Правило курнакова медь серебро

Методические указания к выполнению контрольной работы №1,2 по курсу «материаловедение» для студентов специальности 120100 заочной формы обучения (стр. 1 из 4)

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

Балаковский институт техники, технологии и управления

к выполнению контрольной работы № 1,2

по курсу «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ»

для студентов специальности 120100

заочной формы обучения

Балаковского института техники,

технологии и управления

Прогресс в области машиностроения тесно связан с созданием и освоением новых, наиболее экономичных материалов, в том числе полимерных и особо чистых; развитием и внедрением в производство новейших методов упрочнения металлов и других промышленных материалов; расширением сортамента выпускаемых материалов.

Совершенствование производства, выпуск современных разнооб­разных машиностроительных конструкций, специальных приборов и машин невозможны без дальнейшего развития производства метал­лических сплавов, которые в настоящее время являются основными материалами в машиностроении. В зависимости от назначения к сплавам предъявляются различные требования. Некоторые из них должны отличаться высокой прочностью, другие — пластичностью, третьи — высокой электропроводностью или высоким электрическим сопротивлением, четвертые — специальными магнитными свойствами и т. д. Получение тех или иных свойств определяется внутренним строением сплавов. В свою очередь строение сплава зависит от со­става и характера предварительной обработки. Следовательно, меж­ду всеми этими характеристиками существуют определенные связи: между составом и строением (первая связь), между обработкой и строением (вторая связь) и между строением и свойствами (третья связь). Изучение этих связей составляет предмет дисциплины, которая называется «Материаловедение». В этой дисциплине изучаются, с одной стороны, физические основы указанных выше связей; с другой стороны, материаловедение является первой инженерной дисципли­ной, данные которой широко используются при курсовом и диплом­ном проектировании, а также в практической деятельности инжене­ров-машиностроителей.

Контрольные задания имеют по десять вариантов. Студент выполняет тот вариант задания, номер которого соответствует последней цифре шифра. Например, студент, имеющий шифр 176245, выполняет вариант 5, а имеющий шифр 1761020 выполняет вариант 10.

ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К СОДЕРЖАНИЮ И

ОФОРМЛЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

Содержание контрольной работы должно соответствовать установленному варианту. Произвольные отклонения от порядка выбора задания не допускаются и контрольные варианты, выполненные не на тему или с отклонениями от нее, не засчитываются. Контрольные задания выполняют в письменном виде. Текст вопросов должен быть написан перед ответом на вопрос и подчеркнут. Ответы на вопросы контрольных заданий должны быть четкими и ясными, основываться на теоретических положениях, изложенных в рекомендуемых учебниках, иллюстрироваться схемами, эскизами, а также примерами из учебной литературы или из практики предприятия, на котором студент работает. Ответы на вопросы контрольных заданий следует давать своими словами, а не переписывать соответствующий текст учебника или учебного пособия. Эскизы, схемы и чертежи выполняются от руки в масштабе с указанием основных размеров, сечений и разрезов по правилам Единой системы конструкторской документации (ЕСКД). Страницы контрольной работы, таблицы и рисунки необходимо пронумеровать, при этом рисунки, эскизы и схемы должны иметь поясняющие подписи. При ответе следует ссылаться на иллюстративный материал. На страницах работы необходимо оставить поля для замечаний рецензента. Страницы контрольной работы нумеруются внизу справа. Объем выполняемого задания – 10-12 страниц стандартной ученической тетради. В конце выполненного задания студент приводит список использованной литературы по ГОСТ 7.1-2003, указывает дату выполнения работы и ставит свою подпись.

Если работа не зачтена, то она посылается на повторное выполнение. Исправленная контрольная работа сдается в деканат. Без выполненной контрольной работы студенты не допускаются к экзамену,

ВАРИАНТЫ КОНТРОЛЬНОГО ЗАДАНИЯ № 1

1. Опишите физическую сущность процесса кристаллизации.

2. Вычертите диаграмму состояния системы висмут – сурьма. Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состоя­ниях, укажите структурные составляющие во всех областях диаграм­мы состояния и объясните характер изменения свойств сплавов в данной системе с помощью правил Курнакова (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма состояния висмут – сурьма (Bi – Sb)

3. Какой вид напряжений приводит к вязкому разрушению путем среза? Объясните природу разрушения.

4. Вычертите диаграмму состояния железо — карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до 0°С (с применением правила фаз) для спла­ва, содержащего 2,6% С. Для заданного сплава определите процент­ное содержание углерода в фазах при температуре 1000° С.

5. Вычертите диаграмму изотермического превращения аустени­та для стали У8, нанесите на нее кривую режима термической обра­ботки, обеспечивающей получение твердости HRC60—63. Укажите, как этот режим называется, опишите сущность превращений и какая структура получается при этом.

1. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решетки магния (параметры, координационное число, плотность упа­ковки).

2. Вычертите диаграмму состояния системы свинец — сурьма. Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состоя­ниях, укажите структурные составляющие во всех областях диаграм­мы состояния и объясните характер изменения свойств в данной системе с помощью правил Курнакова (рис. 2).

