Диаграммы состояний железоуглеродистых сплавов

Национальный Открытый Институт России г. Санкт- Петербург

 

Кафедра Экономики

 

Дисциплина «Теоретические основы прогрессивных технологий»

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

Студента группы Э51С2В

Козули Алексея Васильевича

Тема: «Диаграммы состояний железоуглеродистых сплавов »

 

 

 

Проверил __________________

Дата ______________________

Оценка____________________

 

 

Санкт-Петербург

2009

Оглавление

стр.

Введение…………………………………………………………………………...2

Глава I. Общая теория сплавов. Строение, кристаллизация и свойства сплавов. Диаграмма состояния…………………………………………………...4

1.1. Особенности строения, кристаллизации и свойств сплавов: механических смесей, твердых растворов, химических соединений…………………………...4

1.2. Классификация сплавов твердых растворов..................................................6

1. 3. Кристаллизация сплавов.................................................................................8

1. 4. Диаграмма состояния......................................................................................9

1. 5. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния……...10

Глава II.  Железоуглеродистые сплавы. Диаграмма состояния железо – углерод……………………………………………………………………………12

2. 1. Структуры железоуглеродистых сплавов………………………………...12

2. 2. Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов……………………...13

2. 3. Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов…..16

2. 4. Структуры железоуглеродистых сплавов……………………………...…19

Заключение 22

Список использованной литературы 24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 Под сплавом понимают вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. Возможны другие способы приготовления сплавов: спекания, электролиз, возгонка. В этом случае вещества называются псевдосплавами.

Сплав, приготовленный преимущественно  из металлических элементов и  обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом. Сплавы обладают более разнообразным комплексом свойств, которые изменяются в зависимости от состава и метода обработки. 

Система – группа тел выделяемых для наблюдения и изучения.

В металловедении системами  являются металлы и металлические  сплавы. Чистый металл является простой однокомпонентной системой, сплав – сложной системой, состоящей из двух и более компонентов.

Компоненты – вещества, образующие систему. В качестве компонентов выступают чистые вещества и химические соединения, если они не диссоциируют на составные части в исследуемом интервале температур.

Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются.

Вариантность (C) (число степеней свободы) – это число внутренних и внешних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения количества фаз в системе.

Диаграммы состояния - это  графические изображения, показывающие в условиях равновесия фазовый состав и структуру сплавов в зависимости от температуры и химической концентрации компонентов.

Для сложных систем, состоящих из многих фаз и компонентов, построение диаграммы состояний является единственным методом, позволяющим на практике установить, сколько фаз и какие конкретно фазы образуют систему при данных значениях параметров состояния. Каждое реально существующее состояние системы на диаграмме состояний изображается точкой и называется фигуративной точкой; областям существования одной фазы отвечают участки пространства (на трехмерных диаграмм состояний) или плоскости (на двухмерных диаграмм состояний), условиям сосуществования фаз - соотв. пов-сти или линии; изменение фазового состояния системы рассматривается как движение фигуративной точки на диаграмме состояний. Анализ относительно расположения объемных участков, пов-стей, линий и точек, которые образуют диаграммы состояний, позволяет однозначно и наглядно определять условия фазового равновесия, появления в системе новых фаз и химического соединения, образования и распада жидких и твердых растворов и т. п. диаграммы состояний используют в материаловедении, металлургии, нефтепереработке, хим. технологии (в частности, при разработке методов разделения в-в), производствах электронной техники и микроэлектроники и т. п. С ее помощью определяют направленность процессов, связанных с фазовыми переходами, осуществляют выбор режимов термообработки, отыскивают оптимальные составы сплавов и т. п.

Для построения диаграммы  состояний расчетным путем необходимо знать зависимости хим. потенциалов  всех компонентов системы и состава фаз. Приближенные методы расчета с применением ЭВМ интенсивно развиваются, в частности, для многокомпонентных сплавов. Однако пока диаграммы состояний строят на основе экспериментальных данных, получаемых главным образом термическим анализом, который позволяет определять зависимости т-р плавления или кристаллизации от состава, а также изучением равновесий жидкость - пар и жидкость - жидкость. Изучение диаграммы состояний составляет основное содержание физико-химического анализа.

Мною при написании курсовой работы использованы учебники, монографии.

 

Глава I. Общая теория сплавов. Строение, кристаллизация и свойства сплавов. Диаграмма состояния.

 

1. 1. Особенности строения, кристаллизации и свойств сплавов: механических смесей, твердых растворов, химических соединений 

Строение металлического сплава зависит от того, в какие  взаимодействия вступают компоненты, составляющие сплав. Почти все металлы  в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях. При образовании сплавов в  процессе их затвердевании возможно различное взаимодействие компонентов.

В зависимости от характера  взаимодействия компонентов различают  сплавы:

1. механические смеси;
2. химические соединения;
3. твердые растворы.

Сплавы механические смеси образуются, когда компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения [13].

Образуются между элементами значительно различающимися по строению и свойствам, когда сила взаимодействия между однородными атомами больше чем между разнородными. Сплав состоит из кристаллов входящих в него компонентов (рис. 1.1). В сплавах сохраняются кристаллические решетки компонентов.

 

 

 

Рис. 1.1. Схема микроструктуры механической смеси 

 

Сплавы химические соединения образуются между элементами, значительно различающимися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между разнородными атомами больше, чем между однородными.

