Теория сплавов. Диаграммы состояния сплавов двойных систем

1. Дисциплина «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ»

Раздел
«ТЕОРИЯ СПЛАВОВ»
Изучаем диаграммы состояния
сплавов двойных систем
Составила
преподаватель Мерцалова Е.О.

2. Содержание

1. Общие сведения о сплавах:
• понятия и определения
• способы получения сплавов
• виды сплавов
2. Фазы и структурные составляющие сплавов:
• жидкая фаза
• твердые растворы
• химические соединения
• механические смеси
3. Порядок построения диаграмм двойных сплавов
4. Правило фаз
5. Правило отрезков
6. Типовые диаграммы состояния сплавов двойных систем
7. Реальные диаграммы состояния сплавов двойных систем
8. Связь между свойствами сплавов и их диаграммами состояния.

3. Общие сведения о сплавах

Сплавы — сложные вещества, получаемые
сплавлением или спеканием двух или нескольких
простых веществ, называемых компонентами.
Сплав считается металлическим, если его основу
(свыше 50% по массе) составляют металлические
компоненты.
Металлические сплавы обладают более высокими
прочностными и другими механическими
свойствами по сравнению с чистыми металлами.
По этой причине они получили широкое применение
в качестве конструкционных материалов.
Сплавы бывают двух-, трех- и многокомпонентные.

4.

Способы получения
сплавов.
Термин «сплав» в
настоящее время имеет
более широкое значение,
чем в прошлом.
Раньше к промышленным
сплавам относили
материалы, содержащие
несколько элементов и
полученные путем
сплавления.
Для получения сплавов
используют различные
технологические способы:
порошковую
металлургию
(прессование твердых
частиц с последующим
спеканием при высоких
температурах),
диффузионный метод
(проникновение одного
вещества в другое при
высоких температурах),
плазменное напыление,
электролиз,
кристаллизацию из
паров и др.

5.

В промышленных сплавах в качестве основного
компонента используют различные металлы в
сочетании с металлами или неметаллами.
Компонентами называют вещества,
образующие систему.
В качестве компонентов выступают чистые
вещества и химические соединения, если они не
диссоциируют на составные части в
исследуемом интервале температур.
Система – это совокупность бесконечно
большого числа сплавов, образованных
данными компонентами.

6.

В сплавах элементы могут взаимодействовать между собой,
образуя различные по химическому составу, типу связей,
строению кристаллические фазы.
Фазой называют однородную часть системы, отделенную от
других частей системы поверхностностью раздела, при
переходе через которую структура и свойства резко
меняются.
Строение сплава зависит от того, в какие взаимодействия
вступают компоненты, составляющие сплав.
В зависимости от характера взаимодействия компонентов
различают сплавы:
механические смеси;
твердые растворы;
химические соединения.

7. Фазы и структурные составляющие сплавов: жидкая фаза твердые растворы химические соединения механические смеси

8.

Твердые растворы
- фаза, в которой один из компонентов сплава
(растворитель) сохраняет свою
кристаллическую решетку, а другой (или
другие компоненты) располагается в решетке
растворителя, изменяя ее периоды. Различают
твердый раствор замещения и твердый
раствор внедрения.

9.

При образовании твердого
раствора замещения (а)атомы
растворенного компонента
замещают часть атомов
растворителя в его
кристаллической решетке.
При образовании твердых
растворов внедрения (б)атомы
растворенного элемента
размещаются в порах
кристаллической решетки
растворителя.
Твердые растворы замещения
могут образоваться в том случае,
когда атомные радиусы
растворителя и растворенного
элемента отличаются не более чем
на 15% (размерный фактор).
Растворимость компонентов в
твердом состоянии уменьшается
при увеличении различия в
атомных радиусах сплавленных
элементов и их валентности.
При соблюдении размерного
фактора и одинаковом типе
кристаллической решетки
образуются твердые растворы с
неограниченной растворимостью
компонентов.
Основным условием возможности
образования твердого раствора
внедрения является размерный
фактор — размер межузельного
атома должен быть меньше
размера поры.
Такие твердые растворы возникают
при сплавлении переходных
металлов с неметаллами (водород,
кислород, азот, бор), имеющими
малый радиус.
Твердые растворы внедрения
всегда имеют ограниченную
растворимость.

10.

Элементарное строение и размеры атомов компонентов различны,
поэтому при образовании твердых растворов кристаллическая решетка
растворителя искажена.
Искажения решетки при образовании твердых растворов внедрения
больше, чем при образовании твердых растворов замещения, но в
обоих случаях увеличение концентрации растворенного вещества
приводит к
возрастанию электрического сопротивления, твердости прочности
сплавов и снижению пластичности и вязкости.
В многокомпонентных сплавах, содержащих более двух элементов,
возможно растворение в одном и том же растворителе
и путем замещения, и путем внедрения.
Так, при сплавлении железа с марганцем и углеродом получается
твердый раствор, в котором марганец растворяется путем замещения, а
углерод — путем внедрения.
Твердые растворы на основе металлов сохраняют высокую
технологическую пластичность и составляют основу большинства
промышленных конструкционных сплавов.

11.

Химические соединения
образуются между элементами, значительно
различающимися по строению и свойствам,
если сила взаимодействия между
разнородными атомами больше, чем между
однородными.
Кристаллы химического соединения имеют
кристаллическую решетку, отличную от
кристаллических решеток компонентов,
образовавших сплав.

