Контрольна робота будова і властивості фаз у металевих сплавах

Міністерство освіти і науки України

Донбаський державний технічний університет

з дисципліни "Металознавство"

"Будова і властивості фаз у металевих сплавах. Тверді розчини, хімічні сполуки. Гетерогенні структури"

1.Фаза в металевих сплавах

Під сплавом мається на увазі речовина, отримане сплавом двох або більше елементів (металів або неметалів з металами).

Компоненти - хімічні елементи, що утворюють сплав.

Фазою називають однорідні (гомогенні) складові частини системи, що мають однаковий склад, кристалічну будову і властивості, одного і той же агрегатний стан, і відокремлене від решти частин поверхні розділу.

Під структурою розуміють форму, розміри і характер взаємного розташування фаз в металах або сплавах.

Структурними складовими сплаву називають відокремлені частини сплаву, мають однакову будову з притаманними їм характерними особливостями. У сплавах залежно від фізико-хімічної взаємодії компонентів можуть утворюватися такі фазами: рідкі розчини, тверді розчини, хімічні сполуки і проміжні фази. Розглянемо сплави в твердому стані.

2.Механіческая суміші

Механічна суміш - двох компонентів А і В. утворюється тоді коли вони нездатні до взаємного розчинення в твердому стані і не вступають в хімічну реакцію з утворенням сполук. Сплав складатиметься з кристалів компонентів А і В (рис. 1).

Малюнок 1. Схема мікроструктури механічної суміші

Механічні властивості залежать від кількісного співвідношення компонентів. Приклади сплавів, в яких утворюються механічні суміші: Fe-Pb, Pb-Si.

3.Твердие розчини

Твердими розчинами називають фази, в які один з компонентів сплаву зберігає свою кристалічну решітку, а атоми інших (або іншого) компонентів розташовуються в решітці першого компонента (розчинника), змінюючи її розміри (періоди). Таким чином, твердий розчин, що складається з двох або кількох компонентів, має один тип решітки і являє собою одну фазу.

Твердий розчин існує в інтервалі концентрацій компонентів.

Розрізняють тверді розчини заміщення і тверді розчини впровадження (рис. 2).

Малюнок 2. Схеми твердих розчинів: а - чистий метал; б - твердий розчин заміщення; в - твердий розчин впровадження

Ці розчини притаманні залізовуглецевих сплавів: сталей, чавунів.

При утворенні твердого розчину заміщення атомів розчиненого компонента заміщають частину атомів розчинника в його кристалічній решітці. Заміщатися можуть будь-які атоми.

При утворенні твердого розчину впровадження атомів розчиненого компонента розташовуються в междоузлиях (пустотах) кристалічної решітки розчинника (при цьому порожнечі повинні володіти певним простором). Великі пори 0,74-0,41 R, маленькі пори 0,68-0,291R.

У ГЦК - решітці атоми розташовуються в октаедричної порі (центри решіток). У цій порі може поміститися сфера радіусом 0,41R, де R - радіус атомів у вузлах решітки.

В ОЦК - решітці атоми розташовуються в тетраедричних междоузлии, розмір пори (0,291 R).

Атоми розчинника і розчиненої компонента різні за розмірами, тому при утворенні твердого розчину кристалічна решітка завжди спотворюється, і періоди її змінюються.

При утворенні твердого розчину заміщення період решітки може збільшуватися або зменшуватися. При утворенні твердого розчину впровадження період решітки розчинника завжди зростає (рис. 3).

Малюнок 3. Спотворення кристалічної решітки при утворенні твердого розчину заміщення і впровадження

Атоми розчиненого компонента нерідко скупчуються біля дислокацій, знижуючи їх пружну енергію (рис. 4).

Атоми впровадження розташовуються в розтягнутій області під краєм екстраплоскості, утворюючи так звані атмосфери Котрелла (рис. 4).

Малюнок 4. Освіта атмосфери Котрелла: а - атоми компонента В. утворюють твердий розчин заміщення, і атоми С. утворюють твердий розчин впровадження, безладно розташовані в решітці компонента А; б і в-атоми компонентів В і С перемістилися до дислокації, в результаті чого енергія решітки знизилася

Всі метали в тій чи іншій мірі можуть розчинятися один в одному, в твердому стані наприклад: в Al до 5,5% Сu; в Сu до 39% Zn.

Тверді розчини замішане з необмеженою (в будь-яких кількісних співвідношеннях) розчинність (рис. 5) можуть утворюватися при дотриманні умов наведених нижче:

1. Компоненти повинні мати однакові за типом (ізоморфними) кристалічними решітками. Тільки в цьому випадки при зміні концентрації твердого розчину буде можливий безперервний перехід від кристалічної решітки одного компонента до грат іншого компонента.

