Контрольная работа : Строение и свойства фаз в металлических сплавах. Твёрдые растворы, химические соединения. Гетерогенные структуры 


Полнотекстовый поиск по базе:

Главная >> Контрольная работа >> Промышленность, производство


Строение и свойства фаз в металлических сплавах. Твёрдые растворы, химические соединения. Гетерогенные структуры




Министерство образования и науки Украины

Донбасский государственный технический университет

Кафедра ОМД

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине "Металловедение"

на тему:

"Строение и свойства фаз в металлических сплавах. Твёрдые растворы, химические соединения. Гетерогенные структуры"

Алчевск 2009

  1. Фазы в металлических сплавах

Под сплавом подразумевается вещество, полученное сплавлением двух или более элементов (металлов или неметаллов с металлами).

Компоненты – химические элементы, образующие сплав.

Фазой называют однородные (гомогенные) составные части системы, имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение и свойства, одного и то же агрегатное состояние, и отделенное от остальных частей поверхности раздела.

Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения фаз в металлах или сплавах.

Структурными составляющими сплава называют обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями. В сплавах в зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов могут образовываться следующие фазами: жидкие растворы, твердые растворы, химические соединения и промежуточные фазы. Рассмотрим сплавы в твердом состоянии.

  1. Механические смеси

Механическая смесь – двух компонентов А и В, образуется тогда когда они неспособны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединений. Сплав будет состоять из кристаллов компонентов А и В (рис. 1).

Рисунок 1. Схема микроструктуры механической смеси

Механические свойства зависят от количественного соотношения компонентов. Примеры сплавов, в которых образуются механические смеси: FePb, PbSi.

  1. Твердые растворы

Твердыми растворами называют фазы, в которые один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (или другого) компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры (периоды). Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу.

Твердый раствор существует в интервале концентраций компонентов.

Различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения (рис. 2).

Рисунок 2. Схемы твердых растворов: а – чистый металл; б – твердый раствор замещения; в - твердый раствор внедрения

Эти растворы присущи железоуглеродистым сплавам: сталям, чугунам.

При образовании твердого раствора замещения атомов растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке. Замещаться могут любые атомы.

При образовании твердого раствора внедрения атомов растворенного компонента располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решетки растворителя (при этом пустоты должны обладать определенным пространством). Большие поры 0,74–0,41 R, маленькие поры 0,68–0,291R.

В ГЦК – решетке атомы располагаются в октаэдрической поре (центры решеток). В этой поре может поместиться сфера радиусом 0,41R, где R – радиус атомов в узлах решетки.

В ОЦК – решетке атомы располагаются в тетраэдрическом междоузлии, размер поры (0,291 R).

Атомы растворителя и растворенного компонента различны по размерам, поэтому при образовании твердого раствора кристаллическая решетка всегда искажается, и периоды ее изменяются.

При образовании твердого раствора замещения период решетки может увеличиваться или уменьшаться. При образовании твердого раствора внедрения период решетки растворителя всегда возрастает (рис. 3).

Рисунок 3. Искажение кристаллической решетки при образовании твердого раствора замещения и внедрения

Атомы растворенного компонента нередко скапливаются у дислокаций, снижая их упругую энергию (рис. 4).

Атомы внедрения располагаются в растянутой области под краем экстраплоскости, образуя так называемые атмосферы Котрелла (рис. 4).

Рисунок 4. Образование атмосферы Котрелла: а – атомы компонента В, образующие твердый раствор замещения, и атомы С, образующие твердый раствор внедрения, беспорядочно расположены в решетке компонента А; б и в-атомы компонентов В и С переместились к дислокации, в результате чего энергия решетки понизилась

Все металлы в той или иной степени могут растворяться друг в друге, в твёрдом состоянии например: в Al до 5,5% Сu; в Сu до 39% Zn.

Твёрдые растворы замешения с неограниченной (в любых количественных соотношениях) растворимостью (рис. 5) могут образовываться при соблюдении условий приведенных ниже:

1. Компоненты должны обладать одинаковыми по типу (изоморфными) кристаллическими решётками. Только в этом случаи при изменении концентрации твёрдого раствора будет возможен непрерывный переход от кристаллической решётки одного компонента к решётке другого компонента.