Особенности этих сплавов:

1. Постоянство состава, то есть сплав образуется при определенном соотношении компонентов, химическое соединение обозначается А_n В_m/
2. Образуется специфмческая, отличающаяся от решеток элементов, составляющих химическое соединение, кристаллическая решетка с правильным упорядоченным расположением атомов (рис. 1.2)
3. Ярко выраженные индивидуальные свойства
4. Постоянство температуры кристаллизации, как у чистых компонентов

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.2. Кристаллическая решетка химического соединения 

 

Сплавы твердые растворы – это твердые фазы, в которых соотношения между компонентов могут изменяться. Являются кристаллическими веществами.

Характерной особенностью твердых растворов является: наличие в их кристаллической решетке разнородных атомов, при сохранении типа решетки растворителя.

Твердый раствор состоит из однородных зерен (рис. 1.3).

 

 

Рис.1.3. Схема микроструктуры твердого раствора

1. 2. Классификация сплавов твердых растворов

По степеням растворимости  компонентов различают твердые  растворы:

• с неограниченной растворимостью компонентов;
• с ограниченной растворимостью компонентов.

При неограниченной растворимости компонентов кристаллическая решетка компонента растворителя по мере увеличения концентрации растворенного компонента плавно переходит в кристаллическую решетку растворенного компонента [3].

Для образования растворов  с неограниченной растворимостью необходимы:

1. изоморфность (однотипность) кристаллических решеток компонентов;
2. близость атомных радиусов компонентов, которые не должны отличаться более чем на 8…13 %.
3. близость физико-химических свойств подобных по строение валентных оболочек атомов.

При ограниченной растворимости компонентов возможна концентрация растворенного вещества до определенного предела. При дальнейшем увеличении концентрации однородный твердый раствор распадается с образованием двухфазной смеси.

По характеру распределения  атомов растворенного вещества в кристаллической решетке растворителя различают твердые растворы:

• замещения;
• внедрения;
• вычитания.

В растворах замещения  в кристаллической решетке растворителя часть его атомов замещена атомами растворенного элемента (рис. 1.4 а). Замещение осуществляется в случайных местах, поэтому такие растворы называют неупорядоченными твердыми растворами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.4. Кристаллическая решетка твердых растворов замещения (а), внедрения (б) 

 

При образовании растворов  замещения периоды решетки изменяются в зависимости от разности атомных диаметров растворенного элемента и растворителя. Если атом растворенного элемента больше атома растворителя, то элементарные ячейки увеличиваются, если меньше – сокращаются. В первом приближении это изменение пропорционально концентрации растворенного компонента. Изменение параметров решетки при образовании твердых растворов – важный момент, определяющий изменение свойств. Уменьшение параметра ведет к большему упрочнению, чем его увеличение.

Твердые растворы внедрения образуются внедрением атомов растворенного компонента в поры кристаллической решетки растворителя (рис. 1.4 б).

Образование таких растворов, возможно, если атомы растворенного  элемента имеют малые размеры. Такими являются элементы, находящиеся в  начале периодической системы Менделеева, углерод, водород, азот, бор. Размеры атомов превышают размеры межатомных промежутков в кристаллической решетке металла, это вызывает искажение решетки и в ней возникают напряжения. Концентрация таких растворов не превышает 2-2.5%

Твердые растворы вычитания  или растворы с дефектной решеткой. образуются на базе химических соединений, при этом возможна не только замена одних атомов в узлах кристаллической  решетки другими, но и образование  пустых, не занятых атомами, узлов в решетке.

К химическому соединению добавляют, один из входящих в формулу  элементов, его атомы занимают нормальное положение в решетке соединения, а места атомов другого элемента остаются, незанятыми. 

 

1. 3. Кристаллизация сплавов

Кристаллизация сплавов  подчиняется тем же закономерностям, что и кристаллизация чистых металлов. Необходимым условием является стремление системы в состояние с минимумом свободной энергии.

Основным отличием является большая роль диффузионных процессов, между жидкостью и кристаллизующейся фазой. Эти процессы необходимы для перераспределения разнородных атомов, равномерно распределенных в жидкой фазе.

В сплавах в твердых  состояниях, имеют место процессы перекристаллизации, обусловленные  аллотропическими превращениями компонентов  сплава, распадом твердых растворов, выделением из твердых растворов вторичных фаз, когда растворимость компонентов в твердом состоянии меняется с изменением температуры.

Эти превращения называют фазовыми превращениями в твердом  состоянии.

При перекристаллизации в твердом состоянии образуются центры кристаллизации и происходит их рост.

Обычно центры кристаллизации возникают по границам зерен старой фазы, где решетка имеет наиболее дефектное строение, и где имеются  примеси, которые могут стать  центрами новых кристаллов. У старой и новой фазы, в течение некоторого времени, имеются общие плоскости. Такая связь решеток называется когерентной связью. В случае различия строения старой и новой фаз превращение протекает с образованием промежуточных фаз.

Нарушение когерентности и обособления кристаллов наступает, когда они приобретут определенные размеры.

Процессы кристаллизации сплавов изучаются по диаграммам состояния. 

1. 4. Диаграмма состояния

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от концентрации и температуры (рис. 1.5)