2. Різниця в атомних розмірах (# 916; R) компонентів повинно бути незначним і не перевищувати 8 - 15%.

3. Компоненти повинні належати до однієї і тієї ж групи елементів періодичної системи елементів або до суміжних споріднених груп і мати близьке будову електронних оболонок атомів.

Малюнок 5. Кристалічні решітки твердих розчинів заміщення при необмеженої розчинності компонентів

Приклади сплавів, в яких утворюється безперервний ряд твердих розчинів:

Cu (29) і Ni (28) (# 916; R = 2.7%),

Fe і Co - не розчиняються.

Тверді розчини впровадження утворюються тільки в тих випадках, коли діаметр атома розчиненого елемента невеликий (Rвн. Ат. / Rраствор> 0,59).

Тверді розчини цього типу виходять лише при розчиненні в металі (Fe, Mo, Crі т.д.) вуглецю (атомний радіус 0,77А °), азоту (0,71А °), водню (0,46А °), тобто . елементів з малим атомним радіусом.

Тверді розчини впровадження можуть бути тільки обмеженими по концентрації, оскільки число пір в решітці обмежена, а атоми основного компонента зберігаються в вузлах решітки.

Впорядковані тверді розчини

У сплавах Cu і Au, Fe і Al, Fe і Si, Ni і Mn, що утворюють при високих температурах розчини заміщення з невпорядкованими розміщенням атомів компонентів, при повільному охолодженні або нагріванні, витримці при високих температурах протікає процес перерозподілу атомів. В результаті, якого атоми компонентів займають певні положення (рис. 6) в кристалічній решітці. Т.ч. утворюється упорядкований твердий розчин або сверхструктура.

Малюнок 6. Кристалічні решітки упорядкованих твердих розчинів: а - CuZn, б - CuAu, в - Сu3 Au

Освіта надструктури супроводжується зміною властивостей (наприклад в сплаві пермаллой (залізо і 78,5% нікелю) погіршується магнітна проникність, підвищується твердість, знижується пластичність і змінюється Електроопір).

Впорядковані розчини утворюються, коли відношення компонентів в сплаві (ат.%) Постійно: 1: 1 (CuAu); 1: 2; 1: 3 (Сu3 Au); і т.д. (Можна приписати формулу хімічної сполуки CuAu, Cu3 Au).

Впорядковані тверді розчини можна розглядати як проміжні фази між твердими розчинами і хімічними сполуками.

У упорядкованих твердих розчинах зберігається решітка розчинника, але є правильне розташування атомів і різьблене зміна властивостей характерне для хімічних сполук.

4. Хімічні сполуки

Хімічні сполуки і споріднені з ними за своєю природою фази в металевих сплавах різноманітні. Характерні особливості хімічних сполук:

1. Кристалічні ґрати відрізняється від решіток компонентів, що утворюють з'єднання. Атоми розташовуються впорядковано. Хімічні сполуки мають суцільну кристалічну решітку (рис. 7).

2. У з'єднанні завжди зберігається просте кратне співвідношення компонентів, що дозволяє їх виразити формулою: Аn Bm, А і В-компоненти; n і m- прості числа.

3. Властивості з'єднання рідко відрізняються від властивостей складових його компонентів. Cu - НВ35; Al - НВ20; CuAl2 - НВ400.

4. Температура плавлення (дисоціації) постійна.

5. Освіта хімічної сполуки супроводжується значним тепловим ефектом.

Хімічні сполуки утворюються між компонентами, що мають велику різницю в електронному будову атомів і кристалічних решіток.

Малюнок 7. Кристалічні решітки: а, б - з'єднання NaCl, в- з'єднання Cu2 MnSn (осередок складається з 8 атомів міді, 4 атомів марганцю і 4 атомів олова)

Прикладом типових хімічних сполук з нормальною валентністю можуть служити з'єднання Mg з елементами IV-VІ группПеріодіческойсістеми: Mg2 Sn, Mg2 Pb, Mg2 P2. Mg2 Sb2. Mg3 Bі2. MgS і ін. З'єднання одних металів з іншими звуться интерметаллидов. Хімічна зв'язок в інтерметалідах частіше металева.

Велике число хімічних сполук, що утворюються в металевих сплавах, відрізняється за деякими особливостями від типових хімічних сполук, так як не підкоряється законам валентності і не має постійного складу. Розглянемо найбільш важливі хімічні сполуки, що утворюються в сплавах.

Перехідні метали (Fe, Mn, Cr, Mo, Ti, V, W та ін.) Утворюють з неметалами З, N, Н сполуки: карбіду (з С), нітрид (з N), бориди (з В), гідриди ( з Н). Часто їх називають фазами впровадження.