Рис. 2. Диаграмма состояния свинец – сурьма (Pb – Sb)

3. Как изменяются механические и другие свойства при нагре­ве наклепанного металла?

4. Вычертите диаграмму состояния железо — карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую нагревания в интервале температур от 0 до 1600°С (с применением правила фаз) для спла­ва, содержащего 3,3%С. Для заданного сплава при температуре 1200° С определите: процентное содержание углерода в фазах; ко­личественное соотношение фаз.

5. С помощью диаграммы состояния железо — карбид железа оп­ределите температуру полного и неполного отжига и нормализации для стали 20. Охарактеризуйте эти режимы термической обработки и приведите краткое описание микроструктуры и свойств стали после каждого вида обработки.

1. Постройте с применением правила фаз кривую нагревания для алюминия.

2.Вычертите диаграмму состояния системы медь — серебро, Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твёрдом состояниях, укажите структурные составляющие, во всех областях диаграммы состояния и объясните характер изменения свойств в дан ной системе с помощью правила Курнакова (рис.3).

Рис. 2. Диаграмма состояния медь – серебро (Cu – Ag)

3. Опишите линейные несовершенства кристаллического строения. Как они влияют на свойства металлов и сплавов?

4. Вычертите диаграмму состояния железо — карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до 0 ° С (с применением .правила фаз) для сплава, содержащего 2,3% С. Выберите для заданного сплава любую температуру между линиями ликвидус и солидус и определите: состав фаз, т. е, процентное содержание углерода в фазах; количественное соотношение фаз.

5. Используя диаграмму изотермического превращения аустенита, объясните, почему нельзя получить в стали чисто мартенситную структуру, при охлаждении её со скоростью, меньшей критической скорости закалки.

1. Дайте определение твердости. Какими методами измеряют твер­дость металлов и сплавов? Опишите их.

2. Вычертите диаграмму состояния системы свинец — олово, опи­шите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояния и объясните характер изменения свойств сплавов с по­мощью правил Курнакова (рис.4).

Рис. 1 Диаграмма состояния свинец – олово

3. Для чего применяется отжиг в процессе изготовления холоднокатаной стальной ленты? Как называется такой вид отжига?

4. Вычертите диаграмму состояния железо — карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую нагревания в интервале температур от 0 до 1600°С (с применением правила фаз) для спла­ва, содержащего 2,4%С. Для заданного сплава при температуре 1250°С определите: состав фаз, т. е. процентное содержание углеро­да в фазах; количественное соотношение фаз.

5. Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали и нанесите на нее кривую режима изотерми­ческого отжига. Опишите превращения и получаемую после такой обработки структуру.

mirznanii.com

Правило курнакова медь серебро

3. Назначьте режим термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска) зубил из стали У8. Опишите структуру и твердость инструмента после термической обработки.

4. В результате термической обработки полуоси должны получить повышенную прочность по всему сечению (твердость НВ230-280). Для их изготовления выбрана сталь 40ХНР. Укажите состав и определите, группу стали, по назначению. Назначьте режим термической обработки, приведите его обоснование, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки, данной стали. Опишите структуру и свойства стали после термической обработки.

5. Для некоторых деталей (щеки барабанов, шары дробильных мельниц и т.п.) выбрана сталь 110Г13. Укажите состав и определите. группу стали по назначению. Назначьте режим термической обработки и обоснуйте его выбор. Опишите. микроструктуру стали и причины ее высокой износоустойчивости.

1. Вычертите диаграмму состояния системы медь-серебро. Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояния и объясните характер изменения свойств сплавов в данной системе с применением правил Курнакова.

2. Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до 0 о С (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 2.8%С. Выберите, для заданного сплава любую температуру между линиями ликвидус и солидус и определите: состав фаз, т.е. процентное содержание углерода в фазах, количественное соотношение фаз.

3. Выберите углеродистую сталь для изготовления пил. Назначьте режим термической обработки, опишите сущность происходящих превращений, структуру и свойства инструмента.

4. Для изготовления деталей штампов, обрабатывающих металл в горячем состоянии, выбрана сталь 5ХНМА. Укажите состав, назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки данной стали. Опишите микроструктуру и свойства стали после ее обработки.

5. Для обшивки летательных аппаратов использован сплав ВТ9. Приведите химический состав сплава, режим упрочняющей термической обработки и получаемую структуру. Опишите процессы, протекающие при термической обработке. Какими преимуществами обладает сплав ВТ9 по сравнению с ОТ4.

studfiles.net

Диаграмма состояния системы медь-серебро. Свойства сплавов в данной системе

Диаграмма состояния сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии (переменная растворимость)

По внешнему виду диаграмма похожа на диаграмму состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Отличие в том, что линии предельной растворимости компонентов не перпендикулярны оси концентрации. Появляются области, в которых из однородных твердых растворов при понижении температуры выделяются вторичные фазы.

abc — линия ликвидус: Хь — химический состав эвтектики.

adec — линия солидус.

df, eg — линии переменной предельной растворимости в твердом состоянии.

