Фазовые переходы двухкомпонентных систем

Из курса 8-го класса известно, что кипение и плавление веществ происходит при неизменной температуре. Иначе ведут себя растворы, сплавы, т.е. системы состоящие из двух и более веществ.

Пусть имеются две фазы двух веществ (два состояния веществ); каждая из них может обладать любой концентрацией (т. е. обе компоненты в обеих фазах смешиваются в произвольных отношениях). В простейшем случае, когда кривые не имеют никаких максимумов или минимумов (кроме точек чистого вещества), диаграмма состояния имеет вид, изображенный на рисунке (так называемая сигара). Вертикальная ось – ось температуры. Горизонтальная ось – концентрация веществ, т.А – 0% компоненты В, 100% -компоненты А, т.В - 0% компоненты А, 100% - компоненты В.

Пусть одной из фаз является жидкость (область под сигарой), а другой — пар (область над сигарой); верхняя кривая сигары называется в этом случае кривой конденсации, а нижняя — кривой точек кипения.

Если нагревать жидкую смесь определенного состава, например 60% компоненты В, то при температуре, определяющейся пересечением вертикальной прямой AD (соответствующей данной концентрации) с нижней кривой сигары (точка В), жидкость начнет кипеть. При этом выкипает пар, состав которого определяется точкой С, т. е. обладает меньшей концентрацией, чем жидкость. Концентрация остающейся жидкости будет, очевидно, повышаться, а соответственно будет повышаться ее точка кипения. При дальнейшем нагревании точка, изображающая состояние жидкой фазы, будет передвигаться вверх по нижней кривой, а точка, изображающая выкипающий пар, — вверх по верхней кривой. Кипение закончится при различных температурах в зависимости от того, каким образом происходит процесс. Если кипение происходит в закрытом сосуде, так что весь выкипающий пар остается все время в соприкосновении с жидкостью, то, очевидно, жидкость целиком выкипит при температуре, при которой пар имеет концентрацию, равную первоначальной концентрации жидкости (точка D). Таким образом, в этом случае начало и конец кипения происходят при температурах, определяемых пересечением вертикальной прямой с нижней и с верхней кривой сигары.

Сплавы

Сплавом называется вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом. Металлические сплавы можно получить методом порошковой металлургии, диффузией, возгонкой, электролизом и другими методами.

К основным понятиям в теории сплавов относятся: система, компонент, фаза.

Система – группа тел, выделяемых для изучения и наблюдений. Чистый металл является простой системой. Сплавы сложными системами.

Компоненты сплава – это вещества, образующие систему. В металлических сплавах компонентами могут быть элементы и химические соединения.

Фазой называется однородная часть системы, отделённая от другой части системы (фазы) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура изменяются скачком. В твёрдых сплавах фазами могут быть зёрна чистого металла, зёрна твёрдого раствора и зёрна химического соединения.

Почти все металлы в жидком состоянии растворяются один в другом в любых соотношениях. В результате растворения образуется однородный жидкий раствор. В процессе затвердевания возможны различные взаимодействия входящих в них компонентов.

Механическая смесь образуется после кристаллизации сплава, если в процессе кристаллизации сила взаимодействия между однородными атомами окажется больше, чем силы взаимодействия между разнородными атомами. В этом случае в сплаве будут присутствовать зёрна одного чистого металла и зёрна другого чистого металла.

Твёрдые раствор – это такие твёрдые фазы, в которых соотношения между компонентами могут изменяться. В твёрдом растворе, так же как и в чистых металлах, атомы в пространстве расположены закономерно, образуя кристаллическую решётку. В твёрдом растворе одно вещество сохраняет присущую ему кристаллическую решётку (растворитель), а второе в виде отдельных атомов распределяется в кристаллической решётке первого (растворимое вещество).

В твёрдых растворах внедрения атомы растворимого элемента располагаются между атомами растворителя (водород, азот, углерод).

В твёрдых растворах замещения атомы растворимого вещества занимают место атомов основного элемента в его кристаллической решётке.

Химические соединения чаще всего образуются между элементами, расположенными далеко один от другого в таблице Менделеева.

Существуют промежуточные фазы. Они имеют свою, отличную от образующих элементов, кристаллическую решётку.

