Similar presentations:
Элементы теории сплавов (Лекция 5)
1.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Термодинамическая
(металлическая)
система
–
отделённая
от
внешней
среды
реальными
или
воображаемыми границами и заполненная веществом
часть пространства, внутри которой между составляющими
материальными объектами возможен обмен энергией и
веществом
Металлический сплав – сложное кристаллическое
вещество, состоящее из нескольких более простых
веществ и обладающее металлическими свойствами
Фаза – часть физико-химической системы, однородная по
своему строению, химическому составу и свойствам.
Компоненты – химические индивиды, наименьшее число
которых достаточно для образования всех фаз в системе
2.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Равновесное
состояние
–
неизменность
термодинамических параметров во времени и отсутствие в
системе потоков энергии и вещества при постоянных
внешних условиях.
Фазовое
равновесие
–
равновесное
состояние
термодинамической системы, состоящей из двух или более
фаз.
Структурная
составляющая
–
самостоятельный
(имеющий
характерные
особенности)
обособленный
элемент структуры сплава, различимый при увеличениях в
100-300 раз, например эвтектика, состоящая из нескольких
фаз.
Правило фаз Гиббса: С = К – Ф + 2; при Р=const С = К – Ф + 1,
где С – число независимых переменных (степеней свободы), К – число
компонентов, Ф – число фаз.
3.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Однокомпонентная система: независимые переменные р и Т
4.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Двухкомпонентная (бинарная) система (А+В):
независимые переменные р, Т и ХВ
5.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Твёрдые растворы ̶ фазы, в которых один из компонентов сплава
сохраняет свою кристаллическую решетку, тогда как атомы другого
компонента (или других компонентов) располагаются в этой решетке
Твёрдый раствор замещения
Твёрдые растворы обозначают буквами α, β, γ
6.
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВЛекция 5
По
степени
взаимной
растворимости
компонентов твердые растворы замещения делят на
неограниченные и ограниченные.
Необходимыми
условиями
неограниченной
взаимной растворимости металлов являются:
- однотипность (т.е. изоморфность) кристаллических
решеток;
- небольшое различие в атомных радиусах (правило
Юм- Розери), не более 15 %);
-
близость
химических
строения) металлов.
свойств
(электронного
7.
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВЛекция 5
Твёрдые растворы, в которых атомы растворённого
компонента занимают строго определённые позиции в
решётке
растворителя,
формируя
тем
самым
собственную подрешётку , называют упорядоченными
твёрдыми растворами или сверхструктурами
Упорядоченные
буквами - α´, β´, γ´
твёрдые
растворы
обозначают
8.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Сверхструктуры
образуют
компоненты
сплава,
находящиеся в соотношении АВ, АВ2, АВ3. При изменении
температуры происходит разупорядочение их структуры
с соответствующим изменением свойств. Температуру
разупорядочения называют точкой Курнакова.
9.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Закон Вегарда:
периоды
элементарных
ячеек твёрдых
растворов
изоморфных
веществ
линейно
зависят
от
концентрации
10.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
11.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Химические соединения – фазы постоянного
состава,
соотношение
элементов
в
которых
подчиняется правилу валентности:
- с ионным типом связи – оксиды (FeO, CuO, MgO и
т.д.);
- с ионно-ковалентным – сульфиды, фосфиды (ZnS,
AlP и др.);
-c металлическим типом связи – интерметаллиды
(TiNi, CuZr и др.), фазы внедрения (карбиды,
гидриды, нитриды переходных металлов Fe, Сг, Ti, Zr,
Nb и др., если справедливо соотношение Rx/RM < 0,59,
где RM и Rx - атомные радиусы металла и неметалла
соответственно).
12.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Интерметаллиды
типа
АВ2,
характеризующиеся
отношением атомных радиусов 1,1…1,6 называются
фазами Лавеса (NbFe2,TiCr2, AgBe2 и др.);
фазы Юм-Розери (электронные соединения) –
соединения
со строго определённым количеством
электронов, приходящихся на один атом: 3/2, 21/13, 7/4
– CuBe, Cu5Zn8, Cu3Sn).
В отличие от твердых растворов внедрения фазы
внедрения Мy/Хп образуются при значительно более
высоких концентрациях неметалла X и обладают
собственной кристаллической решеткой, которая
отлична от решетки металла М.
13.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Диаграмма состояния – графическое изображение
изменения
равновесного
состояния
сплавов
в
зависимости от их химического состава и температуры.
Система сплавов – совокупность бесконечно большого
числа всех возможных сплавов, которые могут быть
образованы из данных компонентов.
По фазовому признаку различают системы:
- с неограниченной взаимной растворимостью
компонентов,
- системы с ограниченными твёрдыми растворами на
основе компонентов,
- системы с промежуточными фазами;
По типу наиболее важных фазовых превращений:
- эвтектические (эвтектоидные),
- перитектические (перитектоидные) и др.
