Диаграмма состояния двойных сплавов и особенности ее грамотного и правильного построения. строительство дома

 

Теперь воспользуемся критическими точками для построения диаграммы состояния системы сплавов свинец – сурьма. Отложим в масштабе по абсциссе точки по составу сплавов, принимая, что слева будет чистый свинец, а справа – чистая сурьма (рис. 12).

    Построение диаграм металлов на примере    

    Структурные составляющие при кристаллизации сплавов: твердые растворы, химические соединения, механические смеси.

    1.Металлическими сплавами называются соединения двух или нескольких металлов и неметаллов, у которых сохраняются металлические свойства. Сплавы можно получить сплавлением компонентов в жидком состоянии, спеканием в твердом состоянии (по­рошковая металлургия), электролизом, возгонкой и дру­гими способами.

    Компонент – это химически индивидуальное вещество (т.е. компонентами являются химические элементы и химические соединения).

    Фазы – это физически однородные части сплава, от­деленные поверхностью раздела. Фазы могут быть жид­кие, твердые и газообразные. Газовая смесь состоит всегда из одной фазы. Металлические сплавы в рас­плавленном состоянии состоят в большинстве случаев из одной фазы, а при затвердевании они состоят из жидкой и твердой фаз.

    Системой называют совокупность веществ в твёрдом, жидком и газообразном состояниях. Системы бывают простые и сложные. Простая система состоит из одного компонента, а сложная система – из нескольких.

    2.Структурными составляющими сплавов являются:

    Механическая смесь пред­ставляет собой мельчайшую смесь кристаллов (отдельные фазы составляющих компо­нентов), не растворяющихся в твердом состоянии.

    Химические соединения, получающиеся при образова­нии некоторых сплавов, име­ют постоянный состав, осо­бую кристаллическую решет­ку и особые физико-химиче­ские свойства. Им свойственны повышенная твердость, хрупкость и посто­янная температура плавления.

    Твердые растворы образуются при проникновении атомов растворяющегося элемента в кристаллическую решетку растворителя. Растворителем называют тот ме­талл, кристаллическая решетка которого сохраняется как основа.

    Различают растворы замещения и внедрения. В пер­вом случае атомы растворимого элемента замещают в решетке атомы растворителя (рис. 11, а), во втором слу­чае атомы растворимого элемента располагаются между атомами растворителя (рис. 11, б).Диаграмма
    Рис.11 Расположение атомов (ионов) в твёрдых растворах:

    а – твердый раствор замеще­ния; б – твердый раствор внедрения

    3.Диаграмма (диаграмма железо) состояния представляет собой графическую зависимость между фазовым составом, тем­пературой и концентрацией составляющих сплав ком­понентов. Она позволяет определять температуры плав­ления и затвердевания, структуры сплавов при разных температурах в условиях равновесия и те процессы, которые претерпевают сплавы при охлаждении и нагревании. По вертикальной оси диаграммы откладывают температуру, по горизонтальной – концентрацию компонентов в сплаве.Диаграммы состояния двойных сплавов

    Теперь воспользуемся критическими точками для построения диаграммы состояния системы сплавов свинец – сурьма. Отложим в масштабе по абсциссе точки по составу сплавов, принимая, что слева будет чистый свинец, а справа – чистая сурьма (рис. 12).

    Выше линии АВС все сплавы системы находятся в жидком состоянии. Линия АВС – линия ликвидуса (ликвидус – от лат. «жидкий»). Ниже линии DВЕ все сплавы системы находятся в твердом состоянии. Линия DВЕ – линия солидуса (солидус – от лат. «твердый»). Проследим процесс кристаллизации сплавов системы и получающуюся структуру.

    Рис.12 Диаграмма состояния двойного сплава «свинец – сурьма»

    В точке В при массовом содержании 13 % SЬ, 87 % РЬ и при тем­пературе 246 °С кристаллизация свинца и сурьмы происходит одновременно; образуется тонкая механическая смесь кристаллов свинца и сурьмы (двух фаз). Эта смесь называется эвтектикой (эвтектика – от греч. «легкоплавящийся»), а сплав соответствующего состава – эвтектическим. Эвтектический сплав имеет самую низкую темпе­ратуру плавления.

    Сплавы с массовым содержанием SЬ меньше 13 % называют доэвтектическими, а SЬ больше 13 % - заэвтектическими.

    Диаграмма состояния двойных сплавов и ее анализ

    Знание диаграмм состояния различных систем, харак-теризующих превращения в сплавах, и умение анализи-ровать эти превращения позволяют оценить свойства сплавов и в конечном итоге рационально выбрать мате-риал для тех или иных изделий в зависимости от предъ-являемых к ним требований.

