Строение сплавов

 

         

       Общие сведения о строении сплавов 

    Сплав – вещество, полученное сплавлением двух (A,B) или более (A,B,C,D….) элементов. Простые вещества, образующие сплав, называют компонентами сплава. Свойства сплава зависят от многих факторов, но прежде всего они определяются составом фаз и их количественным соотношением.

    Фаза – однородная часть сплава по химическому составу, строению и свойствам. В жидком состоянии может быть одна фаза – жидкий раствор, в котором атомы A, B и другие компоненты статически равномерно распределены в объеме. В твердом состоянии фазами могут быть твердые растворы α, β, γ, химические соединения и компоненты.

    Сплав может состоять из одной, двух и более  фаз. Сплавы называются однородными (гомогенными), если структура их однофазная, и разнородными (гетерогенными), если структура их состоит из нескольких фаз.

    Для двухкомпонентных сплавов фазовый состав можно выразить графически с помощью диаграммы состояния. Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение фазового состояния сплавов данной системы в функции температуры и концентрации.

    Зная  диаграмму, можно представить полную картину формирования структуры  любого сплава, определить температуру  плавления и кристаллизации сплава, оценить жидкотекучесть выбранного сплава, сделать заключение о возможности и условиях обработки сплава давлением. Диаграммы состояния позволяют определить режим термической обработки, необходимый для конкретного сплава.  Диаграмму состояний строят в двух измерениях: по оси ординат откладывается температура, по оси абсцисс – концентрация

    Левая крайняя точка на оси концентраций соответствует 100% содержанию компонента A. Процентное содержание второго компонента откладывается по этой оси слева направо. Правая крайняя точка соответствует 100% содержанию второго компонента B.

    Диаграммы состояния строят, как правило, экспериментально. 

    По  заданию надо рассмотреть сплав медь-серебро (Cu – Ag).

    Это двухкомпонентный сплав, состоящий  из двух компонентов – меди (Cu) и серебра (Ag). 
 

    Общие сведения о составе сплава 

    Медь (Cu) – металл красного, в изломе розового цвета. Металл имеет гранецентрированную кубическую решетку с параметром а = 3,6074 Å; плотность 8,96 г/см3 (20 °С). Температура плавления (t_пл) 1034°С; температура кипения (t_кип) 2600 °С; удельная теплоемкость (при 20 °С) 385,48 дж/(кг·К), т.е. 0,092 кал/(г·°С). Наиболее важные и широко используемые свойства никеля: высокая теплопроводность – теплопроводность при 25°C 90,1 вт/(м·К) [0,215 кал/(см·сек·°С)]; тоже при 500 °C 60,01 вт/(м·К) [0,148 кал/(см·сек·C°)]. малое электрическое сопротивление - при 20°С 1,68·10-8 ом·м.

    

Рисунок 1 Тип кристаллической решетки меди - ГЦК 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Серебро (Ag) имеет гранецентрированную кубич. решетку (а = 4,0772 Å при 20 °С). Атомный радиус 1,44 Å, ионный радиус Ag⁺ 1,13 Å. Плотность при 20 °С 10,5 г/см³; t_пл 952 °С; T_кип 2212 °С; теплота плавления 105 кДж/кг (25,1 кал/г). Серебро обладает наивысшими среди металлов удельной электропроводностью 6297 сим/м (62,97 ом^-1·см^-1) при 25 °С, теплопроводностью 407,79 Вт/(м·К.) [0,974 кал/(см·°С·сек)] при 18 °С и отражательной способностью 90-99% (при длинах волн 100000-5000 Å). Удельная теплоемкость 234,46 дж/(кг·К) [0,056 кал!(г·°С)], удельное электросопротивление 15,9 ном·м (1,59 мком·см) при 20 °С. Серебро диамагнитно с атомной магнитной восприимчивостью при комнатной температуре -21,56·10^-6, модуль упругости 76480 Мн/м² (7648 кгс/мм²), предел прочности 100 Мн/м² (10 кгс/мм²), твердость по Бринеллю 250 Мн/м²(25 кгс/мм²).  
 
 
 
 

Рисунок 2 Тип кристаллической решетки никеля - ГЦК 
 
 
 

   
 

Диаграмма состояния сплава Cu-Ag. Определение фазового         состава

    Компоненты: Cu – медь – левая ордината;

                     Ag – серебро – правая ордината;

                     К=2

   Оба компонента неограниченно  растворимы в жидком состоянии,ограниченно в твердом и не образуют химических соединений.

