Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Бердичівський коледж промисловості, економіки та права

Затверджено

Методичною радою

Голова методичної ради

________ Т.С.Капралюк

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

для вивчення тем з дисципліни

“Основи металознавства ”

Розділ 3

Тема 3.2, тема 3.3

для студентів спеціальності 5.05040201

“Ливарне виробництво чорних і кольорових металів і сплавів”

Автор-укладач Шенгелая С.В.

Розглянуто та схвалено на засіданні циклової комісії

5.05040201 “Ливарне виробництво чорних і

кольорових металів і сплавів”

Протокол № 1 від 31.08.2012 р.

Голова комісії _______________ Р.В.Єрмоленко

2012

Зміст

Розділ 3 Основи теорії сплавів

Тема: 3.2. Діаграми стану подвійних сплавів 3

1. Загальні положення про діаграмі стану 3

2. Діаграма стану сплавів з необмеженою розчинністю компонентів 6

3. Діаграма стану сплавів евтектичного типу 7

4. Діаграма стану сплавів, що утворюють обмежені тверді розчини

та евтектику 9

5. Діаграма стану сплавів перитектичного типу 10

6. Діаграма стану сплавів з стійкою та нестійкою хімічною сполукою 11

Тема 3.3. Зв’язок між типом діаграми та властивостями сплаву 11

Тема 3.2. Діаграми стану подвійних сплавів План

1. Загальні положення про діаграмі стану

2. Діаграма стану сплавів з необмеженою розчинністю компонентів

3. Діаграма стану сплавів евтектичного типу

4. Діаграма стану сплавів, що утворюють обмежені тверді розчини та евтектику

5. Діаграма стану сплавів перитектичного типу

6. Діаграма стану сплавів з стійкою та нестійкою хімічною сполукою

Тема 3.3. Зв’язок між типом діаграми та властивостями сплаву Рекомендована література:

1. Самохоцкий А.Н. „Металловедение”, изд. Металургія, 1990, М.

2. Бялик О.М., Черненко В.С., Писаренко В.М., Москаленко Ю.Н. Металознавство М. ”Политехника”, 2002

3. Лахтин Ю.М. „Металловедение” и „Термическая обработка металлов”; М „Металлургия”; 1979

Студенти повинні знати:

Основні поняття про сплав, типи зв’язків у сплавах.

Студенти повинні вміти:

Визначити тип сплаву, дати порівняльну характеристику.

1. Загальні положення про діаграмі стану

Діаграма стану є графічним зображенням фазового стану сплавів залежно від температури і концентрації в умовах рівноваги.

Діаграма стану дозволяє для конкретних сплавів прослідити за перетвореннями, що відбуваються при їх нагріванні і охолоджуванні, визначити температуру початку і кінця плавлення (затвердіння) сплаву, з'ясувати чи буде сплав однорідним, які його рідинотекучість, пористість. Ці відомості необхідні при розробці ливарної технології. Відомості про структурні перетворення, їх характер, структуру, що утворюється в наслідок цих перетворень, температурах, при яких починаються і закінчуються ці перетворення і т. п., необхідні при розробці технології термічної обробки деталей з даного сплаву. Ці та інші відомості необхідні також при розробці технології гарячої обробки і зварювання, виборі того або іншого сплаву для виготовлення з нього виробів.

Окрім якісної оцінки структури, по діаграмі стану можна дати і кількісну оцінку сплаву, тобто визначити, наприклад, кількісне співвідношення між рідкою і твердою частинами сплаву при певній температурі.

Залежно від характеру будови (механічна суміш, твердий розчин, хімічне з'єднання), що утворюється в сплавах, розрізняють наступні основні типи діаграм стану:

1. діаграма нерозчинності компонентів в твердому стані;

2. діаграма необмеженої розчинності компонентів в твердому стані;

3. діаграма обмеженої розчинності компонентів в твердому стані;

4. діаграма для випадку, коли компоненти утворюють хімічне з'єднання.

Правило фаз виражає залежність між кількістю ступенів вільності С, компонентів К і фаз Ф, що перебувають у рівнова­зі, й у загальному вигляді описується рівнянням:

С = К + 2 — Ф,

де 2 — кількість зовнішніх змінних параметрів (температура й тиск).

Фазою називають однорідну (гомогенну) частину сплаву, яка має певний хімічний склад, кристалічну будову (виняток ста­новить рідкий стан) і властивості. В металевих сплавах фазами можуть бути хімічні елементи, тверді й рідкі розчини на їх основі та хімічні сполуки.

Система — це будь-яка речовина, що складається із компо­нента або сплаву заданого складу, чи сукупності нескінченно великої кількості сплавів, утворених певними компонентами. Система характеризується температурою і масовими частками компонентів.