б- ограниченный твердый раствор компонента Сu в компоненте Ag.

в — ограниченный твердый раствор компонента Ag в компоненте Cu.

В заэвтектических сплавах. Максимальное содержание компонента Cu в фазе б определяется точкой Е и при охлаждении снижается до точки G . Поэтому при охлаждении от точки E до G точки, происходит выделение компонента Cu виде вторичных кристаллов в-фазы, богатой компонентом В. Конечная структура сплава будет б+вII. В эвтектическом сплаве в точке Ж превратится в эвтектику Жб+в.

При охлаждении в интервале температур ниже точки состав б-фазы меняется по линии EG , в результате чего выделяются вторичные кристаллы в, а состав в-фазы меняется по линии DF , выделяются вторичные кристаллы б. При комнатной температуре состав эвтектики будет иметь четыре слагаемых Жэвтектика(б+вII+в+бII)

Сплав (1): Сплав заевтектический. Выше температуры t=870є- охлаждение сплава — превращений нет. В интервале температур 870-779єС -первичная кристаллизация б-кристаллов, при этом содержание Ag в жидкости уменьшается по линии CF и состав жидкости постепенно приближается к эвтектическому ЖЖ+б. При температуре 779є-состав жидкости соответствует эвтектическому, идет образование эвтектики (температура постоянна)Ж+бЭ+б. Температура ниже 779єС — охлаждение сплава, вторичная кристаллизация с образованием вII -вторичных кристаллов Э+ бЭ+ б+ вII .

Термическая обработка данного сплава заключается в применении одного из способов термообработки для сплавов не имеющих превращений в твёрдом состоянии.

Закалка+один из видов отжига

Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг. Применяется для устранения ликвации, выравнивания химического состава сплава.

В его основе — диффузия. В результате нагрева выравнивается состав, растворяются избыточные карбиды.

Температура нагрева зависит от температуры плавления, ТН = 0,8 Тпл.

Продолжительность выдержки: 8-20 часов.

Рекристаллизационный отжиг проводится для снятия напряжений после холодной пластической деформации.

Температура нагрева связана с температурой плавления: ТН = 0,4 Тпл.

Продолжительность зависит от габаритов изделия.

Отжиг для снятия напряжений после горячей обработки (литья, сварки, обработки резанием, когда требуется высокая точность размеров).

Температура нагрева выбирается в зависимости от назначения, находится в широком диапазоне: ТН = 160…700°С.

Продолжительность зависит от габаритов изделия.

После такого отжига изделие очень медленно охлаждают 20-200°С/ч

Правило Н.С. Курнакова устанавливает связь между типом диаграммы состояния и характером изменения физико-механических свойств. Свойства сплава будут меняться по прямолинейной зависимости.

vuzlit.ru

Правило курнакова медь серебро

Диаграммы состояния представляют собой графическое изображение фазового состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Диаграммы состояния строят для условий равновесия, т. е. такого состояния сплава, которое достигается при очень малых скоростях охлаждения или длительном нагреве. Диаграммы состояния сплавов в равновесном состоянии являются теоретическими диаграммами, так как истинное равновесие в практических условиях достигается редко. В большинстве случаев сплавы находятся в метастабильном состоянии, т. е. в состоянии с ограниченной устойчивостью.
Диаграмма состояния сплавов для случая неограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии. Рассмотрим диаграмму состояния сплавов системы медь — никель (рис. 14). Медь и никель, соединяясь в любых пропорциях, образуют непрерывный ряд твердых растворов, так как атомы никеля способны заместить в кристаллической решетке все атомы меди. Температура плавления меди составляет 1083°С, никеля 1445°С.
Рассмотрим кривые охлаждения (рис. 14, а) сплавов системы медь-никель для пяти составов следующей концентрации, %: lOOCu, 80Cu+20Ni, 60Cu+40Ni, 20Cu+80Ni, lOONi. Чистые металлы (кривые 1 и 5) имеют одну критическую точку — температуру затвердевания (кристаллизации), а сплавы (кривые 2, 3, 4) — две, т. е. сплавы в отличие от чистых металлов кристаллизуются в интервале температур. Например, кристаллизация сплава 3 начинается при температуре t₁ (точка a₁), при этой температуре из жидкого сплава начинают выпадать первые кристаллы твердого α-раствора, а заканчивается кристаллизация при температуре t₃ (точка b₁). При этой температуре затвердевает последняя капля жидкого сплава. Разная температура конца кристаллизации сплавов свидетельствует о том, что состав твердой фазы непрерывно изменяется.