Фазовое состояние системы описывается диаграммой состояния.

Диаграмма состояния – графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от его концентрации и температуры. Пользуясь диаграммой состояния, можно установить возможность проведения термической обработки и её режимы, температуры литья, горячей пластической деформации и т.д.

Построение диаграммы состояния осуществляют экспериментальными методами. Наиболее часто используют методом термического анализа. Отбирают несколько сплавов данной системы с различным отношением масс входящих в них компонентов. Сплавы помещают в огнеупорные тигли и нагревают в печи. После расплавления сплавов тигли с ним медленно охлаждают и фиксируют скорость охлаждения. По полученным данным строят термические кривые в координатах «время – температура».

В результате измерений получают серию кривых охлаждения, на которых при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба и температурные остановки. Температуры, соответствующие фазовым превращениям, называются, называются критическими точками.

Точки, соответствующие началу кристаллизации, называются точками ликвидуса, а конца кристаллизации точками солидуса. По полученным критическим точкам для сплавов изучаемой системы строят диаграмму состояния в координатах «концентрация; температура». Диаграмма состояния сплавов, образующих неограниченные твёрдые растворы строится следующим образом. Пусть имеются два компонента сплава А и В, например, А-медь, В-никель. Охлаждение чистых компонентов А и В изображается известными с 8 класса графиками (t_А и t_В). Охлаждение сплавов с различной концентрацией компонентов происходит по кривым t₂,t₃ и t₄, t₅. Затем строится диаграмма состояния (правая часть рисунка). Выше линии ликвидуса система находится в жидкой фазе. Ниже линии солидуса – твёрдый раствор. Между линиями - жидкий сплав и твёрдый раствор.

Совсем иначе выглядит диаграмма состояния сплавов, образующих механические смеси чистых компонентов. Компоненты А и В; фазы – жидкий расплав; кристаллы А и В. Выше линии АCB (ликвидус) расположена область жидкого сплава. Линия DCE – линия солидуса. Ниже её сплав находится в твёрдом состоянии, между ними в двухфазном состоянии. Рассмотрим кристаллизацию сплавов I, II, III, отличающихся содержанием компонентов А и В. Температура начала кристаллизации у них разные, но заканчивают кристаллизацию они при одной температуре Tэ.

Кристаллизация сплава II аналогична кривым охлаждения чистых металлов, но температура плавления ниже, чем образующих его компонентов. Особенность кристаллизации заключается в том, что кристаллизация обоих компонентов происходит одновременно, то есть одновременно появляются и растут кристаллы компонентов А и В, и таким образом образуется металлокристалическая смесь обоих компонентов.

Механическая смесь двух (или более) разнородных кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкости определённого состава при постоянной и минимальной для сплава данной системы температуре, называется эвтектикой.

Сплавы I (доэвтектический) и III (заэвтектический) кристаллизуются в интервалах температур, причём сначала образуются кристаллы одного компонента, а затем (когда концентрация станет равной концентрации эвтектики) кристаллизация компонентов происходит одновременно и температура не понижается, пока весь сплав не станет твёрдым.

Вопросы:

1. Что называется сплавом?

2. Как можно получить металлические сплавы?

3. Что такое система?

4. Что называется компонентами сплава?

5. Что называется фазой?

6. Что такое механическая смесь?

7. Что называется твёрдым раствором?

8. Что называется диаграммой состояния?

9. Как выглядит диаграмма состояния сплавов, образующих неограниченные твёрдые растворы?

10. Какая линия называется линией солидуса?

11. Какая линия называется линией ликвидуса?

12. Какой сплав называется эвтектикой?

18. МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ.

Сплавы железа с углеродом (стали и чугуны) являются наиболее распространёнными металлическими материалами. Сплавы, содержащие до 2,14% углерода называются сталями. Сплавы, содержащие от 2,14% до 6,67% углерода – чугуны.

Классификация сталей

По химическому составу:

Углеродистые (низкоуглеродистые – 0,3 % С, среднеуглеродистые – до 0,7% С, высокоуглеродистые – свыше 0,7% С).

Легированные (с содержанием элементов улучшающих те или иные качества стали).

