Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ Термодинамическая металлическая система

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ 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

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ 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 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.

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ Однокомпонентная система: независимые переменные р и Т

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ Двухкомпонентная (бинарная) система (А+В): независимые переменные р, Т и ХВ

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ 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

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ По степени взаимной растворимости компонентов твердые растворы замещения делят на ограниченные и неограниченные. 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 свойств (электронного строения) металлов. 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 твёрдые растворы обозначают буквами - α´, β´, γ´

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ Сверхструктуры образуют компоненты сплава, находящиеся в соотношении АВ, АВ 2, АВ 3. При изменении температуры происходит разупорядочение их структуры с соответствующим изменением свойств. Температуру разупорядочения называют точкой Курнакова.

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ Закон Вегарда: периоды элементарных ячеек твёрдых растворов изоморфных веществ линейно зависят от концентрации

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ Химические соединения – фазы постоянного состава, соотношение элементов в которых подчиняется правилу валентности: - с ионным типом связи – оксиды (Fe. O, Cu. O, Mg. O и т. д. ); - с ионно-ковалентным – сульфиды, фосфиды (Zn. S, Al. P и др. ); -c металлическим типом связи – интерметаллиды (Ti. Ni, Cu. Zr 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).

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ Интерметаллиды типа АВ 2, характеризующиеся отношением атомных радиусов 1, 1… 1, 6 называются фазами Лавеса (Nb. Fe 2, Ti. Cr 2, Ag. Be 2 и др. ); фазы Юм-Розери (электронные соединения) – соединения со строго определённым количеством электронов, приходящихся на один атом: 3/2, 21/13, 7/4 – Cu. Be, Cu 5 Zn 8, Cu 3 Sn). 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.

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ 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.

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ Диаграммы состояния двойных систем с непрерывным рядом твёрдых растворов

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ Бинодальная кривая Пример диаграмм состояния двойной системы с расслоением твёрдого раствора

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ Кривые охлаждения и диаграмма состояния с ограниченной растворимостью компонентов в твёрдой фазе

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ Кривые охлаждения и диаграмма состояния медь - никель

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ конода Солидус Сольв ль (массовые %) Система сплавов с эвтектическим равновесием и граничными твердыми растворами ву с

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ 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

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ Лекция 3 А Ха 0 Хn Хb Компонент В, % В 100 Согласно правилу рычага, массовая доля твёрдой фазы в сплаве Хn при температуре. T 2 определяется отношением отрезков an/ab, а жидкой фазы - bn/ab

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ • Эвтектическое равновесие: Жв и ↔ αа + βв , где Ж – жидкость (расплав), αа βв кристаллы твёрдых фаз компонентов А и В, соответственно

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ Вторичные кристаллы в структуре металлического сплава: а - при медленном охлаждении; б при ускоренном охлаждении (видманштеттова структура) Структура доэвтектического сплава: а - при эвтектической температуре до начала реакции; б - при эвтектической температуре после реакции; в - при «комнатной» температуре

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ Диаграмма состояния двойной системы с перитектическим равновесием Перитектическое превращение - образование одной из кристаллических фаз вследствие взаимодействия другой кристаллической фазы с расплавом

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ Пример двойной диаграммы с полной взаимной растворимостью в жидком состоянии и эвтектоидным распадом в твёрдом

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ Характер изменения физико-механических свойств сплавов типичных металлических систем

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ Тип диаграммы состояния и механические свойства сплавов

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ 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)

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ Зависимость жидкотекучести L от состава сплавов систем различного типа

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ Схема остановки расплава при заполнении формы «узкоинтервальным» (а) и «широкоинтервальным» сплавом

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ Образование усадочной раковины (а) и рассеянной пористости (б, в) при затвердевании слитка в металлической изложнице

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ Зависимость объёмной усадки V от состава сплавов систем различного типа

Лекция 3 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ 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 изменяют свою структуру, их свойства при переходе к неравновесному состоянию, зависящему от реальных условий литья, обработки давлением и специальной термической обработки