Міністерство освіти і науки України
Донбаський державний технічний університет
Кафедра ОМТ
Контрольна робота
з дисципліни Металознавство
Виконав:
ст. гр. ПМГ-А-08з
Бульдозера Р.Л.
Алчевськ 2009
Правило фаз встановлює залежність між числом ступенів свободи, числом компонентів і числом фаз і виражається рівнянням
С = К - Ф + 2,
де С - число ступенів свободи системи (або варіантність);
К - кількість компонентів, що утворюють систему;
2 - число зовнішніх чинників (Т і Р);
Ф - число фаз, що знаходяться в рівновазі.
Під числом ступенів свободи (варіантність системи) розуміють можливість зміни температури, тиску та концентрації без зміни числа фаз, що знаходяться в рівновазі.
При нормальних умовах змінюється тільки один фактор-Т 0 С, Р = const, тоді:
С = К - Ф + 1.
Число ступенів свободи не може бути менше нуля, тоді К-Ф +1> 0, а Ф <К +1, тобто число фаз у сплаві, не може бути більше ніж число компонентів плюс одиниця. Таким чином, в подвійній системі може бути не більше трьох фаз.
При С = 0 - існує в рівновазі відразу три фази - є нонваріантное рівновагу (безваріантність). При такому рівновазі сплав може існувати тільки за умови - постійна температура і певний склад усіх фаз, що знаходяться в рівновазі. Тобто кристалізація (або перетворення) починається і закінчується при постійній температурі. Якщо С = 1 або 2, то кристалізація або перетворення протікає з плином часу в інтервалі температур.
Кристалізація у сплаві починається тільки при переохолодженні, з утворенням зародків і їх подальшого зростання.
Будь-які фази, що утворюються в сплаві, відрізняються за складом від вихідного рідкого розчину, тому для утворення стійкого зародка необхідні не тільки гетерофазні (по щільності) флуктуації, але і флуктуації концентрації (рис.1).
Малюнок 1.
Флуктуаціями концентрації називають тимчасово виникаючі відхилення хімічного складу сплаву в окремих малих обсягах рідкого розчину від середнього його складу. Такі флуктуації виникають внаслідок дифузійного переміщення атомів речовини.
Якщо в системі є два компоненти, то діаграма буде мати два виміри: перше - температурна шкала, друге - концентрація сплаву (малюнок 2).
Малюнок 2.
Кожна точка на осі абсцис відповідає певному змісту кожного компонента. Загальний вміст компонентів у сплаві - 100%.
Крайні ординати на діаграмі відповідають чистим компонентів, а ординати між ними - подвійним сплавів.
Через точку С проходить сплав містить 35% компонента В і, відповідно, 65% компонента А.
Кожна точка на діаграмі стану показує стан сплаву даної концентрації при даній температурі. Кожна вертикаль відповідає зміні температури певного сплаву. Зміна фазового стану сплаву наголошується на діаграмі точкою.
Лінії, що з'єднують точки аналогічних перетворень, розмежовують на діаграмі області аналогічних фазових станів.
Вид діаграми стану залежить від того, як реагують обидва компоненти один з одним у твердому і рідкому стані, тобто, розчиняються вони в рідкому і твердому стані, утворюють чи хімічні сполуки і так далі.
Зазвичай діаграми стану будують, експериментально використовуючи термічний аналіз, тобто будують криві охолодження і по зупинкам і перегинів на цих кривих, викликаним тепловим ефектом перетворень, визначають температури перетворень. Ці температури називають критичними точками.
Температуру металів вимірюють зазвичай за допомогою термопари.
Маючи достатню кількість сплавів, і визначивши в кожному сплаві температури перетворень, можна побудувати діаграму стану.
Малюнок 3. Побудова кривих охолодження
Діаграма стану показує, яку структуру буде мати повільно охолоджений сплав при будь-якій температурі.
Малюнок 1. Діаграма стану з необмеженою розчинністю компонентів
Якщо два компоненти необмежено розчиняються в рідкому і твердому станах, то можливе існування лише двох фаз - рідкого розчину Ж (L) і твердого розчину (a). Отже, трьох фаз бути не може, кристалізація не спостерігається при постійній температурі і горизонтальної лінії на діаграмі немає.
При температурі вище лінії t А а t У, званою лінією ликвидус, існує тільки рідка фаза Ж. У цій області вільна енергія рідкої фази Fж нижче вільної енергії твердого розчину F a, що складається з компонентів А і В.
В області нижче лінії t А б t В, званою лінією солидус, стійкий a - твердий розчин, так як F a <F ж.