2. Различие в атомных размерах (ΔR) компонентов должно быть незначительным и не превышать 8 – 15%.

3. Компоненты должны принадлежать к одной и той же группе элементов периодической системы элементов или к смежным родственным группам и иметь близкое строение электронных оболочек атомов.

Рисунок 5. Кристаллические решетки твердых растворов замещения при неограниченной растворимости компонентов

Примеры сплавов, в которых образуется непрерывный ряд твердых растворов:

Cu (29) и Ni (28) (ΔR=2.7%),

Fe (26) и Ni (28),

Fe (26) и Cr (24),

Ag и Au (ΔR=0.2%),

Mo и W (ΔR=9.9%),

V и Ti (ΔR=2.0%),

Fe и Co – не растворяются.

Твёрдые растворы внедрения образуются только в тех случаях, когда диаметр атома растворенного элемента невелик (R вн. ат./ Rраствор > 0,59).

Твёрдые растворы этого типа получаются лишь при растворении в металле (Fe, Mo, Cr и т.д.) углерода (атомный радиус 0,77А°), азота (0,71А°), водорода (0,46А°), т.е. элементов с малым атомным радиусом.

Твёрдые растворы внедрения могут быть только ограниченными по концентрации, поскольку число пор в решетке ограничено, а атомы основного компонента сохраняются в узлах решетки.

Упорядоченные твёрдые растворы

В сплавах Cu и Au, Fe и Al, Fe и Si, Ni и Mn, образующих при высоких температурах растворы замещения с неупорядочнным размещением атомов компонентов, при медленном охлаждении или нагреве, выдержке при высоких температурах протекает процесс перераспределения атомов. В результате, которого атомы компонентов занимают определённые положения (рис. 6) в кристаллической решётке. Т.о. образуется упорядоченный твёрдый раствор или сверхструктура.

Рисунок 6. Кристаллические решетки упорядоченных твердых растворов: а – CuZn, б – CuAu, в – Сu3Au

Образование сверхструктуры сопровождается изменением свойств (например в сплаве пермаллой (железо и 78,5% никеля) ухудшается магнитная проницаемость, повышается твердость, снижается пластичность и изменяется электросопротивление).

Упорядоченные растворы образуются, когда отношение компонентов в сплаве (ат.%) постоянно: 1:1 (CuAu); 1:2; 1:3 (Сu3Au); и т.д. (можно приписать формулу химического соединения CuAu, Cu3Au).

Упорядоченные твердые растворы можно рассматривать как промежуточные фазы между твердыми растворами и химическими соединениями.

В упорядоченных твердых растворах сохраняется решетка растворителя, но имеется правильное расположение атомов и резное изменение свойств характерное для химических соединений.

4. Химические соединения

Химические соединения и родственные им по природе фазы в металлических сплавах многообразны. Характерные особенности химических соединений:

  1. Кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов, образующих соединение. Атомы располагаются упорядоченно. Химические соединения имеют сплошную кристаллическую решетку (рис. 7).

  2. В соединении всегда сохраняется простое кратное соотношение компонентов, что позволяет их выразить формулой: АnBm, А и В-компоненты; n и m – простые числа.

  3. Свойства соединения редко отличаются от свойств образующих его компонентов. Cu – НВ35; Al – НВ20; CuAl2НВ400.

  4. Температура плавления (диссоциации) постоянная.

  5. Образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.

Химические соединения образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток.

Рисунок 7. Кристаллические решетки: а, б – соединение NaCl, в-соединение Cu2MnSn (ячейка состоит из 8 атомов меди, 4 атомов марганца и 4 атомов олова)

Примером типичных химических соединений с нормальной валентностью могут служить соединения Mg с элементами IVVІ групп Периодической системы: Mg2Sn, Mg2Pb, Mg2P2, Mg2Sb2, Mg3Bі2, MgS и др. Соединения одних металлов с другими носят название интерметаллидов. Химическая связь в интерметаллидах чаще металлическая.

Большое число химических соединений, образующихся в металлических сплавах, отличается по некоторым особенностям от типичных химических соединений, так как не подчиняется законам валентности и не имеет постоянного состава. Рассмотрим наиболее важные химические соединения, образующиеся в сплавах.