12.

Химическое соединение характеризуется:
• постоянством состава, т.е. сплав образуется
при определенном (кратном) соотношении
компонентов, которое выражается формулой
АmВn, где А и В — компоненты сплава, а т и
n — простые числа (АI03, СuАI2);
• ярко выраженными индивидуальными
свойствами, значительно отличающимися от
свойств составляющих компонентов;
• постоянством температур кристаллизации и
плавления, как у чистых компонентов;
• образование химического соединения
сопровождается значительным тепловым
эффектом.

13.

Соединения одних металлов с другими носят общее
название интерметаллиды, или интерметаллические
соединения.
Соединения металлов с неметаллами (карбиды, нитриды и
т.д.), которые могут обладать металлической связью, часто
называют металлическими соединениями.
Некоторые химические соединения, образующиеся в
металлических сплавах, не подчиняются законам
валентности и не имеют постоянного состава.

14.

Механические смеси
образуются в тех случаях, когда компоненты не
способны к взаимному растворению в твердом
состоянии и не вступают в химическую реакцию с
образованием соединения.
Такие сплавы 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. В сплавах сохраняются кристаллические
решетки компонентов.

15. Порядок построения диаграмм двойных сплавов. Диаграмма состояния - представляет собой графическое изображение состояния сплава.

Если изменяется состав сплава, его температура,
давление, то состояние сплава также изменяется, и это
находит графическое отображение в диаграмме
состояния.
Диаграмма состояния показывает устойчивое состояние,
т.е. состояние, которое в данных условиях обладает
минимумом сводной энергии. Поэтому диаграмма
состояния может также называться диаграммой
равновесия, ибо она показывает, какие при данных
условиях существуют равновесные фазы.
сплавов

16.

17. Построение диаграмм состояния наиболее часто осуществляется при помощи термического анализа. С этой целью для конкретных

сплавов
строят экспериментальные кривые
охлаждения и нагрева сплавов в
координатах «температура — время».
Точки нагрева на кривых охлаждения
характеризуют температуры, при которых
начинаются или заканчиваются физикохимические изменения в сплавах.

18. Эти точки называются критическими точками или критическими температурами. В результате получают серию кривых охлаждения, на

которых при температурах фазовых превращений
наблюдаются точки перегиба и температурные
остановки.
Температуры, соответствующие фазовым
превращениям, называют критическими точками.
Некоторые критические точки имеют названия:
точки, соответствующие
- началу кристаллизации, называют точками ликвидус,
- концу кристаллизации — точками солидус.

19. Критические точки переносят на диаграмму (в координатах «температура — концентрация компонентов»). Соединяя критические точки,

получают
линии диаграммы состояния.
Геометрическое место всех точек, которые
определяют температуру начала
кристаллизации, называют линией
ликвидус, конца кристаллизации — линией
солидус.

20. Диаграмма состояния в удобной графической форме: • показывает фазовое состояние сплава в зависимости от температуры и

концентрации
компонентов;
• устанавливает, какие превращения
происходят в сплаве при нагреве (охлаждении);
• определить температуры плавления или
затвердевания сплава;
• выбрать рациональный режим термической
обработки;
• прогнозировать поведение сплава в заданном
интервале температур.

21. Правило фаз

Общие закономерности сосуществования
устойчивых фаз, отвечающих теоретическим условиям
равновесия, могут быть выражены в математической
форме, именуемой правилом фаз,
или законом ГИББСА.
Правило фаз даёт количественную зависимость
между степенью свободы системы и количеством фаз
и компонентов.
Правило фаз представляет собой математическое
выражение условия равновесия системы, т.е. уравнение
правила фаз показывает количественную зависимость
между числом степеней свободы системы С и числом
компонентов K и фаз Ф:
С=К–Ф+2

22. Правило фаз и все, связанные с ним выводы справедливы только для равновесного состояния. Независимыми переменными в уравнении

правила
фаз являются концентрация, температура,
давление.
Если давление принять постоянным, то уравнение
примет вид:
С = К - Ф + 1.

23. Правило отрезков

В процессе кристаллизации изменяются
концентрации фаз, и количество каждой фазы.
и
В любой точке диаграммы, когда в сплаве
одновременно существуют две фазы, можно
определить
количество
обеих
фаз
или
концентрацию.
Для этого применяется правило отрезков, или
правило рычага.
Правило отрезков в двойных диаграммах состояния
можно применять только в двухфазных областях.
В однофазной области имеется лишь одна фаза; любая
точка внутри области характеризует ее концентрацию.

24. Первое положение правила отрезков. Чтобы определить концентрацию компонентов в фазах, через данную точку, характеризующую

состояние сплава,
проводят горизонтальную линию до пересечения с
линиями, ограничивающими данную область; проекции
точек пересечения на ось концентрации показывают
составы фаз.
Второе положение правила отрезков.
Для того, чтобы определить количественное
соотношение фаз, через заданную точку проводят
горизонтальную линию. Отрезки этой линии между
заданной точкой и точками, определяющими составы
фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

25. Все существующие металлические сплавы можно разделить на четыре основных вида (рода): - смесь зерен компонентов; -

неограниченные твердые
растворы;
- с ограниченной растворимостью
компонентов;
- с устойчивым химическим
соединением.

26. Типовые диаграммы состояния сплавов двойных систем