    Диаграммы состояния изображаются в координатах температура - содержание компонентов. Линии, соеди-няющие критические точки аналогичных превращений в системе, разграничивают области существования равно-весных фаз. Любая точка на диаграмме определяет фа-зовый и химический составы сплава, а также его струк-туру при данной температуре. Вертикальная линия соот-ветствует определенному химическому составу сплава. В зависимости от того, как взаимодействуют компоненты сплавов между собой в твердом состоянии (обладают различной взаимной растворимостью и образуют твердые растворы; образуют эвтектики или химические соедине-ния), различают несколько типов диаграмм.

    Рассмотрим, например, превращения, происходящие в сплавах Al - Са (рис. 5.1). Выше линии ликвидус ABCDEF оба компонента находятся в жидком состоянии и в любых соотношениях неограниченно растворяются друг в друге. Ниже линии солидус AMBNPQKEH сплавы системы находятся в твердом состоянии. Фнализ диаграм-мы показывает, что при затвердевании происходят сле-дующие превращения.

    1. Образуется б -твердый раствор Са в А1. Область существования твердого раствора - AMS1 прилегает к линии чистого А1. Точка М показывает максимальную растворимость Са в А1, точка S1 -- минимальную, линия MS1 -- ограничение растворимости Са в Al. Итак, с пони-жением температуры наблюдается уменьшение раствори-мости Са в Al в соответствии с линией MS 1. Избыточный кальций, который не может быть растворен в б - твердом растворе, выделяется при охлаждении ниже линии MS1 в виде вторичных кристаллов СаAl 3 11 в отличие от первич-ных СаAl 3, образующихся при наличии жидкой фазы в точке Р.

    2. Образуются химические соединения СаAl3 и СаAl 2, кристаллизующиеся из жидкого сплава при температу-рах, соответствующих точке D, и точке Р при взаимодей-ствии жидкой фазы и химического соединения СаAl2 (соответственно) .

    Превращение, протекающее при постоянной темпера-туре, когда из двух фаз, одна из которых является жид-кой, образуется третья и все фазы в момент превращения имеют определенный состав, называется перитектическим и может быть записано в виде реакции

    T= const

    Ж c + CaAl 2 (Q) -------> СаА1 3(р),

    где символы С, Q, Р показывают содержание компонен-тов в соответствующих фазах.Диаграмма равновесия
    Рис. 5.1. Диаграмма состояния (в) и кривые охлаждения (а, б, г, д) сплавов системы Al - Са (структурный анализ):

    I...IV -- номера сплавов

    В процессе перитектического превращения в соответ-ствии с правилом фаз С = К - Ф + 1 = 2 - 3 + 1 = 0. Приме-нение правила отрезков (конода CPQ) показывает, что при перитектическом превращении массы взаимодейству-ющих фаз строго определенны. В доперитектических спла-вах, расположенных левее точки Р, в избытке остается жидкая фаза, которая затем испытывает все превращения, описанные ниже для сплава II. В заперитектических спла-вах, расположенных правее точки Р, избыточной явля-ется твердая фаза (в данном случае СаAl2). Химическое соединение СаAl3 является устойчивым при нагревании вплоть до температуры плавления (точка D). Химическое соединение СаAl3 неустойчиво и, будучи нагретым до тем-пературы точки Р, разлагается на жидкость и СаAl2.

    3. Формируются две эвтектики Э 1 и Э 2. Первая пред-ставляет собой тонкую механическую смесь кристаллов б -твердого раствора и СаА1 3, образующуюся (при С = 0) из жидкости по реакции

    Вторая эвтектика представляет собой тонкую механи-ческую смесь кристаллов Са и СаAl 3 и образуется но ре-акции

    При этом превращении, как и при первом эвтектиче-ском превращении, система нонвариантна (С = 0).

    В ряде систем возможна подобная реакция, но смесь двух различных фаз образуется не из жидкости, а из твердого раствора. Такая реакция называется эвтектоидной.

    Рассмотрим кривые охлаждения нескольких сплавов (см. рис. 5.1) и проведем их подробный структурный анализ.

    Сплав I. При охлаждении от точки 0 до точки 1 (см. рис. 5.1, а) сплав находится в жидком состоянии (С = 2). При температуре t 1, соответствующей точке 1, на-чинается кристаллизация сплава. Конода abc--отрезок изотермы, проведенный влево и вправо от линии сплава до пересечения с линиями диаграммы, где расположены искомые фазы или структурные составляющие (см. рис. 5.1, в). Она показывает, что это кристаллы б - твердого ра-створа (точка а коиоды указывает на область б ). Вторая точка коноды с указывает на наличие жидкой фазы. Пользуясь правилом отрезков, можно определить массо-вую долю (Q, %) сосуществующих фаз. Например, при температуре t 1 Q б = bc / ac*100, Q ж = bc / ac*100. Итак, для определения содержания любой из двух фаз необходимо взять отношение длины противолежащего от искомой фазы отрезка коноды к длине всей коноды. Проекции то-чек а и с на ось концентраций покажут, каково содержа-ние компонентов в каждой из фаз (точка а -- в б - твердом растворе, точка с -- в жидкой части сплава).

