Реферат
На тему:
"Сплави"
2009
Зміст
Введення
1. Фази металевих сплавів
2. Діаграми стану сплавів
3. Зв'язок між структурою і властивостями сплавів
Введення
Основну частку різноманітних металевих матеріалів, використовуваних у техніці, складають сплави. Чисті метали в техніці не застосовують, тому що вони характеризуються низькою межею міцності. Шляхом сплаву або спікання декількох металів або металів з неметалевими елементами отримують сплави, які мають високу міцність, пластичністю, добре обробляються різанням, зварюються і т.д. При цьому поліпшуються експлуатаційні та технологічні властивості металевого матеріалу.
Сплавом називається макроскопічно однорідна система, що складається з двох і більше хімічних елементів. Речовини, що утворюють систему, називають компонентами.
Компонентами сплаву можуть бути метали (залізо, мідь, алюміній, нікель і т.д.) і неметалічні елементи (вуглець). Компонентом можуть бути і хімічні сполуки, якщо в розглянутих інтервалах температур вони не дисоціюють на свої складові частини. Кількість компонентів, що складають систему (сплав), може бути різним. Чистий метал - це однокомпонентна система; сплав двох металів - двокомпонентна, і т.д.
Вибір базового компоненту сплаву визначається технічним завданням на його властивості. У залежності від базового компонента всі сплави діляться на:
-Чорні, основу яких становить залізо (сталі, чавуни);
-Кольорові, основу яких становить будь-який метал, крім заліза (алюмінієві, мідні, нікелеві, титанові та ін.)
Вибір інших компонентів сплаву здійснюється на основі оцінки взаємодії елементів періодичної системи з базовим компонентом і між собою. Їх взаємодія враховується і в рідкому, і в твердому станах, так як сплавлення проводиться при температурах, що перевищують температуру плавлення базового компоненту, а потім сплав, охолоджуючись, кристалізується і остигає до температури навколишнього середовища. При цьому змінюється не тільки агрегатний стан системи, але і її фазовий склад залежно від температури і швидкості охолодження.
Фази металевих сплавів
У сплавах компоненти можуть вступати у взаємодію з утворенням різних фаз. Розрізняють такі фази металевих сплавів:
-Рідкі розчини;
-Тверді розчини;
-Хімічні сполуки.
Розчином називається тверда або рідка гомогенна (однорідна) система, що складається з двох або більше компонентів, відносні кількості яких можуть змінюватися в широких межах.
Рідкі розчини. Більшість металів розчиняються один в одному в рідкому стані необмежено (в будь-яких співвідношеннях). При цьому утворюється однорідний рідкий розчин, в якому атоми розчинного металу рівномірно розподілені серед атомів металу-розчинника.
Тверді розчини. У твердому розчині метал-розчинник зберігає свою кристалічну решітку, а розчинний елемент (метал або неметал) розподіляється в ній у вигляді окремих атомів. Тверді розчини бувають двох типів:
-Тверді розчини заміщення;
-Тверді розчини впровадження.
У твердих розчинах заміщення (рис. 1, а) частину атомів кристалічної решітки металу-розчинника заміщена атомами іншого компоненту. Атоми розчиненого компонента можуть заміщати атоми розчинника в будь-яких вузлах решітки. Тому тверді розчини заміщення називають неупорядкованими твердими розчинами.
У твердих розчинах впровадження (рис. 1, б) атоми розчиненого компонента впроваджуються в міжатомну простір кристалічної решітки компонента-розчинника. При цьому атоми розташовуються в таких порожнинах, де для них є більше вільного простору.
Таким чином, твердий розчин, що складається з двох або кількох компонентів, має один тип решітки і являє собою одну фазу.
При утворенні твердого розчину кристалічна решітка завжди спотворюється, тому що атоми розчинника і розчиненої компонента різні.
SHAPE \ * MERGEFORMAT
Спотворення кристалічної решітки обумовлює зміну властивостей сплавів в порівнянні з властивостями вихідних компонентів. Утворення твердих розчинів у сплавах призводить до збільшення їх електричного опору, знижує пластичність і в'язкість.