Для построения диаграммы состояния (рис. 14, 6) на оси абсцисс сетки в координатах температура — концентрация откладывают (отмечают точками) составы пяти сплавов и восстанавливают из каждой точки вертикальные линии. После этого переносят на эти вертикальные линии с кривых охлаждения сплавов критические точки, а на левой и правой ординатах температур отмечают температуры кристаллизации чистых металлов — меди (100%) и никеля (100%). Соединив плавными кривыми температуры начала и конца кристаллизации всех сплавов, получают диаграмму состояния сплавов системы медь-никель с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Сплавы меди и никеля кристаллизуются и затвердевают в некотором температурном интервале. В пределах этого температурного интервала одновременно существуют две фазы: жидкий сплав и кристаллы твердого раствора — меди и никеля. На диаграмме этот интервал ограничен двумя линиями, соединяющими точки плавления чистых меди и никеля. Верхняя линия обозначает начало затвердевания при охлаждении или конец расплавления при нагреве, нижняя соответственно конец затвердевания или начало плавления. Рассмотренная диаграмма состояния сплава меди и никеля имеет три области. Область существования жидкого расплава лежит выше верхней линии, соединяющей точки плавления меди и никеля, а область существования кристаллических твердых растворов — ниже нижней линии. Между этими линиями находится двухфазная область, в которой одновременно существуют расплав и кристаллы твердого раствора. Верхнюю границу этой области называют линией ликвидус, а нижнюю — солидус («ликвидус» в переводе с латинского означает жидкий, «солидус» — твердый).
По этой же диаграмме состояния можно определить концентрации твердой и жидкой фаз в сплаве при его кристаллизации. Например, для сплава 3 при температуре t₂ концентрация фаз определяется горизонтальной линией mn₁, проведенной до пересечения с линиями солидус и ликвидус. Точка n₁ показывает концентрацию твердой фазы, а точка m — концентрацию жидкой фазы. При температуре t₃ концентрация твердой фазы определяется точкой b₁ на диаграмме состояния, а концентрация жидкой фазы – точкой m₁.
Из сказанного следует, что в процессе кристаллизации непрерывно изменяется состав фаз: жидкой по линии ликвидус и твердой по линии солидус. Кристаллы твердого раствора, выпадающие из жидкого при разной температуре, имеют переменный состав. Выросшие в первый момент кристаллизации, оси кристаллов обычно обогащаются тугоплавким компонентом (никелем), а междуосные пространства заполняются позже и обогащаются более легкоплавким компонентом (медью). Такую неоднородность отдельных кристаллов какого-либо сплава называют внутрикристаллической, или дендритной ликвацией. Дендритная ликвация тем больше, чем больше расстояние между линиями ликвидус и солидус.
Обычно это явление нежелательно и дендритную ликвацию предотвращают последующим длительным нагревом для выравнивания состава сплава, вследствие происходящего в нем диффузионного процесса.
К твердым растворам относят также сплавы систем Си-Аи, Ag-Аи, Ni-Аи, Fe-Cr, Fe-Va, Bi-Sb и др., кристаллизующиеся по рассмотренному типу диаграммы состояния, когда оба компонента неограниченно растворимы в жидком и твердом состояниях и не образуют химических соединений.
Диаграмма состояния сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов. Рассмотрим, например, диаграмму состояния сплавов системы висмут-кадмий (рис. 15). Область существования жидкого расплава ограничена сверху ломаной линией, соединяющей точки плавления висмута и кадмия через точку Е. В точке Е сплав (40% висмута и 60% кадмия) имеет одинаковые температуры ликвидуса и солидуса. Все остальные сплавы системы затвердевают и плавятся в пределах температурного интервала, который снизу ограничен горизонтальной линией солидуса. Сплав в точке Е имеет очень мелкие кристаллы висмута и кадмия, находящиеся в определенном взаимном расположении. Этот сплав называется эвтектикой («эвтектика » в переводе с греческого означает легкоплавкая). Эвтектикой называют механическую смесь двух (или более) видов кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкого сплава. Твердые сплавы, лежащие левее эвтектической точки Е, и сплавы, содержащие до 40% висмута, называют доэвтектическими, а лежащие правее точки Е и содержащие более 40% висмута — заэвтектическими. Доэвтектические сплавы состоят из смеси кристаллов висмута и эвтектики (кристаллы висмута + кристаллы кадмия), а заэвтектические — из смеси кристаллов кадмия с эвтектикой. По этому типу диаграммы состояния кристаллизуются также сплавы систем Zn-Sn, Pb-Ag, Ni-Cr, Cr-Mn, Cu–Bi, Al-Si.

Диаграмма состояния сплавов для случая ограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии. Одна из таких диаграмм показана на рис. 16, а. Система содержит три фазы — жидкий раствор, твердый раствор компонента В в компоненте А (назовем его α) и твердый раствор компонента А в компоненте В (назовем его β). Линия диаграммы KCD — линия ликвидуса, линия KECFD — линия солидуса. Кристаллы α выделяются из жидкого сплава по линии ликвидуса КС, а кристаллы β — по линии CD. Затвердевание сплавов происходит по линии солидуса КЕ с образованием кристаллов α и по линии DF — с образованием кристаллов β. Одновременная кристаллизация α- и β-фаз с образованием механической смеси кристаллов этих фаз происходит на линии солидуса ECF.
Сплав состава точки С после затвердевания называется эвтектическим, поскольку он состоит только из одной эвтектики α+β. Составы сплавов, лежащих левее эвтектической точки С на линии ЕС после затвердевания, называются доэвтектическими сплавами и имеют структуру α+эвтектика (α+β). Составы сплавов, лежащих правее точки С на линии CF после затвердевания, называются заэвтектическими сплавами и имеют структуру β+эвтектика (α+β).