Фазы внедрения

Переходные металлы (Fe, Mn, Cr, Mo, Ti, V, W и др.) образуют с неметаллами С, N, Н соединения: карбиды (с С), нитриды (с N), бориды (с В), гидриды (с Н). Часто их называют фазами внедрения.

Фазы внедрения имеют формулу:

М4Х (Fe4N, Mn4N и др.),

М2Х (W2C, Mo2C, Fe2N, Cr2N и др.),

МХ (WC, TiC, VC, NbC, TiN, VN и др.).

Кристаллическая структура фаз внедрения определяется соотношением атомных радиусов неметалла (Rх) и металла (Rм).

Если Rх/Rм < 0,59, то атомы металла в этих фазах расположены по типу одной из простых кристаллических решеток: кубической (К8, К12) и гексагональной (Г12), в которую внедряются атомы неметалла, занимая в ней определенные поры.

Фазы внедрения являются фазами переменного состава, а соответствующие им формулы (химические) обычно характеризуют максимальное содержание в них металлов.

Фазы внедрения обладают высокой: электропроводностью, температурой плавления и высокой твёрдостью.

Фазы внедрения имеют кристаллическую решетку, отличную от решетки металла растворителя.

На базе фаз внедрения легко образуются твердые растворы вычитания (VC, TiC, ZrC, NbC), часть атомов в узлах решетки отсутствует.

Электронные соединения.

Эти соединения образуют между одновалентными (Cu, Ag, Au, Li, Na) металлами или металлами переходных групп (Mn, Fe, Co и др.), с одной стороны, и с простыми металлами с валентностью от 2 до 5 (Be, Mg, Zn, Cd, Al и др.) с другой стороны.

Соединения этого типа (определил английский металлофизик Юм – Розери), характеризуются определенным отношением валентных электронов к числу атомов: 3/2; 21/13; 7/4; каждому соотношению соответствует определенная кристаллическая решетка.

При отношении 3/2 образуется ОЦК решетка (обозначается β – фаза) (CuBe, CuZn, Cu3Al, Cu5Sn, CoAl, FeAl).

При 21/13 имеют сложную кубическую решетку (52 атома на ячейку) – γ – фаза (Cu5Zn8, Cu31Sn8, Cu9Al4, Cu31Si8).

При 7/4 имеется плотноупакованная гексагональная решетка, обозначается ε – фазой (CuZn3, CuCd3, Cu3Si, Cu3Sn, Au3Sn, Cu5Al3).

Электронные соединения встречаются во многих технических сплавах – Cu и Zn, Cu и Sn (олово), Fe и Al, Cu и Si и т.п. Обычно в системе наблюдается все три фазы (β, γ, ε).

У электронных соединений определенное соотношение атомов, кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов – это признаки хим. соединений. Однако в соединениях нет упорядоченного расположения атомов. С понижением температуры (после нагрева) происходит частичное упорядочение, но не полное. Электронные соединения образуют с компонентами, из которых состоят твердые растворы в широком интервале концентраций.

Таким образом, этот вид соединений следует считать промежуточными между химическими соединениями и твердыми растворами.

Таблица №1 – Электронные соединения

Фаза

Отношение, решётка

Электронные соединения для различных систем: CuZn CuSn CuAl CuSi

β

3/2 кубическая ОЦ

CuZn

Cu5Sn

Cu3Al

Cu5Si

γ

21/23 сложная кубическая

Cu5Zn8

Cu31Sn8

Cu9Al4

Cu31Si8

ε

7/4 гексагональная

CuZn3

Cu3Sn

Cu5Al3

Cu3Si

Фазы Лавеса

Имеют формулу АВ2, образуются при соотношении атомных диаметров компонентов ДАВ = 1,2 (чаще 1,1–1,6). Фазы Лавеса имеют ГПУ гексагональную решетку (MgZn2 и MgNi2, BaMg2, MoBe2, TiMn2) или ГЦК (MgCu2, AgBe2, Ca Al2, TiBe2, TiCr2). Данные фазы встречаются как упрочняющие интерметаллидные фазы в жаропрочных сплавах.