Між лініями ликвидус і солидус в рівновазі знаходяться рідка фаза і a-твердий розчин.
Діаграма стану будується методом термічного аналізу.
Кристалізація чистого компонента А: рівномірне зниження температури до значення t А (температура плавлення компонента А), при якій компонент А твердне (до t А - С = 1 + 1 - 1 = 1). На кривій відзначається зупинка (горизонтальна лінія), так як згідно з правилом фаз тільки при цій температурі одночасно можуть існувати дві фази - тверда і рідка (С = 1 +1-2 = 0). Після затвердіння (Ф = 1), температура знову рівномірно знижується С = 1 + 1 - 1 = 1. Аналогічно для компонента В (рисунок 1).
При охолодженні сплаву I температура знижується до t 1 (C = 2 +1-1 = 2), при якій починається кристалізація, на кривій охолодження спостерігається перегин, пов'язаний із зменшенням швидкості охолодження внаслідок виділення прихованої теплоти кристалізації.
Починаючи від температури t 1, з Ж-фази кристалізується твердий розчин. Процес кристалізації йде при понижающейся температурі (С = 2 +1-2 = 1), існує дві фази: Ж та a.
При досягненні t 2 сплав твердне і при більш низьких температурах існує тільки a - твердий розчин.
Якщо знайдені точки перенести на діаграму, й однойменні точки з'єднати плавними лініями, то вийде діаграма стану системи сплавів А і В, що утворюють безперервний ряд твердих розчинів (рисунок 1).
В інтервалі температур між лініями ликвидус і солидус дві фази - рідкий сплав і a-твердий розчин.
Малюнок 2.
У процесі кристалізації (при кожній Т 0 С) змінюється і концентрація фаз, і кількість кожної фази (при кристалізації кількість твердої фази збільшується, а рідкої зменшується). У будь-якій точці діаграми, коли існує дві фази, можна визначити кількість обох фаз і їх концентрацію. Для цього служить правило важеля, або правило відрізків.
Таким чином, хімічний склад твердої фази a (для температури т.3) описується точкою перетину конод з лінією солидус, тобто в точці - а (82% В, решта - 18% А).
Точка зустрічі конод і лінії ликвидус (т. б) описує рівноважне стан рідини, тобто її хімічний склад (Ж-фаза містить: 43% В, решта - 57% А).
При t 4 - рідина має склад точки - д, а a-твердий розчин має склад точки - м.
При температурі t 5 процес кристалізації закінчується.
Таким чином, робимо висновок: склад твердої фази змінюється по лінії солидус (від точки s до точки t 5), а склад Ж фази змінюється по лінії ликвидус (від точки t 2 до точки е).
У процесі кристалізації змінюється не тільки склад фаз, але і кількісне стан між ними. Для визначення кількісних співвідношень фаз, що знаходяться в рівновазі при даній температурі користуються другим правилом відрізків (або важеля).
Для температури t 3:
точка 3 визначає стан сплаву, точка б - склад Ж фази; точка а - склад a - твердої фази, відрізок ба - визначає всю кількість сплаву (конод, її довжину приймають за 100% обсягу сплаву); відрізок 3а характеризує кількість рідкої фази; відрізок б3 визначає кількість кристалів (a - твердої фази).
a а = 3б/ба * 100% = 30/100 * 100% = 30%,
Ж б = 3а/ба * 100% = 70/100 * 100% = 70%,
Ж б = 100-a а = 100% -30% = 70%.
При t4: a г = 4д/дг * 100% = 60/100 * 100% = 60%,
Ж д = 4г/дг * 100% = 40/100 * 100% = 40%,
Ж г = 100/дг * 100% = 100% -60% = 40%.
Відрізки, що примикають до рідкої фазі, характеризують кількість твердої фази. Відрізок конод, що примикає до твердій фазі, характеризує кількість рідкої фази.
Закінчення затвердіння сплаву відповідає температурі t 5. Що виділяються кристали твердого розчину мають змінний склад, що залежить від температури (t 2: a s; t 3: a а; t 4: a г; t 5: a 5).
Однак при повільному охолодженні процеси дифузії в рідкій і твердій фазі (об'ємна дифузія), а також процеси взаємної дифузії між ними (міжфазна дифузія) встигають за процесом кристалізації, тому склад кристалів вирівнюється.
У цих умовах сплав після затвердіння буде складатися з однорідних кристалічних зерен твердого розчину (рисунок 3), а їхній склад буде відповідати вихідного складу сплаву (точка 6 (рис.2)).
