III. Краткие теоретические сведения.

Федеральное агентство высшего образования Российской Федерации

Ангарская государственная техническая академия

Кафедра УАТ

ИЗУЧЕНИЕ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ ДВОЙНЫХ СИСТЕМ

Методическое указание к выполнению лабораторной работы по курсу «Материаловедение и технология конструкционных материалов»

Изучение диаграмм состояния двойных систем. Методическое руководство к выполнению лабораторной работы по курсу «Материаловедение и технология конструкционных материалов». Никанорова Л.В. Ангарская государственная техническая академия.- Ангарск, АГТА, 2008 – 14 с., 7 рис.

Рецензент: к.т.н., доцент кафедры МАХП Асламов А.А.

Рекомендовано к изданию учебно-методическим советом АГТА.

Ó АГТА

Ó Кафедра УАТ

Лабораторная работа.

Изучение диаграммы состояния двойных сплавов.

I. Цель работы:

1. Определение основных линий диаграммы состояния.

2. Проведение структурного анализа всех областей диаграммы с описанием превращений, происходящих при охлаждении системы.

3. Определение количественного соотношения и структурных составляющих в сплаве определенного химического состава.

II. Материалы и оборудование:

1. Индивидуальные задания диаграмм состояния двойных сплавов.

2. Плакат диаграммы состояния системы Fe-C.

III. Краткие теоретические сведения.

Изучение структуры и свойств сплавов является важной составной частью металловедения. Чистые металлы применяются в технике значительно реже, чем сплавы, т.к. металлы обладают сравнительно низкими механическими свойствами и не могут обладать особыми свойствами, которыми отличаются сплавы.

Металлическим сплавом называется вещество, состоящее из двух и более компонентов (элементов) и обладающее металлическими свойствами. Обычным способом получения сплавов является сплавление, но иногда применяют спекание, электролиз или возгонку. Сплавы, полученные такими способами, называются псевдосплавами.

При изучении сплавов пользуются следующими терминами: компонент, фаза, система.

Компонентами называются вещества, образующие систему. Вещества являются самостоятельными составляющими, из которых при определенных условиях могут образовываться все фазы данной системы. Компонентами могут быть чистые элементы (металлы и неметаллы), а также устойчивые химические соединения.

Фазой называют однородные составные части системы, имеющие одинаковый состав, одно и то же агрегатное состояние, кристаллическую структуру и отделяющиеся от остальных частей (фаз) системы поверхностью раздела (границей), при переходе через которую скачкообразно меняются химический состав, агрегатное состояние или кристаллическая структура вещества. Фазами могут быть чистые металлы и неметаллы, возможные их аллотропические (полиморфные) модификации, химические соединения, жидкие и твердые растворы.

Системой называется совокупность фаз (твердых и жидких), находящихся в состоянии равновесия. В этом состоянии все внутренние (концентрация) и внешние (температура и давление) факторы системы уравновешены, т.е. все превращения совершаются обратимо. Это означает, что при изменении системы в одном направлении все процессы возмещаются процессами, происходящими при изменении системы в обратном направлении, т.е. состав и число фаз остается неизменным.

При образовании сплава атомы компонентов вступают в определенные взаимодействия друг с другом, иначе, компоненты растворяются.

В случае полной растворимости компонентов в жидком состоянии сплав представляет собой жидкий однофазный раствор.

В твердом состоянии компоненты могут иметь различные степени взаимной растворимости. В результате, могут образовываться следующие виды сплавов: твердые растворы, механические смеси и химические соединения.

Твердыми растворами называют сплавы, в которых один из компонентов (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого компонента (растворимого) располагаются в решетке первого компонента, искажая ее. Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки (элемента растворителя) и представляет собой одну фазу. Пропорции растворимого и растворителя могут меняться без нарушения однородности.

Структура твердого раствора, видимая под микроскопом, состоит, как и у чистых металлов, из однородных зерен.

Рис.1. Схема микроструктуры α - твердого раствора.

Обозначаются твердые растворы буквами греческого алфавита α, β, γ, δ и т.д.

В зависимости от характера распределения атомов растворимого в кристаллической решетке растворителя различают три типа твердых растворов: твердые растворы замещения, твердые растворы внедрения и твердые растворы вычитания.