Розчинені атоми в твердих розчинах обох типів розподілені довільно. Однак у деяких випадках при повільному охолодженні сплаву або тривалої його витримці при заданих температурах можуть утворитися кристалічні решітки з упорядкованим розташуванням атомів компонентів. Такі розчини називають впорядкованими або сверхструктурами. Вони займають проміжне положення між твердими розчинами і хімічними сполуками.
Хімічні сполуки. Хімічні сполуки та споріднені з ними фази постійного складу в металевих сплавах різноманітні. Вони мають характерні особливості, що відрізняють їх від твердих розчинів:
-Їх кристалічна решітка відрізняється від кристалічних граток компонентів, що утворюють з'єднання;
-Співвідношення елементів у них кратно цілим числах;
-Їх властивості відмінні від властивостей утворюють елементів;
-Вони плавляться при постійній температурі;
-Їх утворення супроводжується значним тепловим ефектом.
Діаграми стану сплавів
Для визначення кількості фаз у сплаві, їх складу користуються діаграмами фазової рівноваги - діаграмами стану. Діаграма стану - графічне зображення фазового складу сплаву в стані рівноваги чи близькому до нього в залежності від вмісту компонентів у сплаві і від температури.
Температури, при яких змінюються будова і властивості (відбуваються фазові перетворення) металів і сплавів, називають критичними точками. Чисті метали мають одну критичну точку, якою є температура плавлення (кристалізації). Вони плавляться і тверднуть при одній і тій же постійній температурі. На відміну від чистих металів сплави плавляться і кристалізуються в інтервалі температур, тобто вони мають дві критичні точки - температуру початку кристалізації (повного розплавлення) і температуру повного затвердіння (початку плавлення) при охолодженні розплаву (при нагріванні сплаву).
У розплавленому стані метали зазвичай необмежено розчиняються один в одному. У твердому стані їх взаємна розчинність може змінюватися.
Розглянемо діаграму стану сплавів з необмеженою розчинністю компонентів в твердому стані.
Система складається з двох компонентів А і В, повністю розчинних один в одному в твердому стані. Вісь абсцис показує зміну концентрації розчиненого компонента В від 0 до 100%, вісь ординат - температуру, при якій розглядається стан системи.
Вертикальна лінія, відповідна чистого компоненту А (0% В), є діаграмою стану компонента А. При нагріванні чистого компонента А він перебуває у твердому стані до температури Т А, яка є температурою плавлення (відповідно і температурою кристалізації). При цій температурі компонент А плавиться і вище цієї критичної точки знаходиться в рідкому стані.
Вертикальна лінія, відповідна чистого компоненту У (100% В), є діаграмою стану компонента В. Критична точка - температура плавлення Т в.
Сплав з вмістом 50% В (вертикальна лінія I), так само як і інші сплави системи, має дві критичні точки T s - температура початку плавлення (кінця кристалізації) і T t - температура кінця плавлення (початку кристалізації). Інтервал температур від T s до T L - це інтервал плавлення (кристалізації) сплаву.
Вище температури T L сплав знаходиться в розплавленому стані, являє собою однофазну систему. Лінія, відповідна температур, вище яких сплав повністю розплавлений, називається лінією ликвидус.
Нижче температури T s сплав представляє собою твердий розчин L, система однофазна. Лінія, відповідна температур, нижче яких сплав знаходиться повністю в твердому стані, називається лінією солидус.
В інтервалі кристалізації T L - T s сплав представляє собою двофазну систему: частина сплаву знаходиться в рідкому стані (розплав), решті сплав у твердому стані (кристали L - твердого розчину).
Розглянемо діаграму стану компонентів з обмеженою розчинністю один в одному в твердому стані (рис. 6).
Та і Т в - температури плавлення компонентів А і В відповідно. Лінія Т А СТ В - лінія ликвидус. Лінія T A ECDT B - лінія солидус.
Гранична розчинність компонента В у компоненті А відповідає точці F, компонента А в компоненті По-точці G. В інтервалі концентрацій, відповідних точкам Fn G, компоненти An У один в одному нерозчинні. Після кристалізації сплави таких концентрацій є двофазну систему, що складається з а і В-твердих розчинів.