Малюнок 3. Мікроструктура сплаву
У сплавах може спостерігатися дендритная ізоляція: в кристалах осі першого порядку будуть збагачені тугоплавким компонентом (В), периферійні шари кристалу та межосние простору, що кристалізуються в останню чергу, збагачені компонентом легкоплавким (А), що знижує температуру плавлення сплаву. Швидке охолодження сприяє дендритной ліквації.
2. Гуляєв А.П. Металознавство. М., 1986.
3. Новіков І.І. Дефекти кристалічної будови металів. М., 1983.
4. Антікайнен П.А. Металознавство. М., 1972.
Донбаський державний технічний університет
Кафедра ОМТ
Контрольна робота
з дисципліни Металознавство
Виконав:
ст. гр. ПМГ-А-08з
Бульдозера Р.Л.
Алчевськ 2009
1. Діаграми стану і кристалізація металевих сплавів. Методи побудови діаграм стану. Правило фаз Гіббса
1.1 Діаграми стану
Діаграми стану, або діаграми фазової рівноваги в зручній графічній формі показують фазовий склад сплаву в залежності від температури і концентрації. Діаграми стану будують для умов рівноваги (остаточне стан). Рівноважний стан відповідає мінімальному значенню вільної енергії. Цей стан може бути досягнуто тільки при дуже малих швидкостях охолодження або тривалому нагріванні. Проте справжнє рівновага досягається рідко, найбільш часто системи знаходяться в метастабільних станів (нестійкому), і під впливом зовнішніх факторів можуть переходити в інші більш стійкі стану. Метастабільні стану нерідко повідомляють сплавів високі механічні та інші властивості.1.2 Правило фаз
Діаграми фазової рівноваги характеризують остаточне стан сплавів, тобто після того, як всі перетворення в них відбулися і повністю закінчилися. Це стан залежить від зовнішніх умов (Т 0 С; Р, МПа) і характеризується числом і концентрацією утворених фаз. Закономірність зміни числа фаз у гетерогенній системі визначається правилом фаз.Правило фаз встановлює залежність між числом ступенів свободи, числом компонентів і числом фаз і виражається рівнянням
С = К - Ф + 2,
де С - число ступенів свободи системи (або варіантність);
К - кількість компонентів, що утворюють систему;
2 - число зовнішніх чинників (Т і Р);
Ф - число фаз, що знаходяться в рівновазі.
Під числом ступенів свободи (варіантність системи) розуміють можливість зміни температури, тиску та концентрації без зміни числа фаз, що знаходяться в рівновазі.
При нормальних умовах змінюється тільки один фактор-Т 0 С, Р = const, тоді:
С = К - Ф + 1.
Число ступенів свободи не може бути менше нуля, тоді К-Ф +1> 0, а Ф <К +1, тобто число фаз у сплаві, не може бути більше ніж число компонентів плюс одиниця. Таким чином, в подвійній системі може бути не більше трьох фаз.
При С = 0 - існує в рівновазі відразу три фази - є нонваріантное рівновагу (безваріантність). При такому рівновазі сплав може існувати тільки за умови - постійна температура і певний склад усіх фаз, що знаходяться в рівновазі. Тобто кристалізація (або перетворення) починається і закінчується при постійній температурі. Якщо С = 1 або 2, то кристалізація або перетворення протікає з плином часу в інтервалі температур.
1.3 Процес кристалізації сплавів
У рідкому стані більшість металів необмежено розчиняється один в одному, утворюючи однорідний розчин (виняток: Fe - Pb, Cu - Pb).Кристалізація у сплаві починається тільки при переохолодженні, з утворенням зародків і їх подальшого зростання.
Будь-які фази, що утворюються в сплаві, відрізняються за складом від вихідного рідкого розчину, тому для утворення стійкого зародка необхідні не тільки гетерофазні (по щільності) флуктуації, але і флуктуації концентрації (рис.1).
Малюнок 1.
Флуктуаціями концентрації називають тимчасово виникаючі відхилення хімічного складу сплаву в окремих малих обсягах рідкого розчину від середнього його складу. Такі флуктуації виникають внаслідок дифузійного переміщення атомів речовини.
1.4 Побудова діаграм стану
Діаграма стану показує зміну стану сплавів в залежності від температури (P = const) і концентрації.Якщо в системі є два компоненти, то діаграма буде мати два виміри: перше - температурна шкала, друге - концентрація сплаву (малюнок 2).
Малюнок 2.
Кожна точка на осі абсцис відповідає певному змісту кожного компонента. Загальний вміст компонентів у сплаві - 100%.