Твердые растворы замещения (рис. 2 а) образуются путем замены атомов основного металла (растворителя А) в его кристаллической решетке атомами другого вещества (растворимого В).

Рис. 2. Схема кристаллической решетки: а - твердого раствора замещения;

б - твердого раствора внедрения.

В случае, когда компоненты полностью растворяются друг в друге, образуется неограниченный твердый раствор, а при частичном растворении – ограниченный. Распределение атомов в решетке может быть упорядоченным или неупорядоченным. Большинство твердых растворов замещения имеют неупорядоченное строение, т.е. атомы растворимого вещества занимают случайные места в кристаллической решетке растворителя и, следовательно, распределяются статистически равномерно.

Твердые растворы с неограниченной растворимостью могут образовываться при соблюдении следующих условий:

· Компоненты должны обладать одинаковыми по типу (изоморфными) кристаллическими решетками. Только в этом случае при изменении концентрации твердого раствора будет возможен непрерывный переход от кристаллической решетки одного компонента к решетке другого компонента.

· Различие в атомных размерах D R компонентов должно быть незначительным и не превышать 8 - 13%.

· Компоненты должны принадлежать к одной и той же группе периодической системы элементов или к смежным родственным группам и в связи с этим иметь близкое строение валентной оболочки электронов в атоме.

Например, компоненты с ГЦК - решеткой: Ag - Au (D R = 0,2 %), Ni - Cu (D R = 2,7%), Ni - Rd (D R = 10,5%), с ОЦК - решеткой: Mo - W (D R = 9,9 %), V - Ti (D R = 2 %).

При замещении атомов одного компонента атомами другого компонента, учитывая различие в размерах атомов, происходит искажение кристаллической решетки. Это искажение тем больше, чем больше разница в размерах атомов и строении их кристаллических решеток. При чрезмерном искажении решетки дальнейшая растворимость становится невозможной. Наступает предельная растворимость, при которой дополнительно вводимые атомы не могут войти в решетку и образуют самостоятельную фазу.

Твердые растворы внедрения (рис. 2 б) образуются путем внедрения атомов растворяемого элемента в кристаллическую решетку растворителя и размещения их между атомами растворителя. Такими являются элементы, находящиеся в начале периодической системы Менделеева: углерод, водород, азот, бор. Внедрение происходит только в тех условиях, когда диаметр атома растворенного элемента намного меньше диаметра атома растворителя. Твердые растворы внедрения могут быть только ограниченными. Встречаются они преимущественно в компактных решетках: гексагональной и гранецентрированной кубической.

Твердые растворы вычитания образуются на базе химических соединений (TiC, NbC, FeO). Этот процесс сопровождается появлением свободных мест (вакансий) в узлах кристаллической решетки вследствие недостатка того или иного компонента при кристаллизации и вызывает искажения кристаллической решетки.

Механическими смесями называются сплавы, состоящие из компонентов, которые не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не образуют химических соединений. Они могут состоять из чистых компонентов, твердых растворов, химических соединений. Механические смеси образуются между элементами, значительно различающимися по строению и свойствам, когда сила взаимодействия между однородными атомами больше, чем между разнородными. Сплав состоит из кристаллов входящих в него компонентов (рис. 3). Зерна механической смеси связываются между собой только общими границами. В сплавах сохраняются кристаллические решетки компонентов. Обозначаются механические смеси (А+В), (α + В), (А + А_mB_n) и т.п.

Рис. 3. Схема микроструктуры механической смеси (А+В).

Различают простую, эвтектическую и эвтектоидную механические смеси.

Простая смесь образуется при любом процентном соотношении компонентов и на практике встречается редко, например, (Fe+Pb), (Cu+Pb) и др.

Эвтектическая смесь образуется при постоянной температуре при переходе сплава из жидкого состояния в твердое строго определенного химического состава. Эвтектические сплавы обладают достаточно высокими литейными характеристиками, они легкоплавки.

Эвтектоидная смесь образуется при постоянной температуре при распаде твердого раствора определенного химического состава в процессе охлаждения.

Химическими соединениями называются сплавы, состоящие из компонентов, имеющих в твердом состоянии определенное соотношение элементов А_mB_n и специфическую кристаллическую решетку (рис. 4.). Химические соединения и родственные им по природе фазы в металлических сплавах многообразны. Характерные особенности химических соединений, образованных по закону нормальной валентности, приведены ниже.