    Линия АВС является линией ликвидуса, линия ADBEC — линией солидуса. Верхняя часть диаграммы показывает, что оба компонента взаимно растворимы, но в ограниченном количестве: предельная концентрация раствора а (серебра в меди) — 7%, а раствора 3 (меди в серебре) — 8%. При большей концентрации по линии DE образуется эвтектика растворов а и b. Кривые DF и EG показывают, что при охлаждении, ниже линии эвтектики (DE), происходит постепенный распад твердых растворов а и b, и при температуре 0° раствор а не существует.

    Точка А – точка температуры плавления меди (1034ºС).

    Точка С – точка температуры плавления серебра(952ºС).                         α- ограниченный твердый раствор компонента Сu в компоненте Ag.

β - ограниченный твердый раствор компонента Ag в  компоненте Cu.

В заэвтектических  сплавах. Максимальное содержание компонента Cu в фазе α 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 β-фазы, богатой компонентом В. Конечная структура сплава будет α+βII. В эвтектическом сплаве в точке Ж превратится в эвтектику Жα+β.

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

Сплав (1): Сплав  заевтектический. Выше температуры t=870º- охлаждение сплава - превращений нет. В интервале температур 870-779ºС -первичная  кристаллизация α-кристаллов, при этом содержание Ag в жидкости уменьшается по линии CF и состав жидкости постепенно приближается к эвтектическому ЖЖ+α. При температуре 779º-состав жидкости соответствует эвтектическому, идет образование эвтектики (температура постоянна)Ж+αЭ+α. Температура ниже 779ºС

- охлаждение  сплава, вторичная кристаллизация с образованием βII -вторичных кристаллов Э+ αЭ+ α+ βII .

Определение химического состава  фаз. 

    Сплав I

    Химический  состав сплава:

    (30%Ag+70% Cu) масса 500кг.

    T₁=900°С фаза Ж + α

    В двухфазной области химический состав фаз определяют по точкам пересечения коноды с линиями диаграммы состояния сплава. Точки, лежащие на линии ликвидус, покажут химический состав жидкого раствора, а на линии солидус – твердой фазы.    

    Химический  состав фаз:

    Ж – 4% Ag+96% Cu

    α – 49% Ag+51% Cu

    В двухфазной области массу фазы определяем по правилу отрезков. По этому правилу  всю коноду принимаем за массу сплава q=1. Ордината сплава делит коноду на два отрезка, противолежащий фазовой области отрезок покажет ее количество. Обозначим количество жидкого раствора q_ж, а количество твердого раствора q_α, тогда

       q_ж=0,36

     q_α =0,64

    Масса фазы: α=180кг

    Масса фазы: Ж=320кг 

    T₂=700°С фаза α+β

      В двухфазной области химический состав фаз определяют по точкам пересечения коноды с линиями диаграммы состояния сплава. Точки, лежащие на линии ликвидус, покажут химический состав жидкого раствора, а на линии солидус – твердой фазы.      

    Химический  состав фаз:

    α –7%Ag+93% Cu

    β – 20%Ag+80% Cu

    В двухфазной области массу фазы определяем по правилу отрезков. По этому правилу  всю коноду принимаем за массу сплава q=1. Ордината сплава делит коноду на два отрезка, противолежащий фазовой области отрезок покажет ее количество. Обозначим количество жидкого раствора q_ж, а количество твердого раствора q_α, тогда

      q_ж=0,24

     q_α =0,76

    Масса фазы: α=120кг

    Масса фазы: β=380кг 
 
 

    Сплав II

    Химический  состав сплава:

    (96% Ag+4% Cu) масса 450кг.

    T₁=779°С фаза эвт.

      В однофазной области масса фазы  равна массе сплава 

    T₂=400°С фаза эвт.

    В однофазной области масса фазы  равна массе сплава 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                       

            

                      Список использованных источников

1. Гуляев А.П. Металловедение. – 5-е изд., перераб. – М.: Издательство «Металлургия», 1978. – 648 с.: ил.
2. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник: в 3т.: Т.1 / Под общ. ред. Н.П. Лякишева. – М.: Машиностроение, 1996. – 992 с.: ил
3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.: ил.
4. Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. – 3-е изд., стереотип. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 648 с.: ил.
5. Одинокова Л.П. Строение сплавов. Методические указания к расчетно-графической работе по материаловедению для студентов машиностроительных специальностей. – Орел,1997. – 28с.
6. Основы материаловедения. Учебник для вузов. Под ред. И.И. Сидорина. – М.: Машиностроение, 1976. – 436с.