Крайні ординати на діаграмі відповідають чистим компонентів, а ординати між ними - подвійним сплавів.
Через точку С проходить сплав містить 35% компонента В і, відповідно, 65% компонента А.
Кожна точка на діаграмі стану показує стан сплаву даної концентрації при даній температурі. Кожна вертикаль відповідає зміні температури певного сплаву. Зміна фазового стану сплаву наголошується на діаграмі точкою.
Лінії, що з'єднують точки аналогічних перетворень, розмежовують на діаграмі області аналогічних фазових станів.
Вид діаграми стану залежить від того, як реагують обидва компоненти один з одним у твердому і рідкому стані, тобто, розчиняються вони в рідкому і твердому стані, утворюють чи хімічні сполуки і так далі.
Зазвичай діаграми стану будують, експериментально використовуючи термічний аналіз, тобто будують криві охолодження і по зупинкам і перегинів на цих кривих, викликаним тепловим ефектом перетворень, визначають температури перетворень. Ці температури називають критичними точками.
Температуру металів вимірюють зазвичай за допомогою термопари.
Маючи достатню кількість сплавів, і визначивши в кожному сплаві температури перетворень, можна побудувати діаграму стану.
Малюнок 3. Побудова кривих охолодження
Діаграма стану показує, яку структуру буде мати повільно охолоджений сплав при будь-якій температурі.
2. Кристалізація сплавів. Діаграми стану сплавів з необмеженою розчинністю в твердому стані. Кристалізація твердих розчинів. Правило концентрацій і відрізків
2.1 Діаграма стану сплавів, що утворюють необмежені тверді розчини
Діаграма стану для випадку повної взаємної розчинності компонентів А і В у рідкому і твердому станах в залежності від концентрації і температури дана на рис.1.Малюнок 1. Діаграма стану з необмеженою розчинністю компонентів
Якщо два компоненти необмежено розчиняються в рідкому і твердому станах, то можливе існування лише двох фаз - рідкого розчину Ж (L) і твердого розчину (a). Отже, трьох фаз бути не може, кристалізація не спостерігається при постійній температурі і горизонтальної лінії на діаграмі немає.
При температурі вище лінії t А а t У, званою лінією ликвидус, існує тільки рідка фаза Ж. У цій області вільна енергія рідкої фази Fж нижче вільної енергії твердого розчину F a, що складається з компонентів А і В.
В області нижче лінії t А б t В, званою лінією солидус, стійкий a - твердий розчин, так як F a <F ж.
Між лініями ликвидус і солидус в рівновазі знаходяться рідка фаза і a-твердий розчин.
Діаграма стану будується методом термічного аналізу.
Кристалізація чистого компонента А: рівномірне зниження температури до значення t А (температура плавлення компонента А), при якій компонент А твердне (до t А - С = 1 + 1 - 1 = 1). На кривій відзначається зупинка (горизонтальна лінія), так як згідно з правилом фаз тільки при цій температурі одночасно можуть існувати дві фази - тверда і рідка (С = 1 +1-2 = 0). Після затвердіння (Ф = 1), температура знову рівномірно знижується С = 1 + 1 - 1 = 1. Аналогічно для компонента В (рисунок 1).
При охолодженні сплаву I температура знижується до t 1 (C = 2 +1-1 = 2), при якій починається кристалізація, на кривій охолодження спостерігається перегин, пов'язаний із зменшенням швидкості охолодження внаслідок виділення прихованої теплоти кристалізації.
Починаючи від температури t 1, з Ж-фази кристалізується твердий розчин. Процес кристалізації йде при понижающейся температурі (С = 2 +1-2 = 1), існує дві фази: Ж та a.
При досягненні t 2 сплав твердне і при більш низьких температурах існує тільки a - твердий розчин.
Якщо знайдені точки перенести на діаграму, й однойменні точки з'єднати плавними лініями, то вийде діаграма стану системи сплавів А і В, що утворюють безперервний ряд твердих розчинів (рисунок 1).
В інтервалі температур між лініями ликвидус і солидус дві фази - рідкий сплав і a-твердий розчин.
2.2 Кристалізація твердих розчинів
Розглянемо більш детально процес кристалізації сплаву, що містить 60% компонента В. При температурі t 1 сплав знаходиться в рідкому стані. У ньому є рівноважний набір фазових і концентраційних флуктуацій (відхилення від середнього хімічного складу). При охолодженні в інтервалі температур t 1 до t 2 - кількість розмір флуктуацій при охолодженні збільшується по відношенню до a-фазі. Нижче т.2, (тобто приймемо т.3) починається процес кристалізації, критичний розмір зародка досягає максимальної величини. Нижче t 2 сплав є двофазним (Ж і a - кристали). Двофазне стан існує в інтервалі температур t 2 - t 5 (рисунок 2).Малюнок 2.