    При охлаждении сплава I от t 1 до t 2 доля твердой фа-зы растет, а жидкой -- соответственно уменьшается, что подтверждается правилом отрезков.

    К моменту охлаждения сплава до t 2 содержание ком-понентов в последних порциях кристаллов б - твердого ра-створа будет соответствовать точке М, а в жидкости -- точке В. Как видно, жидкость имеет эвтектический состав и потому она кристаллизуется по первой эвтекти-ческой реакции (С = 0), протекающей при постоянной тем-пературе (t2 = t 2'). С исчезновением при t 2' жидкости первичная кристаллизация заканчивается, а от t 2' до t 3 протекает вторичная кристаллизация сплава (из твердой б - фазы выделяется СаAl 3 11).

    Сплав II. От t 0 до t 1  идет охлажде-ние жидкой фазы, от t 1 до t2 - выделение из жидкости кристаллов СаAl3. Затем протекает эвтектическая реак-ция при постоянной температуре  и жидкая часть сплава переходит в эвтектику. Ни-же t 2 никаких превращений в кристаллах СаAl 3 и в эв-тектике не происходит.

    Сплав III. От t 0 До t 1 (см. рис. 5.1, г) идет охла-ждение жидкой фазы, от t 1 до t 2 происходит выделение из жидкости кристаллов CaAl 2. По достижении темпера-туры, соответствующей линии CPQ, протекает перитектическая реакция (С = 0)

    Поскольку линия сплава III проходит правее точки Р, т. е. ближе к линии CaAl 2, то в результате перитектического превращения образуется СаAl3 и некоторая часть СаAl2 остается в избытке. Ниже t 2 никаких превращений в сплаве не происходит.

    Кристаллизацию сплава IV анализи-руют по аналогии с рассмотренными выше сплавами.

    Анализ кривых охлаждения чистых компонентов Al и Са и химического соединения CaAl2 показывает, что они имеют одинаковый характер (площадку кристаллизации в точках A, F и D соответственно) и отличаются лишь температурным уровнем площадки кристаллизации. Та-ким образом, устойчивые химические соединения ведут себя подобно компонентам сплава и, приняв CaAl 2 услов-но за компонент, диаграмму А1--Са Диаграмма состояния сплавов
    Рис. 5.2. Диаграмма состояния сплавов системы Al - Са (фазовый анализ)

    Можно рассматривать как состоящую из двух самостоя-тельных диаграмм А1--CaAl2 и СаAl2 -- Са. При этом диаграмма CaAl 2 -- Са является по существу элементар-ной диаграммой, когда оба компонента в твердом состоя-нии нерастворимы друг в друге и образуют механическую смесь--эвтектику. Аналогичная диаграмма (Sn--Zn) была рассмотрена в работе 4. Диаграмма А1--CaAl 2 со-стоит из частей элементарных диаграмм состояния с огра-ниченной растворимостью компонентов в твердом состоя-нии, с эвтектическим и перитектическим превращениями.

    Фазовый состав сплавов в любой области легко опре-делить с помощью коноды, концы которой указывают на равновесные сосуществующие фазы и содержание в них компонентов. Линия ликвидус показывает не только тем-пературу начала кристаллизации соответствующих спла-вов, но и содержание компонентов в жидкой фазе любого сплава в зависимости от температуры. Солидус опреде-ляет температуру окончания кристаллизации и содержа-ние компонентов в твердой кристаллизующейся фазе.

    В случае, если необходимо определить массовую до-лю структурных составляющих, например, в сплаве IV для температуры t 2 -- эвтектики и СаАl 2, проводят коноду fpk  до линий, соответствующих составля-ющим, и пользуются соотношениями Q CaAl 2 = ph / (fh) * 100 и Qэ 2 = fh / 9fk)*100. Структурная составляющая сплава имеет под микроскопом своеобразный вид.