Линия ES показывает ограниченную растворимость в твердом состоянии компонента В в компоненте А, уменьшающуюся с понижением температуры. Линия FM показывает растворимость компонента А в В, не изменяющуюся с понижением температуры.
Предельная растворимость компонента В в А характеризуется точкой Е, а А в В — точкой F. При кристаллизации сплавов, состав которых находится левее точки S (или правее точки М), при любой температуре в твердом состоянии все количество компонента В (или А) находится в твердом растворе и структура таких сплавов состоит из зерен α (или β).
В сплавах, состав которых находится между точками S и Е (за пределами растворимости В в А), образовавшиеся при затвердевании кристаллы α при понижении температуры ниже линии ES пересыщены компонентом В и поэтому из них происходит выделение избыточных кристаллов. Этими кристаллами являются кристаллы β концентрации точки М, называемые вторичными (β_II). Такие сплавы после полного охлаждения имеют структуру, состоящую из кристаллов α состава точки S и кристаллов β_II, т. е. α+β_II.
В сплавах состава линии ЕС, имеющих после затвердевания структуру α+эвтектика (α+β), из кристаллов α выделяются кристаллы β и после полного охлаждения структура будет α+эвтектика (α+β)+β_II.
Диаграммы состояния сплавов, образующих химические соединения. Сплавы, имеющие химическое соединение (рис. 16, б) компонентов А и В, имеют сложную диаграмму состояния. Химическое соединение обозначают А_mВ_n. Это указывает на то, что в данном соединении на m атомов компонента А приходится n атомов компонента В. Число фаз в данной системе три — жидкий раствор, твердый раствор компонента В в компоненте А (фаза α) и твердый раствор компонента А в компоненте В (фаза β).
Данная диаграмма как бы составлена из диаграмм для двух систем: компонент А – химическое соединение АmВn, и компонент В – химическое соединение А_mВ_n. В сплавах левее точки С компонента А имеется больше, чем входит в химическое соединение А_mВ_n. Следовательно, в этих сплавах левее точки С образуется эвтектика α+А_mВ_n. В сплавах правее точки С компонента В больше, чем может входить в химическое соединение АmВn. Следовательно, в этих сплавах образуется эвтектика А_mВ_n+β.
Связь между свойствами сплавов и типом диаграмм состояния. Между составом и структурой сплава (рис. 17), определяемой типом диаграммы состояния и свойствами сплава, имеется определенная зависимость (правило Н.С. Курнакова). В механических смесях свойства (твердость Н, электропроводность Е и др.) изменяются линейно (рис. 17, а). В твердых растворах свойства изменяются по криволинейной зависимости (рис. 17, 6). В химических соединениях свойства выражаются ломаными линиями (рис. 17, в). При концентрации, соответствующей химическому соединению, отмечается характерный перелом на кривой свойств. Это объясняется тем, что химические соединения обладают индивидуальными свойствами, обычно резко отличающимися от свойств образующих их компонентов.
По диаграммам состояния можно определять и технологические свойства сплавов, что облегчает выбор материала для изготовления изделий. Так, твердые растворы имеют низкие литейные свойства (плохую жидкотекучесть, склонны к образованию пористости и трещин). В свою очередь эвтектические сплавы имеют хорошую жидкотекучесть.

osvarke.info

Основные типы диаграмм двухкомпонентных систем;

Диаграммы состояния представляют собой графическое изобра­жение всех превращений, протекающих в сплавах в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Превращения в сплавах при нагреве или охлаждении зависят от того, какие фазы при этом образуются. Под_фазой понимают однородную часть системы, отделенную от других частей поверхностью раздела. Так, однородная жидкость представляет собой однофаз­ную систему, а жидкий сплав и находящиеся в нем кристаллы

или механическая смесь кристаллов двух видов—двухфазную систему.

Система может состоять из одного или нескольких компо­нентов, например, система медь—никель состоит из двух ком­понентов: меди и никеля.

Различают четыре главных типа диаграмм состояния двой­ных сплавов: 1) механическая смесь; 2) твердый раствор с не­ограниченной растворимостью; 3) твердый раствор с ограни­ченной растворимостью и 4) химическое соединение. Диа­граммы состояния двойных сплавов строят в двух измерениях:

по оси ординат откладывают температуру, а по оси абсцисс— концентрацию компонентов. Общее содержание двухкомпонент­ного сплава в любой точке абсциссы равно 100 %, а крайние ординаты соответствуют чистым компонентам. Каждая точка на диаграмме состояния показывает состояние сплава данной кон­центрации при данной температуре.

Правило фаз. Различные изменения системы, происходящие в зависимости от внешних условий (например, температуры), подчиняются правилу фаз. Последнее устанавливает зависимость между числом компонентов, числом и числом степеней свободы системы.

Под числом степеней свободы (вариант­ность) системы понимают число внешних и внутренних факто­ров (температура, давление и концентрация), которое можно изменить без изменения числа фаз данной системы.