Компонент системи — це речовина, що утворює сплав. До ком­понентів належать хімічні елементи або стійкі хімічні сполуки.

Ступінь вільності — кількість незалежних один від одного ви­значальних факторів рівноваги (концентрація, температура, тиск), які можна змінювати в певних межах без зміни кількості фаз.

Оскільки зміни атмосферного тиску практично не вплива­ють на фазову рівновагу металевих сплавів, то одним із двох зовнішніх факторів (тиском) можна знехтувати й тоді рівняння набуває такого вигляду:

С = К + 1 — Ф

Правило відрізків дає змогу визначити склад фаз і кількіс­не співвідношення між ними при різних температурах у двофазовій області діаграми стану сплавів. В однофазовій області правило відрізків не застосовується.

Перше положення правила відрізків можна сформулювати так. Для знаходження складу рівноважних фаз у будь-якій точці через неї проводять коноду — пряму, паралельну до осі складу, яка перетинається з лініями, що обмежують дану двофазову область; проекція точки перетину коноди з лінією ліквідує на вісь складу покаже концентрацію компонентів у рідкому роз­чині, а проекція точки її перетину з лінією солідус — концен­трацію компонентів у твердому розчині.

Друге положення правила відрізків допомагає визначити ма­сову частку кожної з двох фаз при заданій температурі. Масова частка одної фази у вибраній точці дорівнює відношенню дов­жини відрізка, що межує з областю іншої фази, до довжини всього відрізка — коноди.

Простежимо за процесом кристалізації сплаву концентрації К₂ (мал. 3.1, б). При температурі точки 0 сплав є в однофазній області рідкого розчину Р. В точці 1 починається кристалі­зація сплаву і в точці 2 вона закінчується. Нижче від точки 2 жодних структурних перетворень у сплаві немає.

Виберемо на лінії концентрації К₂ точку а. У названій точці в рівновазі перебувають дві фази — рідкий розчин Р і твердий розчин α. Щоб визначити склад фаз при температурі точки а, скористаємось першим положенням правила відрізків і прове­демо через цю точку горизонтальну лінію до перетину з лініями ліквідує в точці b і солідус в точці с. Спроектувавши на вісь складу ці точки, отримаємо точки b₁ і с₁, які показують склад рідкого й твердого розчинів відповідно. Аналогічно при темпе­ратурі початку кристалізації склад рідкого розчину визнача­ється точкою f₁, а при температурі кінця кристалізації — точ­кою d₁. Відповідно склад твердого розчину при температурі по­чатку кристалізації ілюструє точка f₁, при температурі кінця кристалізації — точка 2₁.

Таким чином, склад рідкого розчину під час кристалізації змінюється по лінії ліквідує на відрізку 1d, a склад твердого розчину — по лінії солідус на відрізку f2. Якщо кристалізація відбувається у рівноважних умовах, то вирівнюється хімічний склад твердого розчину завдяки дифузії, внаслідок чого при температурі точки 2 весь твердий розчин буде мати склад цієї точки.

Масова частка Q_p рідкого розчину Р для точки а відповідно з другим положенням правила відрізків становить:

і масова частка Q_T твердого розчину а

Крива охолодження сплаву концентрації К₂ (мал. 3.1, в) складається із трьох ділянок: верхньої, що лежить над точкою 1, середньої — між точками 1 і 2 та нижньої — під точкою 2. У межах верхньої та нижньої ділянок маємо одну фазу — рід­кий розчин Р та твердий розчин а відповідно, а в межах серед­ньої ділянки — одночасно обидві названі фази (Ф=2). Кут на­хилу середньої ділянки до осі абсцис менший, ніж відповідні кути нахилу верхньої та нижньої ділянок, що пояснюється ефек­том виділення прихованої теплоти кристалізації. Середня діля­нка починається в точці 1 і закінчується у точці 2. Кристаліза­ція сплаву в деякому інтервалі температур характерна для моноваріантної рівноваги, коли кількість ступенів вільності дорі­внює одиниці (С = К + 1 – Ф = 2 + 1 – 2 = 1).

Крива охолодження Cu (мал. 3.1, а) складається також із трьох ділянок: верхньої, середньої та нижньої. У межах середньої ділянки між точками А׳ і А" (t=1083°С) маємо одночасно дві фази — кристали міді й рідину. Таке співіснування двох фаз (Ф=2) в однокомпонентній (К=1) речовині можливе тільки при сталій температурі, коли кількість ступенів вільності дорівнює нулю, що підтверджується правилом фаз (С = К + 1 — Ф = 1 + 1 — 2 = 0).