Сплав, відповідний проекції точки С, є самим легкоплавким і називається евтектичним. Цей сплав кристалізується (плавиться) при постійній температурі, при цьому з розплаву кристалізуються одночасно дві тверді фази (а і В-розчини). Такий процес називається евтектичним перетворенням.
Евтектика - це механічна суміш декількох твердих фаз, одночасно кристалізуються при постійній температурі з розплаву.
Сплави, що відносяться до області лівіше точки СДО точки Е, називаються доевтектичні, правіше точки СДО точки D - заевтектичних.
Зв'язок між структурою і властивостями сплавів
Між складом і структурою сплаву, яка визначається типом діаграми стану, і властивостями сплаву існує певна залежність.
При утворенні твердого розчину межа міцності, текучості і твердість підвищуються при збереженні досить високої пластичності. При утворенні твердого розчину впровадження міцність у багато разів більше, ніж при утворенні твердого розчину заміщення тієї ж концентрації.
Поєднання підвищеної міцності і хорошої пластичності дозволяє використовувати тверді розчини як основу конструкційних сплавів.
Завдяки високій пластичності сплави - тверді розчини легко деформуються, але погано обробляються різанням. Такі сплави мають низькі ливарні властивості.
При утворенні твердих розчинів значно збільшується електроопір. Тому сплави - тверді розчини широко застосовують для виготовлення дроту електронагрівальних елементів і реостатів.
Для отримання високих ливарних властивостей концентрація компонентів у сплавах повинна перевищувати їх граничну розчинність в твердому стані і наближатися до евтектичного складу. Евтектичні сплави мають гарну жидкотекучестью. Але при появі в структурі сплаву евтектики сильно знижується його пластичність. Тому в деформівних сплавах вміст компонентів не перевищує величини граничної розчинності при евтектичній температурі.
Хімічні сполуки, що утворюються в сплавах, володіють властивостями, що різко відрізняються від властивостей вихідних компонентів. Вони мають дуже високу твердість, але крихкі. Хімічні сполуки мають велике значення як твердих структурних складових у сплавах.
На тему:
"Сплави"
2009
Зміст
Введення
1. Фази металевих сплавів
2. Діаграми стану сплавів
3. Зв'язок між структурою і властивостями сплавів
Введення
Основну частку різноманітних металевих матеріалів, використовуваних у техніці, складають сплави. Чисті метали в техніці не застосовують, тому що вони характеризуються низькою межею міцності. Шляхом сплаву або спікання декількох металів або металів з неметалевими елементами отримують сплави, які мають високу міцність, пластичністю, добре обробляються різанням, зварюються і т.д. При цьому поліпшуються експлуатаційні та технологічні властивості металевого матеріалу.
Сплавом називається макроскопічно однорідна система, що складається з двох і більше хімічних елементів. Речовини, що утворюють систему, називають компонентами.
Компонентами сплаву можуть бути метали (залізо, мідь, алюміній, нікель і т.д.) і неметалічні елементи (вуглець). Компонентом можуть бути і хімічні сполуки, якщо в розглянутих інтервалах температур вони не дисоціюють на свої складові частини. Кількість компонентів, що складають систему (сплав), може бути різним. Чистий метал - це однокомпонентна система; сплав двох металів - двокомпонентна, і т.д.
Вибір базового компоненту сплаву визначається технічним завданням на його властивості. У залежності від базового компонента всі сплави діляться на:
-Чорні, основу яких становить залізо (сталі, чавуни);
-Кольорові, основу яких становить будь-який метал, крім заліза (алюмінієві, мідні, нікелеві, титанові та ін.)
Вибір інших компонентів сплаву здійснюється на основі оцінки взаємодії елементів періодичної системи з базовим компонентом і між собою. Їх взаємодія враховується і в рідкому, і в твердому станах, так як сплавлення проводиться при температурах, що перевищують температуру плавлення базового компоненту, а потім сплав, охолоджуючись, кристалізується і остигає до температури навколишнього середовища. При цьому змінюється не тільки агрегатний стан системи, але і її фазовий склад залежно від температури і швидкості охолодження.