Правило фаз для металлических систем при постоянном давлении выражается уравнением

где С—число степеней свободы системы; К – число компонентов, образующих систему; Ф—число фаз, находящихся в рав­новесии; 1 — число внешних переменных факторов (темпера­тура).

В процессе затвердевания чистого металла (К==1, Ф=2)— система нонвариантная (безвариантная), так как, согласно при­веденной формуле,

С =0. В системе нельзя произвольно изменять внешний фактор (температуру), не изменяя числа фаз и равновесия системы.

Чистый расплавленный металл (К= 1, Ф=1) представляет моновариантную (одновариантную) систему с одной степенью свободы

(С =1). Сохраняя металл в жидком виде, можно в оп­ределенных пределах (выше точки плавления) изменять темпе­ратуру, не изменяя числа фаз и равновесия системы. Если двух­компонентная система находится в расплавленном состоянии (К =2, Ф==1), то имеем две степени свободы (С=2), т. е. систему бивариантную (двухвариантную). В этом случае суще­ствуют различные температуры и концентрации, при которых не изменяется число фаз и равновесие системы. Для этой же системы при наличии двух фаз (жидкой и твердой) имеем К. =2, Ф=2 и С=1, т. е. с изменением температуры концентрация должна быть строго определенной.

Диаграмма состояния I типа.

По этой диаграмме кристал­лизуются сплавы, оба компонента которых неограниченно рас­творимы друг в друге в жидком состоянии, а в твердом обра­зуют механическую смесь. .

Диаграмму состояния строят на основании кривых охлаж­дения ряда сплавов данной системы. По остановкам и переги­бам на кривых охлаждения, вызванных тепловым эффектом превращения (скрытой теплотой кристаллизации и перекри­сталлизации), определяют критические точки, которые исполь­зуют для построения диаграмм состояния.

Рассмотрим систему свинец—сурьма и для шести ее спла­вов построим кривые охлаждения (рис. 5.3, а). Чистые металлы имеют одну критическую точку—температуру затверде­вания (кристаллизации), а сплавы—две, причем вторая критическая точка для всех сплавов соответствует одной температуре 246 °С. При этой температуре состав жидкой фазы всех сплавов одинаковый (13% Sb, 87% Рb). Это происходит

Рис. 5.3. Диарамма состояния 1 типа ( сплавы системы свинец – сурьма) :

а — кривые охлаждения; б – диаграмма состояния схемы структур, соответственно доэвтектического, эвтектического и заэвтектического сплавов : 1 – 100% Pb, 2 – 95%Pb, 5%Sb; 3 – 90%Pb, 10%Sb; 4 – 87%Pb, 13%Sb; 5 – 60% Pb, 40% Sb; 6 – 100% Pb.

потому, что процесс кристаллизации сплавов, содержащих 5 и 10% Sb, начинается с выделения кристаллов чистого свинца, а кристаллизация сплава, содержащего 40 % Sb, начинается с выделения кристаллов чистой сурьмы. Вследствие этого в первом случае остающийся жидкий сплав обедняется свинцом и обогащается сурьмой, а во втором, наоборот, обедняется сурьмой и обогащается свинцом. При достижении температуры 246 °С из жидкой фазы одновременно выделяются кристаллы свинца и сурьмы, образуя механическую смесь.

Механическую смесь кристаллов двух видов, одновременно кристаллизующихся из жидкого сплава при постоянной темпе­ратуре, называют эвтектикой.

Для построения диаграммы состояния (рис. 5.3, б) на оси. абсцисс откладываем составы шести сплавов и восстанавли­ваем из соответствующих точек вертикальные линии. Затем пе­реносим из кривых охлаждения сплавов критические точки, соединив которые получаем диаграмму состояния. При этом для упрощения не принято во внимание, что свинец и сурьма незначительно растворяются в твердом состоянии.

Верхняя кривая АОВ соответствует температуре начала кристаллизации сплавов, а нижняя прямая СОД—температуре конца кристаллизации. Первую называют линией ликвидус, и вторую — солидус. Сплавы, содержащие меньше 13% Sb, называют доэвтектическими (рис. 4.11), а сплавы, содержащие больше 13%, — заэвтектическими (рис..5.3). В точке О кри­сталлизуется сплав эвтектической концентрации. Структура сплава состоит только из эвтектики (рис. 5.3). .

По диаграмме состояния I типа кристаллизуются сплавы Zn—Sn, Рb—Sn, Рb—Аg, Ni—Сr , Cr – Mn, Cu—Вi, А1—Si.

Диаграмма состояния II типа. .

По этой диаграмме кристал­лизуются сплавы, оба компонента которых неограниченно рас­творимы в жидком и твердом состояниях и не образуют химических соединений.

