Фазовый состав металлов. Фазовый состав сплавов 1 Фазовый состав сплавов

• Название: Фазовый состав сплавов 1 Фазовый состав сплавов
• Анкор: Фазовый состав металлов
• Дата: 26.11.2021
• Размер: 1.54 Mb.
• Имя файла: 4_Fazovyi_774_sostav_splavov.ppt
• Тип: Документы; #282776

Министерство науки и высшего образования
Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное высшего образования
«Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева»
Кафедра инновационных материалов и защиты от коррозии


Фазовый состав сплавов


1


Фазовый состав сплавов


Термин «сплав» в настоящее время имеет более широкое значение, чем во время его появления.
Если раньше промышленные материалы, со­держащие несколько элементов, получали преимущественно путем сплавления, то сейчас для этого используют различные технологические спо­собы:
- порошковую металлургию (прессование твердых частиц и их по­следующее спекание при высоких температурах);
- диффузионный метод (проникновение одного вещества в другое твердое вещество при высоких температурах);
- плазменное напыление;
- кристаллизацию из паров в ваку­уме;
- электролиз и т.д.


2


3


Компонентами металлических сплавов могут быть не только металлы, но и неметаллы. В зависимости от числа компонентов сплавы могут быть двойные, тройные и т.д.
Преимущественное использование в промышленно­сти находят сплавы металлов с металлами или неметаллами. В сплавах элементы могут по-разному взаимодействовать между собой, образуя раз­личные по химическому составу, типу связи и строению кристаллические фазы.
Фазой называется однородная, отделенная поверхностью раздела часть металла или сплава, имеющая одинаковые состав, строение и свой­ства.


4


В жидком состоянии компоненты сплава обычно неограниченно растворимы друг в друге, образуя жидкие растворы.
В твёрдом состоянии компоненты могут образовывать:
механические смеси, представляющие собой смесь двух или нескольких фаз;
химические соединения, когда компоненты вступают в химические взаимодействия;
твёрдые растворы, когда один компонент растворяется в другом, который называется растворителем.

Механические смеси

5


Если элементы, входящие в состав сплава, при затвердевании из жидкого состояния не растворяются друг в друге и не взаимодействуют, образуется механическая смесь.
Механические смеси образуются при кристаллизации многих сплавов, например Pb-Sb, Al-Cu.
По структуре смесь представляет собой неоднородное тело. При металлографическом анализе на шлифе видны кристаллиты компонентов, образующих механическую смесь.
Химический анализ определяет также разные элементы.
Рентгеноструктурныый анализ определяет два типа кристаллических решёток, образующих такую смесь.

Химические соединения

Если элементы, составляющие сплав, взаимодействуют друг с другом, образуются химические соединения.
По структуре химические соединения представляют собой однородные твердые тела.
Свойства химических соединений отличаются от свойств образующих их элементов.
Химические соединения имеют постоянную температуру плавления (диссоциации).
Рентгеноструктурный анализ показывает различие кристаллических решёток химического соединения и исходных элементов.
В химическом соединении сохраняется определённое соотношение атомов элементов, позволяющее выразить их состав стехиометрической пропорцией в виде простой формулы AnBm, где А и В – соответствующие элементы; n,m – целые числа.
Составы этих соединений на диаграммах состав-свойство характеризуются особыми сингулярными точками.
Различают химические соединения двух типов: металл-неметалл и металл-металл.


6

Твёрдые растворы

В зависимости от атомно-кристаллической структуры различают:
- твердые растворы;
- промежуточные фазы.
Твердыми растворами назы­ваются кристаллы, в которых сохраняется тип кристаллической решет­ки элемента-растворителя
В промежуточных фазах образуется новый тип кристаллической решетки, отличающийся от решеток элементов, его образующих.
Природные примеси или атомы легирующих элементов могут образовывать с матрицей основного кристалла твердый раствор замещения или внедрения.


7


8


Твердые растворы могут быть неупорядоченными (со статистическим расположением атомов), частично или полностью упорядоченными.
Экспериментально упорядоченность определяют главным образом рентгеновским структурным анализом.
Природные примеси или атомы легирующих элементов могут образовывать с матрицей основного кристалла твердый раствор замещения или внедрения.