· Кристаллическая решетка химического соединения отличается от решеток компонентов, образующих его.

· В соединении всегда сохраняется простое кратное соотношение компонентов. Это позволяет выразить их состав простой формулой А_mВ_n, где А и В - существующие элементы; m и n - простые числа (соотношение атомов компонентов).

· Свойства соединения резко отличаются от свойств образующих их компонентов.

· Температура плавления (диссоциации) постоянная.

· Образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.

Рис. 4. Кристаллическая решетка химического соединения.

В отличие от твердых растворов химические соединения обычно образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток. Например: Mg₂Sn, M₂Pb, Mg₂P, Mg₃Sb, Mg₃Bi₂, MgS и др.

Соединение одних металлов с другими носят общее название интерметаллиды, или интерметаллических соединений. Соединения металлов с неметаллами (карбиды, нитриды, бориды и т.д.), которые могут обладать металлической связью, нередко также называют металлическими соединениями.

Кроме твердых растворов, механических смесей и химических соединений в структуре могут быть фазы, которые нельзя отнести к перечисленным, их называют промежуточными фазами. К ним относятся: фазы внедрения, электронные соединения (фазы Юм-Розери), фазы Лавеса, сверхструктуры и т.д.

Фазы внедрения. Переходные металлы (железо, марганец, хром, молибден и др.) образуют с углеродом, азотом, бором и водородом, т.е. с элементами, имеющими малый атомный радиус, соединения: карбиды, нитриды, бориды и гидриды. Они имеют общность строения и свойств и часто называются фазами внедрения. Фазы внедрения имеют формулу Ме₄Х, Ме₂Х и МеХ, где Ме – металл, Х - металлоид. Кристаллическая структура фаз внедрения определяется соотношением атомных радиусов неметалла и металла R_х и R_м. Если R_х / R_м < 0, 59, то атомы металла в этих фазах расположены по типу одной из основных кристаллических решеток: кубической или гексагональной, в которую внедряются атомы неметалла, занимая в ней определенные поры. Фазы внедрения являются фазами переменного состава; карбиды и нитриды, относящиеся к фазам внедрения, обладают высокой твердостью.

Рассмотренные выше твердые растворы внедрения образуются при значительно меньшей концентрации второго компонента (C, N, H) и имеют решетку металла растворителя, тогда как фазы внедрения получают кристаллическую решетку, отличную от решетки металла. На базе фазы внедрения легко образуются твердые растворы вычитания, называемые иногда твердыми растворами с дефектной решеткой. В твердых растворах вычитания часть узлов решетки, которые должны быть заняты атомами одного из компонент, оказывается свободным. В избытке имеется другой компонент.

Электронные соединения. Эти соединения чаще всего образуются между одновалентными металлами или металлами переходных групп с одной стороны, и простыми металлами с валентностью от 2 до 5 с другой стороны. Соединения этого типа имеют определенное отношение числа валентных электронов к числу атомов, т.е. определенную электронную концентрацию. Так, существуют соединения, у которых это соотношение в одних случаях равно 3/2 (1,5), в других - 21/13 (1,62), в третьих - 7/4 (1,75). Соединения 3/2, обозначаются как b - соединения с ОЦК - решеткой, 21/13 - g - соединения со сложной кубической решеткой, 7/4 - e - соединения, имеющие гексагональную плотноупакованную решетку.

Фазы Лавеса. Эти фазы имеют формулу АВ₂ и образуются между компонентами типа А и В при соотношении атомных диаметров D_А/D_В @ 1,1¸1,6. Фазы Лавеса имеют решетку ГПУ или ГЦК.

Сверхструктура. В некоторых сплавах (например, медь - золото, железо - алюминий, железо - кремний, никель - марганец), образующих при высоких температурах растворы замещения, при медленном охлаждении или длительном нагреве при определенных температурах протекает процесс перераспределения атомов, в результате которого атомы компонентов занимают определенные положения в кристаллической решетке. Такие растворы, устойчивые при сравнительно низких температурах, получили название упорядоченных твердых растворов или сверхструктур.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: