МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» (маи)

Кафедра «Материаловедение и технологии обработки материалов»

Курсовая работа

по дисциплине «Современные проблемы материаловедения и технологии материалов и покрытий»

на тему «Анализ фазовых превращений в системе Cu-Sn»

Вариант № 19

Выполнила: Николаева М.В. Группа: Т1О-105М-17 Проверил: Осинцев О.Е. Оценка:

Москва 2017

Содержание

Задание………………………………………………………………………………….

1 Описание диаграммы состояния Cu-Sn…………………………………………….

1.1 Характеристика компонентов и фаз системы Cu-Sn……………………………….

1.2 Характеристика нонвариантных превращений в системе Cu-Sn…………………...

2 Анализ фазовых превращений в сплавах системы Cu-Sn………………….. …….

2.1 Фазовые превращения в сплаве X₁ (14 ат. % Sn)…………………………………..

2.2 Фазовые превращения в сплаве X₂ (24 ат. % Sn)…………………………………..

2.3 Фазовые превращения в сплаве X₃ (26 ат. % Sn)…………………………………..

3 Построение графических зависимостей изменения количества фаз и процентного содержания Sn в фазах от температуры при охлаждении сплава из жидкого состояния до комнатной температуры………………………………………………..

3.1 Построение зависимости изменения относительного количества фаз сплава X₄ (12 ат. % Sn) в зависимости от температуры………………………………………………

3.2 Построение зависимости изменения процентного содержания Sn в фазах сплава X₄ (12 ат. % Sn) в зависимости от температуры…………………………………………..

Список ипользованных источников…………………………………………………..

1 Описание диаграммы состояния Cu-Sn

1.1 Характеристика компонентов и фаз системы Cu-Sn

Cu – медь – химический элемент I группы периодической системы Д.И. Менделеева. Атомный номер 29, атомная масса 63,546. Металл золотисто-розового цвета. Медь имеет гранецентрированную кубическую решетку с параметром a = 3,6074 Å. Плотность равна 8,92 г/см³. Температура плавления металла 1083°C. Теплопроводность меди 0,941 кал/(см·сек·°C), электрическое сопротивление 1,68·10^-6 Ом·см, удельная теплоемкость 0,092 кал/(г·°C), коэффициент линейного расширения (0–100 °С) 16,6·10^-6 1/°С. Медь диамагнитна. Модуль упругости 13200 кгс/мм².

Sn – олово – химический элемент IV группы периодической системы Д.И. Менделеева. Атомный номер 50, атомная масса 118,71. В обычных условиях олово существует в виде β-модификации (белое олово), устойчивой выше 13,2 ℃. Белое олово — это серебристо-белый, мягкий, пластичный металл, обладающий тетрагональной элементарной ячейкой, параметры a = 5,831 Å, c = 3,181 Å. При охлаждении белое олово переходит в α-модификацию (серое олово). Серое олово имеет структуру алмаза (кубическая кристаллическая решетка с параметром а = 6,491 Å). Из-за сильного различия структур двух модификаций олова разнятся и их электрофизические свойства. Так, β-Sn — металл, а α-Sn относится к числу полупроводников. Ниже 3,72 К α-Sn переходит в сверхпроводящее состояние. Плотность равна 7,31 г/см³. Температура плавления металла 232 °C. Теплопроводность олова 0,157 кал/(см·сек·°C), электрическое сопротивление 1,12·10^-6 Ом·см, удельная теплоемкость 0,054 кал/(г·°C), коэффициент линейного расширения (0–100 °С) 22,4·10^-6 1/°С. Модуль упругости (при 0 ℃) 5500 кгс/мм².

Диаграмма состояния Cu-Sn подробно исследована во всей области концентраций сплавов. На рис. 1 и рис. 2 представлена диаграмма состояния Cu-Sn, построенная методами термического, металлографического и рентгеновского анализа [1].

Характеристика фаз системы Cu-Sn

В системе Cu-Sn существует восемь фаз α, β, γ, ε, δ (Cu₃₁Sn₈), ζ (Cu₂₀Sn₆), ε (Cu₃Sn), η (Cu₆Sn₅), Sn.

В данной системе медь и олово образуют твердый раствор α на основе Cu, т.е. олово растворяется в меди. Данные по растворимости Sn в α приведены ниже:

Температура, ℃……………………………..	700	550	400	320	250
Растворимость Sn:
ат.% ………………………………………	8,7	9,1	7,7	7,3	5,7
вес.% ……………………………………..	15,10	15,80	13,50	12,80	10,10

Растворимость Cu в Sn в твердом состоянии при эвтектической температуре 227 ℃ составляет 0,01 ат. (0,006 вес.) % Cu.

L – жидкий раствор на основе компонентов Cu и Sn, которые ограниченно растворяются друг в друге.

α-фаза, твердый раствор на основе Cu, кристаллизуется из жидкости в интервале температур 1083‒798 ℃ при содержании до 15 ат.% Sn по линии ликвидуса. Ликвидус в интервале между температурой плавления Cu и температурой перитектического превращения при 798 ℃ несколько сдвинут в область более высоких температур.

Sn – кристаллизуется из жидкости в узком интервале температур 232‒227 ℃ и концентрационной области 1,3 ат.% Cu.

β-фаза, твердый раствор на основе Sn, существует при температурах между 798 и 586 ℃ в узкой концентрационной области (наибольшая протяженность ее составляет ~ 3 ат.% при 755 ℃). При температуре 586 ℃ фаза β претерпевает эвтектоидный распад: β (14,9 ат.% Sn) ↔ α (9,1 ат.% Sn) + γ (15,4 ат.% Sn).

γ-фаза имеет довольно значительную область гомогенности и существует в интервале температур 755–520 ℃. При температуре 640 ℃ фаза γ претерпевает превращение по кататектической реакции γ ↔ ε + L (43,1 ат.% Sn). При 520 ℃ фаза γ распадается по эвтектоидной реакции: γ (16,5 ат.% Sn) ↔ α (9,1 ат.% Sn) + δ (20,5 ат.% Sn).

ε (Cu₃Sn) – конгруэтно плавящееся соединение, существует в интервале температур от 676 ℃ до комнатной и имеет небольшую область гомогенности, при 640 ℃ наибольшая ширина ее 1,5 ат.% Sn. При температуре 676 ℃ имеет место превращение γ ↔ ε.

ζ (Cu₂₀Sn₆) – инконгруэтно плавящееся соединение, существующее в узкой концентрационной области в интервале 640–582 ℃, и при температуре 582 ℃ претерпевает эвтектоидный распад (распадается ζ-фаза) по реакции ζ ↔ δ + ε.

δ (Cu₃₁Sn₈) – инконгруэтно плавящееся соединение, имеет узкую область гомогенности в интервале температур 590‒350 ℃ и при температуре 350 ℃ распадается по эвтектоидной реакции δ ↔ α + ε.

η (Cu₆Sn₅) – инконгруэтно плавящееся соединение, существует в узкой области составов и в интервале температур 189–186 ℃ происходит ее упорядочение с образованием η’ при 186 ℃ со стороны Sn и при 189 ℃ со стороны Cu.

Параметр решетки α-фазы увеличивается от 3,672 Å (при 150–250°) до 3,707 Å (при 550–700°).

Кристаллическая структура фаз приведена в табл. 1. Параметр решетки (Cu) для сплава с 6,6 ат.% Sn увеличивается от 0,3672 нм при температуре 150‒250 ℃ до 0,3707 нм при 550‒700 ℃ [1, 2].

Таблица 1 ‒ Кристаллическая структура фаз системы Cu-Sn [2, с. 325]

Фаза	Прототип	Символ Пирсона пр.гр.	Параметры решетки, нм				Темп-ра реакции образования, ℃		Темп-ра реакции распада, ℃		Темп-ра обл. сущ-ния, ℃
			a	b	c
β	w	cI2, Imm	0,2981‒0,2991	─	─	798		586		─
γ	BiF3	cF16, Fmm	0,6116 (6)	─	─	755		520		─
			0,60605‒0,61176	─	─
δ*1	Cu41Sn11	cF416, F3m	1,7980	─	─	520		350		─
ζ*2	Cu10Sn3	hP26, P63/m	0,7330	─	0,7864	640		582		─
ε	Cu3Sn	oC8, Cmcm	0,5529	4,775	0,4323	676		─		25
η*3	NiAs	hP4, P63/mmc	0,4192 (2)	─	0,5037 (2)	415		186		─
η’*4	─	─	─	─	─	189		─		25

Фазы β и γ кристаллографически подобны, имеют объемноцентрированные решетки.

Кристаллическая структура δ-фазы относится к структурному типу γ-латуни. Фаза δ является электронным соединением с электронной концентрацией 21/13 и соответствует формуле Cu₃₁Sn₈ при 20,6 ат.% Sn. Параметр решетки δ-фазы при 25° a = 17,9550 ± 0,0003 Å.

Методом электронографии идентифицирована ранее неизвестная δ’-фаза, структура ее кубическая с a = 17,34 Å.

Фаза ζ имеет гексагональную решетку, параметры которой a = 7,331 Å, c = 7,870 Å; предполагаемый идеальный состав Cu₂₀Sn₆ — 23,08 ат. (35,92 вес.) % Sn.

Фаза ε базируется на соединении Cu₃Sn (38,37 вес.% Sn), имеет ромбическую решетку. Структуру ε-фазы рассматривают и как сверхструктуру на основе гексагональной решетки.

Состав фазы η соответствует соединению Cu₆Sn₅ — 45,45 ат. (60,89 вес.) % Sn. Фаза η упорядочивается при температурах 189–186 ℃. Установлено, что упорядочение в решетке наблюдается лишь вдоль оси c, при этом параметры элементарной ячейки a = 4,18 Å; c = 25,20 Å [1, 2].