Правила Юм-Розери для образования твёрдого раствора замещения:

9


1. Растворимость возможна, если кристаллические решётки растворённого элемента и растворителя одинаковы.
2. Образование твёрдого раствора возможно, если атомные радиусы растворённого элемента rsolute и растворителя rsolvent отличаются не более, чем на 15 %:


3. Максимальная растворимость достигается, если растворяемый элемент и растворитель имеют одинаковую валентность, причем металлы с меньшей валентностью стремятся раствориться в металлах с большей валентностью.
4. Растворённый элемент и растворитель должны иметь близкую электроотрицательность (различие не должно превышать 0.2-0.4 т.е. находиться не слишком далеко друг от друга в ряду электрохимических напряжений), в противном случае рассматриваемые элементы вместо твёрдых растворов склонны к образованию интерметаллических соединений.


10


Как было показано выше, замещение атомов растворителя А атомами растворенного элемента В возможно, если атомные радиусы от­личаются не более, чем на 15 %. Это условие называют размерный фак­тор. В твердых растворах атомы растворенного вещества, как правило, распределяются в решетке растворителя статистически. Вокруг атома растворенного вещества возникают местные искажения пространствен­ной решетки, которые приводят к изменению свойств и среднего перио­да решетки. Растворение элементов с меньшим атомным радиусом, чем атомный радиус растворителя, вызывает уменьшение среднего периода решетки, а с большим – его увеличение.


Образование твердых растворов всегда сопровождается увеличением электрического сопротивления и уменьшением температурного коэффи­циента электрического сопротивления; твердые растворы обычно менее пластичны (исключение составляют твердые растворы на основе меди) и всегда более твердые и прочные, чем чистые металлы.
Растворимость элементов в твердом состоянии уменьшается при уве­личении различия в атомных радиусах сплавленных элементов и их ва­лентности.


11


При образовании твердых растворов замещения возможна и неогра­ниченная растворимость элементов в твердом состоянии, которая наблюдается при соблюдении размер­ного фактора и если элементы имеют одинаковый тип кристаллической ре­шетки. Неограниченная растворимость в твердом состоянии наблюдается в сплавах Сu–Аu, Сu–Ni, Gе–Si.
В полиморфных металлах встречается неограниченная растворимость в пределах одной модификации простран­ственной решетки.
Например, -Fе дает неограниченный ряд твердых рас­творов с хромом (ОЦК решетки), а  - Fе – неограниченный ряд твердых растворов с никелем (ГЦК решетки).

Твёрдые растворы внедрения (Правило Юм –Розери)

12


Атом растворённого элемента должен иметь атомный радиус меньший, чем размер пустот (пор) в кристаллической решётке растворителя, но быть больше размера самой маленькой из возможных пор — тетраэдрической поры, т.е. должно выполняться правило Хэгга:
0.25∙ rsolvent ≤ r solute ≤ 0.59∙rsolvent
2. Растворённый элемент и растворитель должны иметь близкую электроотрицательность.


Растворы внедрения это растворы, в которых атомы примеси не замещают атомы минерала хозяина, а располагаются в промежутках между ними. Растворяющиеся атомы входят в промежутки между атомами матрицы, статистически заселяя новую не занятую ранее позицию. Иногда атомы матрицы называют узлами и тогда говорят, что примесь входит в междуузлия.
Растворимость по типу внедрения обычно невелика – порядка нескольких процентов и лишь в редких случаях достигает 10 %.
В растворах замещения необходимое условие – схожий характер связи различных компонентах. В растворах внедрения тип связи может быть совершенно иным.

Твёрдые растворы внедрения

13


Твердые растворы внедрения всегда имеют ограниченную раствори­мость и встречаются преимущественно тогда, когда растворитель имеет ГПУ или ГЦК решетки, в которых имеются поры с радиусом 0,41R, где R –радиус атома растворителя. В ОЦК решетке растворимость путем внедрения мала, так как размер пор не превосходит 0,29R.
Классический пример раствора внедрения – аустенит. Это раствор углерода в γ-модификации железа. Так, -Fе с ГЦК решеткой растворяет до 2,14% (маc.) углерода, а -Fе с ОЦК ре­шеткой почти совсем его не растворяет (максимальная растворимость со­ставляет около 0,02 % (маc.)).