5. Гетерогенные структуры

Сплавы с гетерогенной (разнородной) структурой образуются в случаях, когда компоненты не обладают полной взаимной растворимостью. При повышении предельной растворимости получается структура, состоящая из насыщенных растворов или твердого раствора и химического соединения.

Примеры систем (PbSb, CuBi, ZnSn, PbSn, PbBi, NiCr, FeC, AlCu и др.). Каждая фаза имеет свою кристаллическую решетку.

Литература

  1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М., 1972, 1980

  2. Гуляев А.П. Металловедение. М., 1986

  3. Сидорин И.И. Основы материаловедения. М., 1976

  4. Антикайн П.А. Металловедение. М., 1972

Похожие работы:

  • Методы химического анализа

    Учебное пособие >> Промышленность, производство
    ... физико-химических свойств газов и растворов, а в промышленной и лабораторной практике для анализа смеси газообразных, жидких и твёрдых ... гетерогенными системами Некоторые элементы не дают окрашенных аналитических форм, или образуемые соединения ...
  • Лекции по материаловедению

    Реферат >> Остальные работы
    ... - a  0,2, механические смеси - a  0,4, твёрдые растворы - a  0,6, химические соединения - a  0,8. 19. Диффузионные и бездиффузионные процессы в металлических сплавах, влияние на свойства. Бездиффузионные характеризуются ...
  • Исследование применения сплавов системы Al-Mg-Si для производства поршней гоночных автомобилей

    Реферат >> Металлургия
    ... гетерогенную структуру. Поэтому у них не может быть высоких механических свойств, присущих закаленным двойным сплавам ... горизонтальную металлическую " ... фазы, размером около 2…3 мкм, которые однородно распределены в твёрдом растворе. На микроструктуре сплава ...
  • Изучение особенностей электрических свойств магнитных жидкостей

    Курсовая работа >> Физика
    ... гетерогенных ... большинство металлических сплавов, углерод и некоторые твёрдые соли ... строением ... соединений, ... растворов определяется структурой коллоидных частиц. На величине диэлектрической проницаемости сказываются также физико-химические свойства ... твёрдой фазы ...
  • Физико-химическое обоснование режимов электрохимического полирования меди

    Реферат >> Технология
    ... структуры металлов и сплавов, ... об истинном строении и свойствах металла. ... раствор с выступов, так как на этих участках работа выхода иона из твёрдой фазы ... металлической поверхности, несмотря на её физико-химическую и электрохимическую гетерогенность ...
  • Химия, элементы таблицы Менделеева

    Реферат >> Химия
    ... > 2 обладают циклическим строением. Сплав обоих оксидов имеет минимальную ... возникает металлическая фаза фосфора с простой кубической структурой. Теплота ... “твёрдые фосфористые водороды” представляют собой не определённые химические соединения, а растворы РН3 ...
  • Программа для поступающих в вузы (ответы)

    Реферат >> Химия
    ... одной фазы. Гетерогенная система состоит из нескольких фаз. Фазой называется ... растворяется. Диеновые углеводороды, их строение, химические свойства и использование. Природный каучук, его строение и свойства. Синтетический каучук. Алкадиены – соединения ...
  • Химия радиоматериалов, лекции Кораблевой А.А. (ГУАП)

    Реферат >> Химия
    ... – сплавы. Металлическим сплавом называется фаза или комплекс фаз, образующихся при сплавлении металлов при условии сохранения металлических свойств ...
  • Контрольные билеты (химия)

    Реферат >> Химия
    ... , химическая и электрохимическая коррозия металлов и сплавов. Реакция в гетерогенной системе осуществляется на поверхности раздела фаз. ... , солей в растворах. Константа диссоциации. Билет №7 Строение атома. Дуализм свойств электрона. Главные квантовые ...
  • Экспериментальное исследование сварочных процессов

    Курсовая работа >> Промышленность, производство
    ... другими элементами твердые растворы и химические соединения, изменяют ее свойства. Это повышает, механические свойства стали и, ... сплавах, обладающих выраженным крупнокристаллитным строением, с повышенным содержанием локальных концентраций легкоплавких фаз. ...