Термический анализ

Вопросы

Основные понятия теории сплавов

Термический анализ

Диаграмма состояния железо-цементит

Основные понятия теории сплавов

Под сплавом понимают металлическое вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. Вещества из которых об­разован сплав, называются компонентами. При кристаллизации сплавов могут образовываться следующие типы соединений: ме­ханические смеси, твердые растворы, химические соединения.

Механические смеси образуют компоненты с большим разли­чием атомных диаметров, не способные к взаимному растворе­нию в твердом состоянии и не вступающие в химическую реак­цию с образованием соединения. При этом каждый из компонентов сохраняет свой тип кристаллической решетки. Меха­нические свойства смесей зависят от ко­личественного соотношения компонен­тов, от размеров и формы зерен.

Твердые растворы (рис. 1) характери­зуются тем, что один компонент (раство­ритель) сохраняет свою кристаллическую решетку, а другой ( растворимый ) — от­дает свои атомы в решетку растворителя. Например, компонент Врастворился в ком­поненте А. Свойства твердого раствора от­личаются от свойств компонентов его об­разующих.

Существуют твердые растворы внедре­ния и твердые растворы замещения. При образовании твердых растворов внедрения атомы растворенного компонентаВразме­щаются между атомами растворителя Ав его кристаллической решетке (рис.1,б). При образовании твердых растворов замещения атомы растворенного компонента В замещают часть атомов растворителя (компонент А) в его кристаллической решетке (рис.1, а).

Поскольку размеры растворенных ато­мов отличаются от размеров атомов раство­рителя, то образование твердого раствора сопровождается искажением кристалли­ческой решетки растворителя (рис. 2).

Твердые растворы замещения могут быть с ограниченной и неограниченной ра­створимостью. В твердых растворах с огра­ниченной растворимостью концентрация растворенного компонента возможна до определенных пределов.

В твердых растворах с неограниченной растворимостью возможна любая концен­трация растворенного компонента (от 0 до 100%).

Рис.1 Рис.2

Как правило, об­разуются твердые растворы с ограничен­ной растворимостью.

Химические соединения имеют следующие особенности: совер­шенно новую кристаллическую решетку, отличную от решеток элементов его образующих; свойства соединения резко отличаются от свойств элементов (высокая твердость и хрупкость); постоян­ный состав; подчиняются законам валентности и выражаются фор­мулой А_n В_m,где nи m— взаимно простые целые числа.

Системой называютсовокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (температуре, давлении). Система может быть простой, если она состоит из одного компонента, и сложной, если она состоит из нескольких компонентов.

Фазойназывают однородную по химическому составу, кристаллическому строению и свойствам часть системы, отделенную от других частей системы поверхностью раздела. Фазами могут быть металлы и неметаллы, жидкие и твердые растворы, химические соединения. Однородной системой является, например, однородная жидкость, двухфазной – механическая смесь двух видов кристаллов.

Термический анализ

Фазовые превращения, происходящие в сплавах, можно наглядно представить с помощью диаграмм состояния. Диаграммы состоя­ния позволяют определить фазовые и структурные превращения сплавов при медленном нагреве или медленном охлаждении. Они дают возможность предвидеть изменение свойств сплавов и назна­чать оптимальные режимы термической обработки.

Для построения диаграмм состояния применяют метод термического анализа. Тигель вместе с металлом помещают в печь (рис. 3) и нагревают до температуры плавления. Затем в жидкий металл погружают тер­мопару (две разнородные проволоки, спаянные концами), соединенную с чув­ствительным гальванометром, шкала которого проградуирована в градусах. Далее печь вык­лючают, и металл начинает ос­тывать вместе с печью. Одновре­менно через равные промежутки времени снимают показания гальванометра и строят кривую изменения температуры во вре­мени (рис. 4).

Для построения диаграмм состояния приготавливают не­сколько сплавов разного соста­ва из одних и тех же компонен­тов и получают серию кривых охлаждения.Сплавы, как правило, кристаллизуются в интервале температур. Температура Т_n начала первичной кристаллизации, при которой образуются зародыши твердой фазы, называется температурой ликвидус, а температура конца первичной кристаллизации Т_s при которой исчезают после­дние капли жидкости, — температурой солидус.

В сплавах типа «механическая смесь» имеется наиболее легкоплавкий сплав системы, первичная кристаллизация которого протекает при постоянной температуре, он называемся эвтекти­ческим сплавом.Структура, полученная при кристаллизации жид­кого раствора эвтектического состава, называется эвтектикой.

Получив серию кривых охлаждения, строят диаграмму состоя­ния: для этого на оси абсцисс отмечают точки, характеризующие составы изученных сплавов, и указывают температуры ликвидус, получают линию ликвидус, а соединив температуры солидус, — линию солидус.

Принято сплавы, расположенные слева от эвтектического, на­зывать доэвтектическими,а расположенные справа, — заэвтектическими.