Фази впровадження мають формулу:

МХ (WC, TiC, VC, NbC, TiN, VN і ін.).

Кристалічна структура фаз впровадження визначається співвідношенням атомних радіусів неметалла (Rх) і металу (Rм).

Якщо Rх / Rм <0,59, то атомы металла в этих фазах расположены по типу одной из простых кристаллических решеток: кубической (К8, К12) и гексагональной (Г12), в которую внедряются атомы неметалла, занимая в ней определенные поры.

Фази впровадження володіють високою: електропровідністю, температурою плавлення і високою твердістю.

Фази впровадження мають кристалічну решітку, відмінну від решітки металу розчинника.

На базі фаз впровадження легко утворюються тверді розчини віднімання (VC, TiC, ZrC, NbC), частина атомів у вузлах решітки відсутня.

Ці сполуки утворюють між одновалентними (Cu, Ag, Au, Li, Na) металами або металами перехідних груп (Mn, Fe, Co і ін.), З одного боку, і з простими металами з валентністю від 2 до 5 (Be, Mg , Zn, Cd, Al і ін.) з іншого боку.

З'єднання цього типу (визначив англійський металофізик Юм - Розера), характеризуються певним ставленням валентних електронів до числа атомів: 3/2; 21/13; 7/4; кожному співвідношенню відповідає певна кристалічна решітка.

При відношенні 3/2 утворюється ОЦК решітка (позначається # 946; - фаза) (CuBe, CuZn, Cu3 Al, Cu5 Sn, CoAl, FeAl).

При 21/13 мають складну кубічну решітку (52 атома на осередок) - # 947; - фаза (Cu5 Zn8. Cu31 Sn8. Cu9 Al4. Cu31 Si8).

При 7/4 є щільноупакована гексагональная решітка, позначається # 949; - фазою (CuZn3. CuCd3. Cu3 Si, Cu3 Sn, Au3 Sn, Cu5 Al3).

Електронні з'єднання зустрічаються в багатьох технічних сплавах - Cu і Zn, CuіSn (олово), FeіAl, Cu і Siі т.п. Зазвичай в системі спостерігається все три фази (# 946 ;, # 947 ;, # 949;).

У електронних з'єднань певне співвідношення атомів, кристалічна решітка відрізняється від решіток компонентів - це ознаки хім. з'єднань. Однак в з'єднаннях немає впорядкованого розташування атомів. Зі зниженням температури (після нагрівання) відбувається часткове впорядкування, але не повне. Електронні сполуки утворюють з компонентами, з яких складаються тверді розчини в широкому інтервалі концентрацій.

Таким чином, цей вид з'єднань слід вважати проміжними між хімічними сполуками і твердими розчинами.

Таблиця №1 - Електронні з'єднання

Електронні з'єднання для різних систем: Cu - ZnCu - SnCu - AlCu - Si

Мають формулу АВ2. утворюються при співвідношенні атомних діаметрів компонентів ТАК / ДВ = 1,2 (частіше 1,1-1,6). Фази Лавеса мають ГПУ гексагональную грати (MgZn2 і MgNi2, BaMg2. MoBe2. TiMn2) або ГЦК (MgCu2. AgBe2. CaAl2. TiBe2. TiCr2). Дані фази зустрічаються як зміцнюючі інтерметаллідним фази в жароміцних сплавах.

5. Гетерогенні структури

Сплави з гетерогенної (різнорідної) структурою утворюються у випадках, коли компоненти не володіють повною взаємною розчинністю. При підвищенні граничної розчинності виходить структура, що складається з насичених розчинів або твердого розчину і хімічної сполуки.

Приклади систем (Pb-Sb, Cu-Bi, Zn-Sn, Pb-Sn, Pb-Bi, Ni-Cr, Fe-C, Al-Cu і ін.). Кожна фаза має свою кристалічну решітку.

1. Лахтін Ю.М. Леонтьєва В.П. Матеріалознавство. М. 1972, 1980

2. Гуляєв А.П. Металознавство. М. +1986

3. Сидорин І.І. Основи матеріалознавства. М. 1 976

4. Антікайнен П.А. Металознавство. М. тисяча дев'ятсот сімдесят дві

Спасибі творцям сайту! Зроби паузу, студент, ось розважся: Студент здає іспит з фізики. Здає дуже погано. Професор намагається його витягнути, запитує: - Ну скажіть хоча б, при якій температурі кипить вода? - Пане професоре, я не знаю, при якій температурі вона кипить, але я знаю, що при 40 градусах вона перетворюється в горілку! До речі, анекдот узятий з chatanekdotov.ru