По назначению:

Конструкционные стали, применяемые для изготовления ответственных конструкций, деталей машин и приборов.

Инструментальные стали, применяемые для изготовления режущего инструмента и штампов.

Стали специального назначения применяются: коррозиестойкие (хромоникелевые), жаропрочные (нихромы, кобальтовые, молибденовые), магнитные (магнитомягкие и магнитотвёрдые), сплавы с высоким электрическим сопротивлением (ферронихромы).

По качеству:

Обыкновенного качества, качественные и высококачественные.

Маркировка

Ст2 – конструкционная углеродистая сталь обыкновенного качества (2-номер марки)

Сталь 10 – конструкционная углеродистая качественная (10 – содержание углерода в сотых долях процента). Сталь 45 – 0,45 % С.

У7 - инструментальная качественная (0,7% С).

Р6М5 – Р – быстрорежущая, 6% вольфрама, М – молибден – 5%.

08Х13 – хромистая нержавеющая сталь (0,08% С, 13% Сr)

Алсифер – магнитомягкий сплав (алюминий, кремний, железо)

Чугуны

СЧ10 – серый чугун (10 кгс/мм₂ предел на растяжение, 100 МПа).

КЧ37-12 – ковкий чугун (37 кгс/м² предел прочности при растяжении, 12 % относительное удлинение.

Медь и алюминий

Кроме сталей большое применение находит медь и её сплавы: бронза (медь со всеми элементами кроме цинка) и латунь (медь и цинк), а также алюминий.

Медь выпускается в виде технических марок МОО, МО, М1 (99,9 %Сu),М2, М3, М4(99,0 %Cu)

Бронзы, обрабатываемые давлением, хорошо куются, штампуются, прокатываются. Бронзы маркируются буквами «Бр» (бронза) и цифрами: буквы означают название элемента, а цифры – его количество в сплаве в процентах. Например, Бр05Ц5С5 содержит 5 % олова, 5 % цинка, 5 % свинца, остальное – медь.

Латуни маркируются буквой «Л» (латунь) и цифрой, показывающей содержание легирующего элемента в процентах. В марках легированных латуней кроме цифры, указывающей содержание цинка, даются буквы и цифры, обозначающие название и количество в процентах легирующих элементов. Например, ЛЦ35А3Ж2Мц1 содержит: 35%Zn, 3 %Al, 2 %Fe, 1%Mn, остальные 59 % составляет Cu.

Единой цифровой маркировки алюминиевых сплавов не существует

Рисунок 5 Литьё, медь

Рисунок 6 Алюминиевая посуда

Рисунок 7 Вентиль, латунь

ОГЛАВЛЕНИЕ

1.	Основные положения молекулярно - кинетической теории. Атомы и молекулы. Массы и размеры молекул.
2.	ЭНЕРГИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МОЛЕКУЛ. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ. ИЗМЕНЕНИЕ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ.
3.	ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ.
4.	ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ГАЗОВ.
5.	ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА
6.	УРАВНЕНИЕ МЕНДЕЛЕЕВА – КЛАЙПЕРОНА.
7.	ИЗМЕНЕНИЕ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА. ИЗОПРОЦЕССЫ.
8.	ПОНЯТИЕ ОБ ОБРАТИМЫХ И НЕ ОБРАТИМЫХ ПРОЦЕССАХ. ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ.
9.	ПОНЯТИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ.
10.	СТРУКТУРНО-ЛОГИЧЕСКИЙ БЛОК «ИЗМЕНЕНИЕ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА».
11.	ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВОЙ МАШИНЫ. К.П.Д. ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ.
12.	ЖИДКОСТЬ. СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТИ ЖИДКОСТИ. КАПИЛЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ.
13.	ИСПАРЕНИЕ ЖИДКОСТИ. Насыщеный и ненасыщеный пар. Изотерма реального газа. Кипение жидкости. Влажность воздуха.
14.	Кристаллические тела и их свойства. Монокристаллы и поликристаллы. Аморфные тела. Дефекты. Способы повышения прочности.
15.	Механические свойства тел.
16.	Тепловые свойства твёрдых тел. Зависимость размеров от температуры.
17.	ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ.
18.	МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