Упорядоченные и неупорядоченные твёрдые растворы

14


Многие твердые растворы замещения при относительно невысоких температурах способны находиться в упорядоченном состоянии, т.е. вме­сто статистического распределения разносортных атомов в узлах про­странственной решетки атомы одного и другого металла размещаются в совершенно определенном порядке. Такие твердые растворы называются упорядоченными (используется также термин «сверхструктура»).
Температура, при которой твердый раствор полностью разупорядочивается, называется точкой Курнакова и обозначается θк.
Упорядочение происходит обычно только при медленном охлаждении твердого раствора из температурной области выше θк .


Упорядоченные твердые растворы встречаются в системах с значи­тельной или неограниченной растворимостью в твердом состоянии; при этом полная упорядоченность «возникает при концентрациях твердого рас­твора, соответствующих простым атомным соотношениям компонентов типа АВ, АВ2 или АВ3. Частичная упорядоченность наблюдается при соста­вах, близких к указанным.


Кристаллическая решетка сплавов меди с золотом: а - неупорядоченный твердый раствор; б- упорядоченный твердый раствор сплав АuСu3); в - упорядоченный твердый раствор (сплав АuСu).

Диаграммы состояния сплавов. Диаграмма состояния сплавов, образующих механические смеси (диаграмма состояния I рода)

15


Компоненты таких сплавов в жидком состоянии неограниченно растворимы друг в друге, а в твердом – нерастворимы и не образуют химических соединений.
Поэтому в этом сплаве возможно образование трех фаз: жидкого сплава и кристаллов компонентов.
Механические смеси образу­ют сплавы свинца и сурьмы, свинца и олова, цинка и оло­ва, алюминия и кремния и др.


16


Диаграмма состояния сплавов Рb – Sb


Внача­ле строятся кривые охлаждения чистых свинца и сурьмы.
Температуры их кристаллизации соответству­ют горизонтальным площадкам на кривых 1 и 6 (для свинца 327 °С и для сурьмы 631°С).
Далее рассматрива­ются несколько сплавов с соответствующим содержани­ем свинца Рb и сурьмы Sb, %, например: Рb- 95, Sb -5; Рb- 90, Sb-10; Рb- 87, Sb-13; Рb-60, Sb-40.
Строятся кривые их ох­лаждения (кривые 2-5 соответственно).


17


Кристаллизация первого сплава (5 % Sb) происходит следующим образом: приблизительно до 300 °С он оста­ется жидким, а начиная с 300 °С скорость охлаждения замедляется, при этом начинается кристаллизация свин­ца; оставшаяся часть жидкого сплава обедняется свин­цом, следовательно, обогащается сурьмой. Когда содер­жание сурьмы составит 13 %, произойдет кристаллиза­ция эвтектики при температуре 246°С (горизонтальный участок кривой 2).
Эвтектикой называют равномерную мелкодисперсную механическую смесь двух фаз, которые одновременно кристаллизуются из жидкого сплава.
В данном случае эвтектика состоит из кристаллов свинца и сурьмы. Эвтектика имеет определенный химический состав (в данном случае 13 % Sb и 87 % Рb) и образуется при постоянной температуре (в данном случае 246°С).


18


Следующий сплав (10 % Sb) кристаллизуется анало­гично первому, но температура начала кристаллизации у него ниже, а температура конца кристаллизации та же – 246 °С, когда содержание сурьмы в жидком сплаве соста­вит 13 % (кривая 3). Третий сплав (кривая 4), содержа­щий 13 % Sb и 87 % Рb, остается жидким до 246 °С, а за­тем кристаллизация происходит при этой температуре с образованием эвтектики. Этот сплав кристаллизуется при постоянной температуре, самой низкой для данной си­стемы, состоит только из эвтектики и называется эвте­ктическим. Кристаллизация четвертого сплава (40 % Sb) начинается при температуре около 400 °С с выделением избыточных кристаллов сурьмы. Жидкий сплав обедня­ется сурьмой и при содержании в нем 13 % сурьмы и тем­пературе 246 °С происходит образование эвтектики и кристаллизация завершается.