Рассмотрим систему медь—никель для пяти её сплавов сле­дующей концентрация: 1) 100% Сu; 2) 80% Сu+20% Ni;

3) 60% Сu+40% Ni; 4) 20% Сu+80 % Ni; 5) 100 % Ni. Кривые охлаждения этих сплавов (рис. 5.4, а) имеют разную тем­пературу конца кристаллизации. Это свидетельствует о том, что состав фазы непрерывно изменяется. Диаграмму состояния (рис. 5.4, б) строим так же, как и диаграмму I типа. Верхняя кривая Ааа₁а₂В соответствует температуре начала кристалли­зации сплавов (линия ликвидус), а нижняя кривая Аb₁b₂B — температуре конца кристаллизации (линия солидус). Выше ли­нии ликвидуса сплав находится в однофазном жидком состоя­нии, а.ниже линии солидуса—в однофазном твердом состоянии в виде твердого α-раствора (рис. 5.4, в). Между линиями

ликвидус и солидус сплав находится в двухфазном состоянии (жидкая фаза и кристаллы твердого α-раствора).

Рассмотрим процесс кристаллизации сплава, содержащего 40% N1+60% Сu (сплав .3, рис. 5.4, а). Этот сплав при тем­пературе t_о находится в жидком состоянии и обладает двумя степенями свободы (С=К+1—Ф=2+1—1=2), т. е. в опреде­ленном интервале можно изменять температуру и концентра­цию сплава без изменения числа фаз и равновесия системы. При охлаждении

рис. 5.4. Диаграмма состояния II типа (сплавы системы

а—кривые охлаждения; б—диаграмма состояния; в—

схема структуры твердого а-раствора

сплава до температуры t₁ (точка а₁) из жидкого сплава начинает выпадать кристалл твердого а-раствора. Для определения состава этих кристаллов необходимо провести через точку а₁ (см. рис. 5.4, б) горизонтальную линию до пе­ресечения с линией солидус, в результате чего получаем точку

п, которая фиксирует состав первых кристаллов твердой α-фазы. При температуре t₁ и ниже одновременно находятся две фазы при одной степени свободы (С = К+1—Ф ==2+1—2== 1), т. е. с изменением температуры концентрация фаз должна быть определенной.

При понижении температуры до t₂ концентрация фаз определится горизонтальной прямой тп₁, проведенной до пересечения с линиями солидус и ликвидус. Точка n₁ фиксирует концен­трацию твердой фазы, а точка т—концентрацию жидкой фазы. При температуре t₃ (точка b₁), когда затвердевает последняя капля жидкого сплава, концентрация твердой фазы определя­ется точкой b₁ на диаграмме состояния, а жидкой—т₁. Линии

а₁п, тп₁, т₁b₁ и др., соединяющие составы фаз, находящиеся в равновесии, называют .канодами.

Количественное соотношение фаз или структурных состав­ляющих определяется правилом отрезков, согласно которому в данном сплаве при заданной температуре количество фазо­вых (или структурных) составляющих прямо пропорционально величине противолежащих отрезков. Например, при темпера­туре t₂ (см. рис. 5.4) количество твердой а-фазы в процентах будет равно отношению отрезка kт к длине коноды тп₁ или Q_α = (kт/тп₁) • 100 %, а жидкой фазы Q_ж= (kп₁1тп₁> • 100 %; соответственно при температуре t₃ : Q_α = ( m₁l/ m₁l₁) ∙ 100%; Q_ж = (lb₁/m₁b₁) .100% и т. д.

Таким образом, состав фаз в процессе кристаллизации не­прерывно изменяется: жидкой по линии ликвидус, твердой по линии солидус. Выпадающие при разной температуре кристаллы твердого раствора имеют переменный состав: оси кри­сталлов, выросшие в первый момент кристаллизации, обычно обогащены тугоплавким компонентом, а междуосные простран­ства заполняются позже и обогащаются более легкоплавким компонентом. Неоднородность отдельных кристаллов сплава называют внутрикристаллической, или дендритной ликвацией. Дендритная ликвация может быть устранена последующим длительным нагревом, обеспечивающим протекание процесса диф­фузии, выравнивающим состав сплава.

По диаграмме состояния II типа кристаллизуются также сплавы Сu—Аu, Аg—Au, Ni—Аu, Fе—Сг, Fе—Vа, Вi—Sb и др. «

Диаграмма состояния III типа. По этой диаграмме кристал­лизуются сплавы, оба компонента которых неограниченно рас­творимы друг в друге в жидком состоянии, обладают ограни­ченной растворимостью в твердом состоянии и не образуют химических соединений.

На диаграмме состояния (рис. 5.5, а) кривая АВС—линия ликвидус, выше которой сплав находится в жидком состоянии, а кривая АДВЕС—линия солидус, ниже которой сплав нахо­дится в твердом состоянии. По линии АВ кристаллизуются твер­дый α-раствор (серебро в меди), по линии ВС—твердый β-раствор (медь в серебре). Область АВД— двухфазная, состоящая из кристаллов α и жидкого сплава, а область ВСЕ—из кри­сталлов β и жидкого сплава. В области АDFА существует твер­дый α -раствор, а в области СЕGК.С—твердый β-раствор. Вза­имная растворимость в твердом состоянии обоих компонентов ограничивается указанными областями, причем при 779 °С пре­дельная растворимость серебра в меди равна 7%, а меди в се­ребре—8%. При большей концентрации обоих компонентов образуется (по линии DBЕ) эвтектика Э твердых растворов (α + β) предельной концентрации.

