Материаловедение Лекция 5 Содержание лекции • Диаграмма

Материаловедение Лекция 5

Содержание лекции • Диаграмма состояния. Общие понятия • Определение состава фаз по диаграмме состояния • Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонент • Диаграммы состояния сплавов, образующих химические соединения, с полиморфным и эвтектоидными превращениями • Связь между строением и свойствами сплавов 2 2

Диаграмма состояния сплавов Металлы в сплавах могут образовывать устойчивые и неустойчивые химические соединения. Рассмотрим диаграмму состояния при образовании устойчивого химического соединения. Такое соединение дает, например, система Ca-Mg. Рассмотрим систему из компонентов А и В, которые образуют устойчивое соединение Am. Bn. Химическое соединение устойчиво, поэтому оно поддается нагреву без разложения до определенной температуры плавления. Это однокомпонентная система, тогда при плавлении С = К Ф + 1 = 1 2 + 1 = 0. На рис. 1 показана диаграмма состояния сплавов, где компоненты А и В образуют устойчивое химическое соединение. Рис. 1. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых образуют химические соединения 3

Диаграмма состояния сплавов Если в системе образуется стойкое химическое соединение, его можно рассматривать как самостоятельный компонент. Тогда диаграмма разбивается на две диаграммы состояния: 1) с компонентами А + Am. Bn и 2) с компонентами Am. Bn + В. Рис. 1. Точка С соответствует температуре плавления соединения Am. Bn. На диаграмме имеются две эвтектические точки: Эвт1 (кр. А + кр. Am. Bn); Эвт2(кр. В + кр. Am. Bn). Эвт1 – смесь кристаллов компонента А и химического соединения Am. Bn. Эвт2 – смесь кристаллов компонента В и химического соединения Am. Bn. Заэвтектический сплав (для эвтектики Эвт1) и доэвтектический сплав (для эвтектики Эвт2) состоят из первичных кристаллов Am. Bn и эвтектики Эвт1 и Эвт2, соответственно. Кристаллизация таких сплавов происходит подобно кристаллизации сплавов, образующих механическую смесь кристаллов чистых компонентов А и В. Однако, кроме выделения кристаллов чистых компонентов А и В, образуются кристаллы химического соединения Am. Bn. 4

Диаграмма состояния сплавов Диаграмма сплавов с химическим соединением является сложной, состоящей из двух простых диаграмм. Если компоненты А и В образуют два или более химических соединений, то диаграмма состояния как бы составлена соответственно из трех, четырех и более простых диаграмм. Число компонентов и количество диаграмм зависит от того, сколько химических соединений образуют основные компоненты системы. Число фаз и вид простых диаграмм определяются характером взаимодействия между компонентами. 5

На рис. 2 приведена диаграмма состояния сплавов, где компоненты А и В образуют неустойчивое химическое соединение Am. Bn, которое при определенной температуре распадается на жидкость и один из компонентов. При нагреве неустойчивое химическое соединение Am. Bn распадется на жидкость и кристаллы В, а при охлаждении происходит обратная реакция: Ж + В Am. Bn. В отличие от образования перитектики жидкость взаимодействует с выпавшими кристаллами и образует не новый твердый раствор, а химическое соединение. Верхняя площадка на диаграмме соответствует образованию неустойчивых химических соединений, а нижняя – образованию эвтектики (А + Am. Bn). Рис. 2. Диаграммы состояния (б) и кривые охлаждния (а) сплавов, компоненты которых образуют неустойчивые химические соединения 6

Диаграмма состояния сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии (переменная растворимость) В ряде сплавов фазовые превращения протекают в твердом состоянии. Сплавы такого типа изменяют механические свойства и структуру при специальной термической обработке. Превращения в твердом состоянии могут быть обусловлены полиморфизмом компонентов, их переменной растворимостью в твердом состоянии при изменении температуры, частичным распадом твердого раствора при понижении температуры. 7

Диаграмма состояния сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии (переменная растворимость) Полиморфные превращения обуславливают процесс вторичной кристаллизации. Изменение типа кристаллической решетки одного из компонентов приводит к изменению растворимости в нем другого компонента. На рис. 3. приведена диаграмма состояния сплава, компоненты которого неограниченно растворимы в твердом состоянии. Но при этом компонент А имеет полиморфные модификации А и А. Температура полиморфного превращения – Тп. Рис. 3. Диаграмма состояния (б) и кривые охлаждения (а) сплавов с полиморфным превращением компонентов. 8

