это означает, что в данном сплаве при температуре 246°С (т.2) одновременно существуют три фазы: жидкая фаза, и выделяющиеся из нее кристаллиты свинца и сурьмы. Это соответствует участку 2 – 2' кривой охлаждения. После окончания кристаллизации (т2') сплав охлаждается в твердом состоянии. Аналогично протекает процесс кристаллизации других сплавов данной системы. После получения экспериментальным путем значений температуры критических точек для ряда сплавов приступают непосредственно к построению диаграммы состояния. Для этого на оси абсцисс отмечают точки, соответствующие составам исследованных сплавов и указывают температуры начала и конца кристаллизации этих сплавов. Соединив температуры начала кристаллизации сплавов с температурами кристаллизации чистых компонентов, получим линию, которая называется ликвидус. Выше нее все сплавы находятся в жидком состоянии. Соединив точки окончания кристаллизации сплавов, получим линию солидус, ниже которой все сплавы находятся в твердом состоянии. Линию солидус не следует проводить до осей ординат, т.к. всегда существует некоторая весьма малая взаимная растворимость компонентов системы (области, ограниченные пунктирными линиями), которой обычно пренебрегают. Фазовая диаграмма системы «свинец–сурьма» приведена на рис.5.3. Выше линии ликвидус существует только жидкая фаза. Ниже линии солидус жидкая фаза отсутствует, сплав находится в твердом состоянии в виде смеси кристаллитов Sb и Pb. В областях между линиями ликвидус и солидус присутствуют и жидкость, и кристаллиты избыточного компонента. Избыточным является компонент, содержание которого в сплаве больше, чем в сплаве с 13%Sb и 87%Pb (так для сплава с 5%Sb и 95%Pb избыточным является Pb, его содержание превышает 87%, а для сплава с 25%Sb и 75%Pb, избыточный компонент – Sb, ее содержание выше 13%). Фазовые диаграммы не дают представления о структуре сплавов, а, следовательно, не позволяют судить об их свойствах. Более полную информацию о сплавах дают структурные диаграммы состояния. Для преобразования фазовой диаграммы в структурную необходимо рассмотреть превращения, которые происходят в характерных сплавах данной системы. На приведенной диаграмме состояния системы «свинец–сурьма» можно выделить три таких сплава: сплав I, в котором концентрация сурьмы менее 13%; сплав II, в котором содержание сурьмы равно 13% и сплав III, концентрация сурьмы в котором более 13%. Рассмотрим превращения в этих сплавах при медленном охлаждении. Сплав I. До точки 1 сплав находится в жидком состоянии. В т.1 начинается кристаллизация сплава. Из жидкой фазы выделяются центры кристаллизации – очень мелкие кристаллы свинца. По мере охлаждения сплава в интервале температур от т.1 до т.2 происходит рост выделившихся центров кристаллизации и образование новых центров кристаллизации в жидкой фазе. Этот процесс приводит к обеднению жидкости свинцом и к повышению в ней концентрации сурьмы. В т.2, как показывают данные опыта, в жидкой фазе содержится 13% сурьмы и 87% свинца. В этой точке кристаллизация сплава заканчивается одновременным выделением из оставшейся жидкости кристаллитов сурьмы и свинца. Размеры этих кристаллитов значительно меньше размеров зерен свинца, которые кристаллизовались раньше в интервале температур 1–2. Структуру, состоящую из двух или более твердых фаз, одновременно кристаллизовавшихся из жидкости при постоянной, самой низкой для данной системы сплавов температуре, называют эвтектикой, что в переводе с греческого означает легко плавящаяся. После полного охлаждения структура сплава I будет состоять из достаточно крупных зерен свинца и эвтектики, представляющей смесь мелких кристаллитов свинца и сурьмы (рис. 5.4,а). Сплав II. Температуры начала и конца кристаллизации этого сплава совпадают. До т.2 сплав находится в жидком состоянии. В т.2 из жидкости одновременно кристаллизуются свинец и сурьма, образуя смесь двух твердых фаз – эвтектику. Структура этого сплава показана на рис. 5.4,б. Сплав III. Кристаллизация этого сплава протекает также, как и сплава I. Отличие заключается в том, что в интервале температур от т.1 до т.2 из жидкости выделяются зерна сурьмы, а не свинца, как в первом сплаве. Структура этого сплава состоит из зерен сурьмы и эвтектики (рис.5.4,в). Заполнив полученными структурами соответствующие области, получаем структурную диаграмму состояния сплавов системы «свинец–сурьма», представленную на рис.5.5. Сплав, содержащий 13% сурьмы и 87% свинца, называется эвтектическим, сплавы с меньшим содержанием сурьмы – доэвтектические, а с большим содержанием сурьмы – заэвтектические. 16) АНАЛИЗ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ. Учебник! Страница 81 17) ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ, КОМПОНЕНТЫ КОТОРЫХ ОБРАЗУЮТ В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ Учебник, страница 82-88(слова те же, но там картинки) Диаграммы состояния сплавов, компоненты которых образуют твердые растворы неограниченной растворимости. Диаграмма состояния для случая полной взаимной растворимости компонентов А и В в жидком и твердом состояниях представлена на рис.5.6. Линия AmB является линией ликвидус, а линия AnB – линией солидус. Выше линии ликвидус существует только жидкая фаза, а ниже линии солидус – только твердая, представляющая собой твердый раствор a. Между линиями ликвидус и солидус в равновесии находятся две фазы – жидкость и a–твердый раствор. Рассмотрим процесс кристаллизации одного из сплавов данной системы. До т.1 сплав находится в жидком состоянии. Начиная от т.1 из жидкости начинает кристаллизоваться a–твердый раствор. В процессе охлаждения сплава в интервале 1–2 происходит изменение концентрации компонентов в фазах и количественного соотношения фаз: химический состав жидкой фазы изменяется по линии 