19


Критические точки, полученные на кривых охлажде­ния, переносятся на диаграмму состояния и соединяют­ся. Получаются линии АЕВ и МЕN. Линия АЕВ диаграм­мы является линией ликвидус: все сплавы, лежащие выше этой линии, находятся в жидком состоянии. Линия МЕN является линией солидус, ниже нее все сплавы свинец - сурьма находятся в твердом состоянии. В интервале меж­ду ликвидусом и солидусом сплав состоит из двух фаз – жидкого раствора и кристаллов одного из компонентов. Сплавы, содержащие менее 13 % Sb, лежащие слева от эвтектического сплава, называют доэвтектическими, а бо­лее 13 % Sb, – заэвтектическими.


Структура и свойства их резко отличаются. В доэвтектических сплавах наряду с эвтектикой находятся избыточные кристаллы свинца в заэвтектических — кристаллы сурьмы. Различие структур определяет различие свойств сплавов.


Структуры сплавов Рb- Sb: а – доэвтектического, б – эвтектического, в – заэвтектического

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной ра­створимостью компонентов в твердом состоянии (ди­аграмма состояния 2 рода)

20


Эти диаграммы соответствуют сплавам, у которых компоненты и в жидком, и в твердом состоянии образуют раствор.
Для таких спла­вов возможно образование двух фаз: жидкого сплава и твердого раствора.
К таким сплавам относят медь – ни­кель, железо – никель, железо – хром, кобальт – хром и др. Диаграммы их состояния строят так же, как диаграм­мы 1-го рода, на основании анализа кривых охлаждении сплавов с различным содержанием составляющих их компонентов.


21


Диаграмма состояния сплавов Сu – Ni


Кривая 1 является кривой охлаждения чистой меди с температурой кристаллизации 1083 °С, кривая 5 — кривая охлаждения никеля с темпе­ратурой кристаллизации 1452 °С. Кривая 2 характерна для кристаллизации сплава, содержащего 20 % никеля. Кристаллизация этого сплава начинается в точке а, при этом образуется кристаллическая решетка меди, в кото­рой имеется 20 % никеля. В точке b кристаллизация за­канчивается.


Аналогично кристаллизуются сплавы с содержанием 40 % (кривая 3) и 80 % никеля (кривая 4), но точки начала (а1 и а2) и конца (b1 и b2) кристаллиза­ции у первого сплава ниже, чем у второго. Все точки на­чала и конца кристаллизации меди, никеля и указанных выше сплавов переносятся на диаграмму. Соединяя эти точки, получим линии ликвидус АаВ и солидус АbВ. Выше линии АаВ сплав меди с никелем находится в жидком стоянии, а ниже линии АbВ – в твердом. В зоне между линиями АаВ и АbВ имеются две фазы: жидкий сплав и кристаллы твердого раствора никеля и меди.


22


Диаграмма 2-го рода отличается от диаграммы 1-го рода тем, что в первом случае образуется одна кристалли­ческая решетка, а значит, нет и эвтектического сплава как у сплавов, образующих механическую смесь.
Кроме того, у сплавов медь – никель начало и конец кристаллизации сплавов с различным содержанием компонентов проте­кают при различных температурах.


23


Данная диаграмма характе­ризует сплавы, у которых компоненты неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно – в твер­дом и получающиеся твердые растворы образуют эвтек­тику.
К таким сплавам относятся алюминий-медь, маг­ний-алюминий, магний-цинк и др.
В сплаве могут су­ществовать три фазы – жидкий сплав, твердый раствор α компонента В в компоненте А и твердый раствор β ком­понента А в компоненте В.
Твердые растворы обозначены здесь строчными греческими буквами, а компоненты – заглавными латинскими буквами.
Данная диаграмма со­держит в себе элементы двух предыдущих.


24


Общий вид диаграммы состояния III рода


Линия АСВ является линией ликвидус, линия АDСЕВ – линией солидус.
По линии АС начинают выделяться кристаллы твердого раствора α, по линии СВ – твердого раствора β.
Левее точки D кристаллизация заканчивается образо­ванием структуры однородного твердого раствора α, а правее точки Е – однородного твердого раствора β.