    Особенности построения диаграммы состояния двойных сплавов

    Условия и методика построения диаграмм состояния 

    При изменении концентрации компонентов в сплавах, а также в процессе их охлаждения или нагрева (при условии постоянного внешнего давления) в этих сплавах происходят существенные фазовые и структурные изменения, которые можно наглядно проследить с помощью диаграмм состояния, представляющих собой графическое изображение состояния сплавов. Так как диаграммы строятся для равновесного состояния сплавов (стабильное состояние, характеризующееся минимумом свободной энергии системы), то они также называются диаграммами фазового равновесия и характеризуют те равновесные фазы, которые существуют при данных условиях (концентрация, температура и давление). Равновесное состояние может быть достигнуто только при очень малых скоростях охлаждения (при отсутствии переохлаждения) или при длительном нагреве, которые в действительности очень трудно реализовать. Поэтому, хотя фактически диаграммы состояния представляют собой теоретический вариант, на практике они используются для получения представлений о превращениях в сплавах при малых скоростях охлаждения или нагрева.

      В большинстве же случаев сплавы находятся в неравновесном (метастабильном) состоянии, т, е. в таком состоянии, из которого под влиянием длительного действия внешних факторов они будут переходить в более устойчивое равновесное состояние с соответствующими фазовыми переходами. Диаграммы состояния позволяют с определенной степенью погрешности прогнозировать фазовый состав и структуру сплавов в реальном (метастабильном) состоянии.
     
    Общие закономерности сосуществования равновесных фаз, отвечающие состоянию, представленному на диаграммах состояния, определяются правилом фаз  Диаграмма
    Диаграммы состояния обычно строят экспериментально. Для их построения используют термический метод, с помощью которого получают кривые затвердевания и охлаждения сплавов. По остановкам и перегибам на этих кривых, обусловленных тепловыми эффектами превращений, определяются температуры самих превращений. Точки перегиба или остановки на кривых охлаждения называются критическими точками. Они соответствуют температурам, при которых в сплавах начинают протекать или заканчиваются какие-либо превращения.
     
    С помощью диаграмм состояния определяют температуру плавления и полиморфных превращений в сплавах, сколько фаз и какие фазы имеются в сплаве данного состава при данной температуре, а также количественное соотношение этих фаз в сплаве и их состав (содержание компонентов).
     
    Дополнительно к термическому методу для изучения превращений в твердом состоянии привлекается исследование микроструктуры с использованием оптического и электронного микроскопов, рентгеноструктурный анализ, изучение физических свойств сплавов и т. д. Данные, полученные различными методами, используются для построения диаграмм состояния.
     
    Для описания превращений в сплавах в условиях реальных скоростей охлаждения необходимо помимо равновесной диаграммы состояния знать кинетику процессов кристаллизации и превращений в твердом состоянии.
     
    Поскольку в зависимости от числа компонентов сплавы могут быть двойными (двухкомпонентными), тройными (трехкомпонентными) и т. д., то соответственно диаграммы состояния строятся в системе двух координат - температура и концентрация (диаграммы состояния двойных сплавов), трех координат - температура и две оси концентрации (диаграммы состояния тройных сплавов). Для более сложных систем обычно строятся пространственные диаграммы с некоторым упрощением либо сечения этих диаграмм по температурной или концентрационной оси.
     
    В двойных сплавах по вертикали диаграммы состояния откла дывается температура, а по горизонтали - концентрация компонентов. Каждая точка на оси абсцисс соответствует определенному содержанию одного и другого компонента с учетом того, что общее содержание компонентов в каждой точке этой оси соответствует 100 %. Поэтому по мере увеличения количества одного компонента сплава должно снижаться содержание в сплаве другого компонента.
     
    Вид диаграммы состояния определяется характером взаимодействий, которые имеют место между компонентами сплавов в жидком и твердом состоянии. Во всех рассматриваемых далее случаях предполагается, что между компонентами сплава в жидком состоянии существует неограниченная растворимость, т. е. они образуют однородный жидкий раствор, который в дальнейшем будет обозначаться буквой Ж (L). В твердом состоянии компоненты могут образовывать механические смеси из чистых компонентов, неограниченные твердые растворы, ограниченные твердые растворы, устойчивые химические соединения, неустойчивые химические соединения, а также испытывать полиморфные превращения. Поэтому принято рассматривать следующие базовые типы диаграмм состояния.

    диаграмма железо диаграмма состояния двойных сплавов диаграммы состояния двойных сплавов

    Похожие товары

    Лепнина, как декорация зданий, используется с непамятных времен. Этому свидетельствуют памятники архитектуры, которые сохранились до наших дней.
     
    Заточные станки широко используются в производстве, без них просто никак. Многие предприятия создают у себя, если не целые цехи по изготовлению инструмента, то хотя бы небольшие отделы.
    Деревянные дома строятся в нашей стране на протяжении многих лет, и даже появление огромного количества современных строительных материалов лишенных многих недостатков,
    При производстве сухого массивного профилированного бруса и профилированного бревна применяется новая высокотехнологичная сушильная камера, основанная на инновационном методе сушки с использование