1–L; химический состав a–твердого раствора – по лини S–2; количество жидкой фазы уменьшается , а твердой возрастает. При достижении т.2 кристаллизация сплава заканчивается, ниже т.2 происходит охлаждение сплава в твердом состоянии. Внутрикристаллитная ликвация. Это вид ликвации проявляется в неоднородности состава внутри отдельных кристаллитов. Кристаллы твердого раствора, образующиеся в начальный момент кристаллизации, содержат большее количество тугоплавкого компонента В, чем слои, присоединяющиеся к выделившемуся кристаллу при понижении температуры. В них концентрация тугоплавкого компонента постепенно снижается. Это легко проследить по диаграмме состояния, определяя изменение состава a–твердого раствора в интервале температур между линиями ликвидус и солидус. Этот вид ликвации проявляется тем сильнее, чем больше расстояние между линиями ликвидус и солидус сплава. Внутрикристаллитная ликвация может быть уменьшена в результате продолжительной выдержки сплава, находящегося в твердом состоянии, при высоких температурах, близких к температуре солидуса, что обеспечивает достаточно высокую скорость диффузии и приводит к выравниванию химического состава зерен. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой образуют твердые растворы ограниченной растворимости. Ограниченная растворимость компонентов в металлических сплавах встречается гораздо чаще, чем неограниченная. На диаграмме (рис.5.7) линия АЕВ – линия ликвидус, линия АDСВ – линия солидус. В этой системе образуются фазы, представляющие собой твердые растворы – a (В в А) и b (А в В). Области их существования прилегают к соответствующим компонентам – область a–твердого раствора, в котором растворителем является компонент А, прилегает к этому компоненту; b – к компоненту В. Предельная растворимость компонента В в А определяется линией DF, а предельная растворимость А в В линией CG. Процессы кристаллизации ряда сплавов данной системы такие же, как у сплавах, компоненты которых образуют твердые растворы неограниченной растворимости. Это сплавы, находящиеся на диаграмме левее точки F и правее точки G (при кристаллизации последних выделяется b–твердый раствор). Они имеют однофазную структуру. Кристаллизация сплавов, расположенных на диаграмме состояния в интервалах от точки F до проекции на ось концентраций точки D и от точки G до проекции точки Е отличается от рассмотренной ранее. Рассмотрим процесс кристаллизации одного из сплавов, принадлежащего названным областям (сплав I). Выше точки 1 сплав находится в жидком состоянии. В т.1 начинается кристаллизация сплава с выделения из жидкости кристаллов a–твердого раствора. По мере понижения температуры от т.1 до т.2 концентрация компонентов в жидкой фазе изменяется по линии 1–в, а в a–твердом растворе по линии а–2, количество жидкой фазы при этом уменьшается, а твердой возрастает. В т.2 кристаллизация сплава заканчивается, структура сплава ниже этой точки состоит только из зерен a–твердого раствора, концентрация компонентов в котором такая же, как в сплаве (т.е. химические составы сплава и a–твердого раствора совпадают). До т.3 превращений не происходит, продолжается охлаждение сплава, находящегося в твердом состоянии. Ниже т.3 из a–твердого раствора начинают выделяться кристаллы b–твердого раствора, которые укрупняются по мере охлаждения сплава. Процесс выделения b–фазы объясняется тем, что при понижении температуры растворимость компонента В в a–твердом растворе уменьшается, на что указывает линия DF. Избыток этого компонента выделятся в виде b–фазы. Структура таких сплавов после окончательного охлаждения состоит из двух фаз. Кристаллы b–твердого раствора, выделяющиеся из a–твердого раствора, называются вторичными и обозначаются bII, в отличие от кристаллов, выделяющихся из жидкости, которые называются первичными. Структура сплава после полного охлаждения приведена на рис.5.8. Аналогичные процессы будут происходить при кристаллизации сплавов, расположенных на диаграмме состояния в интервале «G – проекция Е», но здесь вторичными будут кристаллы a–фазы – a II. Кристаллизация сплавов, расположенных на диаграмме состояния в интервале «D – Е», происходит с образованием эвтектики (аналогично рассмотренной в системе «свинец – сурьма»). Отличие состоит в том, что в рассматриваемой системе эвтектика состоит из смеси твердых растворов a и b, а не чистых компонентов. На линии D – Е происходит эвтектическое превращение: LЕ®aD +bС. (индекс обозначает состав соответствующей фазы: состав жидкости соответствует проекции точки Е, состав a–фазы – проекции точки D , состав b–фазы – проекции точки С). 18. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых образуют в твёрдом состоянии устойчивые химические соединения. Диаграмму с устойчивым химическим соединением можно разделить на две части. На одной части диаграммы будут присутствовать сплавы, образованные компонентом А и химическим соединением  , а на другой – химическим соединением и компонентом В. В этом случае химическое соединение выступает в роли одного из компонентов. Каждая часть диаграммы представляет собой диаграмму состояния сплавов, компоненты которой образуют в твердом состоянии твердые растворы с ограниченной растворимостью компонентов (рис.5.9). Превращения в сплавах, компоненты которых образуют диаграммы такого типа, рассмотрены выше.Химическое соединение характеризуется определенным соотношением компонентов, а это отражается на диаграмме вертикальной линией, проходящей на оси абсцисс через точку, отвечающую соотношению компонентов в химическом соединении. Если компоненты А а В образуют химическое соединение АпВm, то, следовательно, на n+ m его атомов приходится п атомов A и m атомов В. Определенному атомному соотношению соответствует и определенное соотношение по массе.  |