При охлаждении сплава I ниже температуры Т 2 он кристаллизуется с образованием твердого раствора . В диапазоне температур Т 3 -Т 4 компонент А изменяет кристаллическую решетку, вследствие чего образуется -твердый раствор. Сплавы, соответствующие области правее точки В (сплав II), не испытывают полиморфного превращения. После охлаждения такой сплав содержит кристаллы твердого -раствора. Рис. 3. Диаграмма состояния (б) и кривые охлаждения (а) сплавов с полиморфным превращением компонентов. 9

В некоторых сплавах с понижением температуры изменяется растворимость компонентов в твердом состоянии. Характерный вид диаграммы состояния таких сплавов приведен на рис. 4 На диаграмме линия АВС – ликвидус, АЕВDC – солидус, EBD – линия эвтектического превращения, EF и DG – линии предельной растворимости компонентов В в А (EF) и А в В (DG). Максимальная растворимость компонента В в А соответствует проекции точки Е на ось концентраций, компонента А в В – проекции точки D. При достижении сплавом I точки Т 3 из твердого -раствора будет выделяться избыток компонента В в виде кристаллов твердого -раствора. Образующиеся из твердой фазы кристаллы обозначают II. Аналогичные превращения происходят при охлаждении сплава IV. Выделяющиеся из твердой фазы -раствора кристаллы обозначают II. Твердые - и Рис. 4. Диаграмма состояния (б) и кривые растворы в сплавах с понижением охлаждения (б) сплава, компоненты которого имеют температуры распадаются с переменную растворимость в твердом состоянии образованием II- и II-растворов. Состав II- раствора соответствует точке G. Состав II-раствора – точке F. 10

Существуют сплавы, компоненты которых обладают различной растворимостью при высоких и низких температурах. Характерный вид диаграмм состояния сплавов, у которых -раствор устойчив, а -раствор распадается при понижении температуры приведен на рис. 5. Рис. 5. Диаграмма состояния сплава с эвтектоидным превращением. 11

При охлаждении сплава I до температуры Т 2 в системе образуется раствор, который при температуре ниже Т 3 распадается вследствие уменьшения растворимости компонентов. В этом температурном диапазоне существуют две фазы +. Дальнейшее понижение температуры приводит к распаду -раствора с выделением двух фаз: и ’. Превращение, при котором из одной твердой фазы образуются две, называется эвтектоидным. Общее уравнение эвтектоидного превращения + . 12

Связь между структурой и свойствами сплавов Одним из основоположников физикохимического анализа Н. С. Курнаковым установлена взаимосвязь диаграмм состояния и свойств сплава от их состава (рис. 6). • При образовании механических смесей свойства изменяются по линейному закону. Значения характеристик свойств сплава находятся в интервале между характеристиками чистых компонентов. • При образовании твердых растворов с неограниченной растворимостью свойства сплавов изменяются по криволинейной зависимости , причем некоторые свойства, например, электросопротивление, могут Взаимосвязь типа диаграммы состояния и значительно отличаться от свойств сплавов с компонентами: компонентов. а – практически нерастворимыми в твердом состоянии; б) – неограниченно растворимыми в 13 твердом состоянии;

• При образовании твердых растворов с ограниченной растворимостью свойства в интервале концентраций, отвечающих однофазным твердым растворам, изменяются по криволинейному закону, а в двухфазной области – по линейному закону. Причем, крайние точки являются свойствами чистых фаз, предельно насыщенных твердых растворов, образующих данную смесь. • При образовании химических соединений концентрация химического соединения отвечает максимуму на кривой. Химические соединения типа Am. Bn обладают свойствами, резко отличающимися от свойств исходных компонентов. Вследствие этого на кривых свойствосостав в месте сингулярной точки (точки образования химического соединения постоянного состава) появляется характерный перелом. Рис. 6. Взаимосвязь типа диаграммы состояния свойств сплавов с компонентами: в) – ограниченно растворимыми в твердом состоянии; г – образующими химическое состояние. 14