Фази металевих сплавів
У сплавах компоненти можуть вступати у взаємодію з утворенням різних фаз. Розрізняють такі фази металевих сплавів:
-Рідкі розчини;
-Тверді розчини;
-Хімічні сполуки.
Розчином називається тверда або рідка гомогенна (однорідна) система, що складається з двох або більше компонентів, відносні кількості яких можуть змінюватися в широких межах.
Рідкі розчини. Більшість металів розчиняються один в одному в рідкому стані необмежено (в будь-яких співвідношеннях). При цьому утворюється однорідний рідкий розчин, в якому атоми розчинного металу рівномірно розподілені серед атомів металу-розчинника.
Тверді розчини. У твердому розчині метал-розчинник зберігає свою кристалічну решітку, а розчинний елемент (метал або неметал) розподіляється в ній у вигляді окремих атомів. Тверді розчини бувають двох типів:
-Тверді розчини заміщення;
-Тверді розчини впровадження.
У твердих розчинах заміщення (рис. 1, а) частину атомів кристалічної решітки металу-розчинника заміщена атомами іншого компоненту. Атоми розчиненого компонента можуть заміщати атоми розчинника в будь-яких вузлах решітки. Тому тверді розчини заміщення називають неупорядкованими твердими розчинами.
У твердих розчинах впровадження (рис. 1, б) атоми розчиненого компонента впроваджуються в міжатомну простір кристалічної решітки компонента-розчинника. При цьому атоми розташовуються в таких порожнинах, де для них є більше вільного простору.
Таким чином, твердий розчин, що складається з двох або кількох компонентів, має один тип решітки і являє собою одну фазу.
При утворенні твердого розчину кристалічна решітка завжди спотворюється, тому що атоми розчинника і розчиненої компонента різні.
SHAPE \ * MERGEFORMAT
Рис. 1. Схема твердого розчину заміщення (а) та впровадження (б) |
Спотворення кристалічної решітки обумовлює зміну властивостей сплавів в порівнянні з властивостями вихідних компонентів. Утворення твердих розчинів у сплавах призводить до збільшення їх електричного опору, знижує пластичність і в'язкість.
Розчинені атоми в твердих розчинах обох типів розподілені довільно. Однак у деяких випадках при повільному охолодженні сплаву або тривалої його витримці при заданих температурах можуть утворитися кристалічні решітки з упорядкованим розташуванням атомів компонентів. Такі розчини називають впорядкованими або сверхструктурами. Вони займають проміжне положення між твердими розчинами і хімічними сполуками.
Хімічні сполуки. Хімічні сполуки та споріднені з ними фази постійного складу в металевих сплавах різноманітні. Вони мають характерні особливості, що відрізняють їх від твердих розчинів:
-Їх кристалічна решітка відрізняється від кристалічних граток компонентів, що утворюють з'єднання;
-Співвідношення елементів у них кратно цілим числах;
-Їх властивості відмінні від властивостей утворюють елементів;
-Вони плавляться при постійній температурі;
-Їх утворення супроводжується значним тепловим ефектом.
Діаграми стану сплавів
Для визначення кількості фаз у сплаві, їх складу користуються діаграмами фазової рівноваги - діаграмами стану. Діаграма стану - графічне зображення фазового складу сплаву в стані рівноваги чи близькому до нього в залежності від вмісту компонентів у сплаві і від температури.
Температури, при яких змінюються будова і властивості (відбуваються фазові перетворення) металів і сплавів, називають критичними точками. Чисті метали мають одну критичну точку, якою є температура плавлення (кристалізації). Вони плавляться і тверднуть при одній і тій же постійній температурі. На відміну від чистих металів сплави плавляться і кристалізуються в інтервалі температур, тобто вони мають дві критичні точки - температуру початку кристалізації (повного розплавлення) і температуру повного затвердіння (початку плавлення) при охолодженні розплаву (при нагріванні сплаву).
У розплавленому стані метали зазвичай необмежено розчиняються один в одному. У твердому стані їх взаємна розчинність може змінюватися.
Розглянемо діаграму стану сплавів з необмеженою розчинністю компонентів в твердому стані.