25


Точка D характеризует предельную растворимость компонен­та В в компоненте А, а точка Е предельную растворимость компонента А в компоненте В.
Чаще всего с понижением температуры растворимость компонентов уменьшается, поэтому по линиям FD и ЕG происходит выделение вто­ричных кристаллов аII и βII.
Процесс выделения вторичных кристаллов из твердой фазы называется вторичной крис­таллизацией.
Возможен случай, когда растворимость не уменьшается с понижением температуры. Тогда вторичная кристаллизация происходить не будет, а линии DF и ЕG будут вертикальными.
На участке DE кристаллизация заканчивается с обра­зованием эвтектики.
В данном случае эвтектика состоит не из механической смеси двух компонентов, как на диа­грамме I рода, а из механической смеси твердых раство­ров α и β.
Сплав соответствующий точке С диаграммы называется эвтектическим. Все сплавы, расположенные межу точками D и С, называются доэвтектическими, а между точками С и Е – заэвтектическими. После обра­зования эвтектики в доэвтектическом сплаве также будет происходить вторичная кристаллизация твердого раство­ра βII, а в заэвтектическом – твердого раствора аII.


26


Точка D характеризует предельную растворимость компонен­та В в компоненте А, а точка Е предельную растворимость компонента А в компоненте В.
Чаще всего с понижением температуры растворимость компонентов уменьшается, поэтому по линиям FD и ЕG происходит выделение вто­ричных кристаллов аII и βII.
Процесс выделения вторичных кристаллов из твердой фазы называется вторичной крис­таллизацией.
Возможен случай, когда растворимость не уменьшается с понижением температуры. Тогда вторичная кристаллизация происходить не будет, а линии DF и ЕG будут вертикальными.
На участке DE кристаллизация заканчивается с обра­зованием эвтектики.
В данном случае эвтектика состоит не из механической смеси двух компонентов, как на диа­грамме I рода, а из механической смеси твердых раство­ров α и β.
Сплав соответствующий точке С диаграммы называется эвтектическим. Все сплавы, расположенные межу точками D и С, называются доэвтектическими, а между точками С и Е – заэвтектическими. После обра­зования эвтектики в доэвтектическом сплаве также будет происходить вторичная кристаллизация твердого раство­ра βII, а в заэвтектическом – твердого раствора аII.


27


Общий вид диаграммы состояния IV рода


Данная диаграмма характеризует сплавы, компоненты которых неограниченно растворимы в жидком состоя­нии, нерастворимы в твердом и образуют устойчивое химическое соединение.
К таким сплавам относятся маг­ний-медь, магний-кальций и др.


28


Она характеризуется наличием вертикальной линии, соответствующей соот­ношению компонентов в химическом соединении АmВn.
Эта линия делит диаграмму на две части, которые мож­но рассматривать как самостоятельные диаграммы спла­вов, образуемых одним из компонентов с химическим соединением.
В случае устойчивого химического соеди­нения каждый из компонентов образует с химическим соединением механическую смесь. Линия АDСЕВ явля­ется линией ликвидус данной диаграммы.
На участке АD начинается кристаллизация компонента А, на участке DСЕ – химического соединения АmВn, на участке ЕВ – компонента В.
Точка С диаграммы соответствует химичес­кому соединению АmВn. Кристаллизация происходит пол­ностью аналогично кристаллизации сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов.
Компонент А образует с химическим соединением АmВn эвтектику Э1 состав которой соответствует точке D.
Компонент В обра­зует с химическим соединением АmВn эвтектику Э2, состав которой соответствует точке Е.


29


Связь между диаграммами состояния и свойствами сплавов


Свойства сплава определяются его фазовым составом, который показывает диаграмма состояния. Поэтому меж­ду типом диаграммы состояния и свойствами сплава су­ществует зависимость, на что впервые обратил внимание Н. С. Курнаков. Им разработан метод построения диа­грамм состав-свойство, который составляет основу физи­ко-химического анализа сплавов.