14.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
конода
Солидус
(массовые %)
Система сплавов с эвтектическим равновесием и
граничными твердыми растворами
15.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Температура ликвидуса – температура, при которой начинается
кристаллизация сплава (заканчивается плавление)
Температура солидуса – температура, при которой заканчивается
кристаллизация сплава (начинается плавление)
Конода - горизонтальный отрезок, проведенный в двухфазной
области диаграммы состояния и определяющий для данной
температуры составы равновесных фаз
Фигуративная («показательная») точка – гипотетическая точка
сплава определённого состава при определённой температуре
Правило рычага (правило отрезков) – методика определения
количества равновесных фаз в структуре двухфазного сплава.
Граничный твёрдый раствор – твёрдый раствор ограниченной
концентрации на основе чистых компонентов
Сольвус – кривая изменения взаимной предельной растворимости
компонентов
16.
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВЛекция 5
А
Ха
0
Хn
Хb
Компонент В,%
В
100
Согласно правилу рычага, массовая доля твёрдой
фазы в сплаве Хn при температуреT2 определяется
отношением отрезков an/ab, а жидкой фазы - bn/ab
17.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Диаграммы состояния двойных систем с непрерывным
рядом твёрдых растворов
18.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Кривые охлаждения и диаграмма состояния медь - никель
19.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Бинодальная кривая
Пример
диаграмм
состояния
двойной системы с расслоением
твёрдого раствора
20.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Система сплавов с
эвтектическим
равновесием и
граничными
твердыми
растворами
А
В
X
Xn
Xe
Эвтектическое равновесие: Жв ↔ αа + βв , где Ж- жидкость
(расплав), αа и βв кристаллы твёрдых фаз компонентов
А и В, соответственно
21.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Вторичные кристаллы в структуре металлического
сплава состава X:
а - при медленном охлаждении; б - при ускоренном
охлаждении (видманштеттова структура)
22.
Лекция 5а
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
б
в
Структура доэвтектического сплава Xn:
а - при эвтектической температуре до начала реакции; б - при
эвтектической температуре после реакции; в - при «комнатной»
температуре
23.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
24.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Диаграмма состояния двойной системы с перитектическим равновесием
Перитектическое превращение - образование одной из
кристаллических фаз вследствие взаимодействия другой
кристаллической фазы с расплавом
25.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
26.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Диаграмма состояния железо-углерод с эвтектоидным превращением
(трёхфазная реакция превращения одной твёрдой фазы в две
другие)
27.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Поверхность
перлита
28.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Характер изменения физико-механических свойств сплавов типичных
металлических систем
29.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Тип диаграммы
состояния и
механические
свойства сплавов
30.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Диаграмма состояния Ni-Cu (а) и изменение удельного
электросопротивления ρ и температурного коэффициента
электросопротивления α в зависимости от содержания меди в
сплаве (б)
31.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
32.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
33.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Зависимость жидкотекучести L от состава сплавов систем различного типа
34.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
35.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Схема остановки расплава при заполнении формы
«узкоинтервальным» (а) и «широкоинтервальным» сплавом
36.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Образование усадочной раковины (а) и рассеянной
пористости (б,в) при затвердевании слитка в металлической
изложнице
37.
Лекция 5ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Зависимость объёмной усадки V от состава сплавов систем
различного типа
38.
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВЛекция 5
Резюме:
-Диаграммы состояния позволяют качественно
охарактеризовать
многие
физико-химические,
механические и технологические свойства сплавов.
-На основании анализа диаграмм состояния
можно определить, какие именно сплавы и в каком
направлении
свойства
изменяют
при
переходе
свою
к
структуру,
их
неравновесному
состоянию, зависящему от реальных условий
литья,
обработки
давлением
термической обработки.
и
специальной
39.
На рисунке приведена фазовая диаграмма льда. Лёд имеет восемь твердыхфаз различной кристаллической структуры. Согласно современным
представлениям, Ганимед, крупный спутник Юпитера, состоит в основном
из льда. Давление линейно возрастает при увеличении глубины от
поверхности Ганимеда, достигая максимума в 2 ГПа. Вследствие
радиоактивного распада температура в центре Ганимеда составляет около
30°С, а на поверхности она ниже - 100°С. Какие фазы льда имеются на
Ганимеде, если распределение температуры по глубине от поверхности
линейно?
40.
На рисунке приведена фазовая диаграмма льда. Лёд имеет восемь твердыхфаз различной кристаллической структуры. Согласно современным
представлениям, Ганимед, крупный спутник Юпитера, состоит в основном
из льда. Давление линейно возрастает при увеличении глубины от
поверхности Ганимеда, достигая максимума в 2 ГПа. Вследствие
радиоактивного распада температура в центре Ганимеда составляет около
30°С, а на поверхности она ниже - 100°С. Какие фазы льда имеются на
Ганимеде, если распределение температуры по глубине от поверхности
линейно?
41.
ЗаданиеСплав , соответствующий по составу фигуративной точке 1 охлаждают до
температуры 150 град. С (точка 3 на фазовой диаграмме):
Какие фазы присутствуют в точке 3, состав этих фаз в ат%. (приблизительно)
и их процентное отношение (приблизительно) ?