У процесі кристалізації (при кожній Т 0 С) змінюється і концентрація фаз, і кількість кожної фази (при кристалізації кількість твердої фази збільшується, а рідкої зменшується). У будь-якій точці діаграми, коли існує дві фази, можна визначити кількість обох фаз і їх концентрацію. Для цього служить правило важеля, або правило відрізків.
2.3 Перше правило відрізків (правило концентрацій)
Щоб визначити концентрації компонентів у фазах, через дану точку, що характеризує стан сплаву, проводять горизонтальну лінію (конод) до перетину з лініями (ликвидус і солидус) обмежують дану область; проекції точок перетину на вісь концентрацій показують концентрацію компонентів у фазах (або склади фаз) .Таким чином, хімічний склад твердої фази a (для температури т.3) описується точкою перетину конод з лінією солидус, тобто в точці - а (82% В, решта - 18% А).
Точка зустрічі конод і лінії ликвидус (т. б) описує рівноважне стан рідини, тобто її хімічний склад (Ж-фаза містить: 43% В, решта - 57% А).
При t 4 - рідина має склад точки - д, а a-твердий розчин має склад точки - м.
При температурі t 5 процес кристалізації закінчується.
Таким чином, робимо висновок: склад твердої фази змінюється по лінії солидус (від точки s до точки t 5), а склад Ж фази змінюється по лінії ликвидус (від точки t 2 до точки е).
У процесі кристалізації змінюється не тільки склад фаз, але і кількісне стан між ними. Для визначення кількісних співвідношень фаз, що знаходяться в рівновазі при даній температурі користуються другим правилом відрізків (або важеля).
2.4 Друге правило відрізків (правило важеля)
Для того щоб визначити кількісне співвідношення фаз, через задану точку проводять горизонтальну лінію (конод). Відрізки цієї лінії між заданою точкою і точками, визначальними склади фаз, обернено пропорційні кількостей цих фаз.Для температури t 3:
точка 3 визначає стан сплаву, точка б - склад Ж фази; точка а - склад a - твердої фази, відрізок ба - визначає всю кількість сплаву (конод, її довжину приймають за 100% обсягу сплаву); відрізок 3а характеризує кількість рідкої фази; відрізок б3 визначає кількість кристалів (a - твердої фази).
a а = 3б/ба * 100% = 30/100 * 100% = 30%,
Ж б = 3а/ба * 100% = 70/100 * 100% = 70%,
Ж б = 100-a а = 100% -30% = 70%.
При t4: a г = 4д/дг * 100% = 60/100 * 100% = 60%,
Ж д = 4г/дг * 100% = 40/100 * 100% = 40%,
Ж г = 100/дг * 100% = 100% -60% = 40%.
Відрізки, що примикають до рідкої фазі, характеризують кількість твердої фази. Відрізок конод, що примикає до твердій фазі, характеризує кількість рідкої фази.
Закінчення затвердіння сплаву відповідає температурі t 5. Що виділяються кристали твердого розчину мають змінний склад, що залежить від температури (t 2: a s; t 3: a а; t 4: a г; t 5: a 5).
Однак при повільному охолодженні процеси дифузії в рідкій і твердій фазі (об'ємна дифузія), а також процеси взаємної дифузії між ними (міжфазна дифузія) встигають за процесом кристалізації, тому склад кристалів вирівнюється.
У цих умовах сплав після затвердіння буде складатися з однорідних кристалічних зерен твердого розчину (рисунок 3), а їхній склад буде відповідати вихідного складу сплаву (точка 6 (рис.2)).
Малюнок 3. Мікроструктура сплаву
У сплавах може спостерігатися дендритная ізоляція: в кристалах осі першого порядку будуть збагачені тугоплавким компонентом (В), периферійні шари кристалу та межосние простору, що кристалізуються в останню чергу, збагачені компонентом легкоплавким (А), що знижує температуру плавлення сплаву. Швидке охолодження сприяє дендритной ліквації.
Література
1. Лахтін Ю.М., Леонтьєва В.П. Матеріалознавство. М., 1972, 1980.2. Гуляєв А.П. Металознавство. М., 1986.
3. Новіков І.І. Дефекти кристалічної будови металів. М., 1983.
4. Антікайнен П.А. Металознавство. М., 1972.