30


В верхнем ряду приведены основные типы диаграмм состояния и под ними соответствующие закономерности изменения свойств сплавов в зависимости от их состава (диаграммы состав-свойство).
В диаграммах состав-свойство на оси абсцисс отложен состав сплава (в % компонента В), а на оси ор­динат – свойства при постоянной температуре.
Левая и правая крайние ординаты на этих диаграммах соответ­ствуют свойствам чистых компонентов, а промежуточ­ные –свойствам сплава в зависимости от его состава.
Во втором ряду графиков условно показано изменение твер­дости Н (аналогично изменяются показатели прочности и электрического сопротивления).
В третьем ряду пока­зано изменение электропроводности Е (аналогично изме­няются показатели пластичности).


31


При образовании механических смесей (диаграмма состояния 1 рода) свойства спла­ва меняются по линейной зависимости, поэтому свой­ства сплава находятся в пределах между свойствами чи­стых компонентов.
2. При образовании твердых растворов с неограниченной растворимостью (диаграмма состояния 2 рода) свойства сплава изменяются по нелиней­ной зависимости с максимумом или минимумом.
При этом некоторые свойства сплава могут существенно отличать­ся от свойств компонентов, образующих сплав.
Поэтому сплавы – твердые растворы значительно тверже и проч­нее, чем составляющие их компоненты, одновременно обладают высокой пластичностью.
Это медно-цинковые (ла­тунь), медно-никелевые сплавы и др.
Практически можно получить медно-никелевые сплавы, превосходящие медь по прочности и твердости и не уступающие ей по пла­стичности.
Они нашли широкое применение при изготов­лении деталей, работающих на удар и износ и обладающих высокой прочностью.
Такие сплавы имеют более высокое электросопротивление, чем чистые металлы, и, что особен­но важно, электросопротивление их не изменяется при изменении температуры. Это относится к сплавам нике­ля с хромом (нихром), поэтому они незаменимы в произ­водстве электроизмерительных приборов, реостатов и т. д.


32


3. При образовании твердых растворов с ограниченной растворимостью (диаграмма состояния 3 рода) свойства сплавов в интервале концент­раций, соответствующих однофазным твердым раство­рам, изменяются по нелинейной зависимости, а в двух­фазной области – по линейной.
4. При образовании химического соединения (диаграмма состояния 4 рода) на диа­грамме состав – свойство появляется точка перелома (ост­рого максимума или минимума свойств), абсцисса кото­рой соответствует составу химического соединения. Сплавы-химические соединения обладают очень высокими твердостью, прочностью и электросопротивле­нием.
Иногда твердость их в 10 раз выше твердости чис­тых компонентов.
Так, медь и олово – мягкие металлы, кристаллы же химического соединения в сплаве меди с оловом имеют высокую твердость.
Железо и углерод – мягкие материалы, а химическое соединение их облада­ет очень высокой твердостью.
Сплавы — химические со­единения применяют для режущих инструментов, из-за высокой хрупкости для обработки давлением они не­пригодны.


33


С типом диаграмм состояния связаны также техноло­гические свойства сплавов. Сплавы - механические смеси имеют хорошие литейные свойства (Особенно это от­носится к эвтектическим сплавам). Доэвтектические и заэвтектические сплавы также применяют для литья, но жидкотекучесть их несколько хуже и у них больше склонность к образо­ванию трещин.
Сплавы-твердые растворы благодаря высокой плас­тичности хорошо обрабатываются давлением, поэтому пригодны для ковки, прокатки, штамповки. Литейные свойства сплавов - твердых растворов, как правило, не­удовлетворительные.
Хорошей обрабатываемостью реза­нием характеризуются двухфазные сплавы (механичес­кие смеси). Обрабатываемость резанием однофазных сплавов (твердых растворов) затруднена.
Следует отметить, что диаграммы состав-свойство являются лишь приближенной схемой. Они не учитыва­ют размер кристаллов, их форму, взаимное расположение и другие факторы, влияющие на свойства сплава. Одна­ко общую тенденцию изменения свойств сплавов в зави­симости от их состава для различных типов диаграмм состояния они отражают верно.
Диаграммы со­став – свойство помогают правильно выбрать сплавы с определенными эксплуатационными характеристиками.