Сплав, содержащий 72% Аg и 28 % Сu, при 779°С кри­сталлизуется при одновременном выделении кристаллов α и β предельных концентраций, образующих эвтектическую смесь Э(α + β). Сплав, содержащий 80% Сu и 20.% Аu, начинает кристаллизоваться с выделением кристаллов α, а оставшийся жидкий сплав, обогащаясь серебром, стремится к эвтектиче-

Рис. 5.5. Диаграмма состояния III типа (сплавы системы медь—се­ребро): а—диаграмма состояния; б—схема кристаллизации сплава, содержащего 95 % Сu и 5 % Аu.

скому составу по линии аВ и при 779 °С затвердевает, обра­зуя эвтектику, которая окружает ранее выпавшие кристаллы α.. Доэвтектические сплавы (область DВQМ> имеют структуру α + Э. Аналогично заэвтектические сплавы (область ВЕGQ) имеют структуру β+Э.

Сплав, содержащий 95 % Сu и 5 % Аu, при 779 °С имеет одну α-фазу ( рис. 5.5,б, точки 2-3). При понижении темпера­туры до точки 3 в нем происходит превращение, связанное с уменьшением предела растворимости серебра в меди. Из α -раствора выделяются кристаллы β концентрации точки n (бо­гатые серебром). Кристаллы, выделяющиеся при вторичной

кристаллизации, обычно обозначают β₁₁, в отличие от первич­ных кристаллов β, выделяющихся из жидкого сплава. Дальней­шее понижение температуры до точки 4 приводит к полному распаду α-раствора. Линия DF показывает изменение предела растворимости серебра в меди по мере понижения температуры. Структура сплава при температуре выше 100 oС состоитизкристаллов α + β₁₁ (рис. 5.5, б, точки 3—4), а при температуре ниже 100 °С—из кристаллов β₁₁.

Аналогичный процесс вторичной кристаллизации происходит и у сплава, содержащего 5 % Сu и 95 % Аg, только в этом слу­чае из β -раствора выделяются кристаллы α ₁₁, богатые медью. Предел растворимости меди в серебре при понижении температуры изменяется по линии ЕG (от 5 до 1 % Сu). Структура сплава состоит из α + β₁₁.

Указанные превращения твердых α — и β -растворов при понижении температуры про­исходят в эвтектике, но выделение вторичных кристаллов

(α ₁₁ и β₁₁) из эвтектических составляющих обычно не об­наруживается под микроско­пом. У некоторых твердых рас­творов с ограниченной растворимостью предел растворимо­сти одного компонента в другом при понижении темпера­туры не изменяется, в этом случае линии DF или ЕК верти­кальные.

По диаграмме состояния III типа затвердевают также сплавы РЬ—5п, Си—Р, Сс1—2п, 5п—8<, А1—И и др.

Диаграмма состояния IV типа.

По этой диаграмме кристал­лизуются сплавы, оба компонента которых неограниченно рас­творимы друг в друге в жидком состоянии, а при затвердевании образуют устойчивое химическое соединение.

Рис. 5.6. Диаграмма состояния IV типа (сплавы системы Ме—Са)

Диаграмма, состояния сплава магний—кальций приведена на рис. 5.6. Линия СGНМ соответствует химическому соедине­нию Мg₄Саз и разделяет диаграмму состояния на две части. Если условно химическое соединение принять за отдельный компонент системы, то диаграмму состояния можно разделить на две диаграммы: Mg-Mg₄Ca₃ и. Каждая из них представляет собой диаграмму состояния I типа.

Кристаллизация сплавов Mg-Mg₄Ca₃ начинается по линии АВС и заканчивается на линии FВG при 516 °С. Сплав, кристаллизующийся в эвтектику, содержит около 18 % Са и 82 % Мg. Структура доэвтектических сплавов состоит из кри­сталлов чистого магния, окруженных эвтектикой (Мg+Э₁), а заэвтектических—кристаллов химического соединения Мg₄Саз, окруженных эвтектикой ( Мg₄Саз +Э₁) .

Кристаллизация сплавов Mg₄Ca₃-Ca протекает аналогично кристаллизации сплавов Мg— Mg₄Ca₃, с той лишь разницей, что кристаллы Mg₄Ca₃ начинают выпадать в области СDН, а кристаллы кальция—в области DЕ1. При 462°С затвердевает эвтектика Mg₄Ca₃-Ca. Доэвтектические сплавы с содержанием 55.. .78 %Са при затвердевании состоят из кристаллов Mg₄Ca₃, окруженных эвтектикой (Mg₄Ca₃ +Э₁₁), а заэвтектические с со­держанием более 78 % Са состоят из кристаллов чистого каль­ция, окруженного эвтектикой (Са+ Э₁₁).

По диаграмме состояния IV типа кристаллизуются сплавы Мg—Zn, Мg—Сu, Fе—Zr, Fе—Nb, Мg—Sn и др.

studopedia.su