Система складається з двох компонентів А і В, повністю розчинних один в одному в твердому стані. Вісь абсцис показує зміну концентрації розчиненого компонента В від 0 до 100%, вісь ординат - температуру, при якій розглядається стан системи.
Вертикальна лінія, відповідна чистого компоненту А (0% В), є діаграмою стану компонента А. При нагріванні чистого компонента А він перебуває у твердому стані до температури Т А, яка є температурою плавлення (відповідно і температурою кристалізації). При цій температурі компонент А плавиться і вище цієї критичної точки знаходиться в рідкому стані.
Вертикальна лінія, відповідна чистого компоненту У (100% В), є діаграмою стану компонента В. Критична точка - температура плавлення Т в.
Сплав з вмістом 50% В (вертикальна лінія I), так само як і інші сплави системи, має дві критичні точки T s - температура початку плавлення (кінця кристалізації) і T t - температура кінця плавлення (початку кристалізації). Інтервал температур від T s до T L - це інтервал плавлення (кристалізації) сплаву.
Вище температури T L сплав знаходиться в розплавленому стані, являє собою однофазну систему. Лінія, відповідна температур, вище яких сплав повністю розплавлений, називається лінією ликвидус.
Нижче температури T s сплав представляє собою твердий розчин L, система однофазна. Лінія, відповідна температур, нижче яких сплав знаходиться повністю в твердому стані, називається лінією солидус.
В інтервалі кристалізації T L - T s сплав представляє собою двофазну систему: частина сплаву знаходиться в рідкому стані (розплав), решті сплав у твердому стані (кристали L - твердого розчину).
Розглянемо діаграму стану компонентів з обмеженою розчинністю один в одному в твердому стані (рис. 6).
Та і Т в - температури плавлення компонентів А і В відповідно. Лінія Т А СТ В - лінія ликвидус. Лінія T A ECDT B - лінія солидус.
Гранична розчинність компонента В у компоненті А відповідає точці F, компонента А в компоненті По-точці G. В інтервалі концентрацій, відповідних точкам Fn G, компоненти An У один в одному нерозчинні. Після кристалізації сплави таких концентрацій є двофазну систему, що складається з а і В-твердих розчинів.
Сплав, відповідний проекції точки С, є самим легкоплавким і називається евтектичним. Цей сплав кристалізується (плавиться) при постійній температурі, при цьому з розплаву кристалізуються одночасно дві тверді фази (а і В-розчини). Такий процес називається евтектичним перетворенням.
Евтектика - це механічна суміш декількох твердих фаз, одночасно кристалізуються при постійній температурі з розплаву.
Сплави, що відносяться до області лівіше точки СДО точки Е, називаються доевтектичні, правіше точки СДО точки D - заевтектичних.
Зв'язок між структурою і властивостями сплавів
Між складом і структурою сплаву, яка визначається типом діаграми стану, і властивостями сплаву існує певна залежність.
При утворенні твердого розчину межа міцності, текучості і твердість підвищуються при збереженні досить високої пластичності. При утворенні твердого розчину впровадження міцність у багато разів більше, ніж при утворенні твердого розчину заміщення тієї ж концентрації.
Поєднання підвищеної міцності і хорошої пластичності дозволяє використовувати тверді розчини як основу конструкційних сплавів.
Завдяки високій пластичності сплави - тверді розчини легко деформуються, але погано обробляються різанням. Такі сплави мають низькі ливарні властивості.
При утворенні твердих розчинів значно збільшується електроопір. Тому сплави - тверді розчини широко застосовують для виготовлення дроту електронагрівальних елементів і реостатів.
Для отримання високих ливарних властивостей концентрація компонентів у сплавах повинна перевищувати їх граничну розчинність в твердому стані і наближатися до евтектичного складу. Евтектичні сплави мають гарну жидкотекучестью. Але при появі в структурі сплаву евтектики сильно знижується його пластичність. Тому в деформівних сплавах вміст компонентів не перевищує величини граничної розчинності при евтектичній температурі.
Хімічні сполуки, що утворюються в сплавах, володіють властивостями, що різко відрізняються від властивостей вихідних компонентів. Вони мають дуже високу твердість, але крихкі. Хімічні сполуки мають велике значення як твердих структурних складових у сплавах.