Mavzu: qotishmalar va ularning turlari kirish Metallar va qotishmalarni qo'shimcha qattiqlashtirish usuli

2.Binar sistemalarning holat diagrammasi, qotishmalarning tuzilishi va xossalari
1. Qotishmalarning holat diagrammalarini qurish tamoyillari va qoidalarini o'rganish.
2. Holat diagrammalarining asosiy turlarini tuzing, ularning chiziqlari va nuqtalarining qiymatlarini aniqlang.
3. Fazalar tahlilini o'tkazish va komponentlar konsentratsiyasi va haroratga qarab fazalarning miqdoriy nisbatini aniqlash bo'yicha amaliy ko'nikmalarga ega bo'lish.
4. Qotishmalarning mikro tuzilmalarini o'rganish va eskizini chizish.
5. Har xil turdagi holat diagrammalari bilan qotishmalarning xossalarini o'zgartirish qonuniyatlarini o'rnating.
Qotishma holati diagrammasi qotishmalarning muvozanat holatini harorat va konsentratsiyaga bog'liq (erish nuqtalaridan boshlab) grafik tasviridir.
Davlat diagrammasi maxsus qotishmalarni isitish va sovutish vaqtida qotishmada sodir bo'ladigan jarayonlarni kuzatish imkonini beradi; yaxshi quyish xususiyatlariga ega bo'lgan qotishmalarni, shuningdek, issiqlik bilan ishlov berish orqali fizik-mexanik xususiyatlarini o'zgartiradigan qotishmalarni aniqlash; termik, kimyoviy-termik ishlov berish va bosim bilan ishlov berish rejimlarini to'g'ri belgilash; qotishmalar muvozanat holatida qanday tuzilishga ega bo'lishini ko'rsating (sekin sovigan), ba'zi hollarda qotishma kimyoviy tarkibini mikroyapıdan hisoblang; kerakli xususiyatlarga ega bo'lgan qotishmaning to'g'ri tarkibini tanlang va hokazo.
Qotishmalar nazariyasining ayrim qoidalari
Qotishma ikki yoki undan ortiq komponentlarni eritish yoki sinterlash natijasida olingan moddadir. Qotishmaning bir hil monolit massasini olish usullari boshqacha bo'lishi mumkin: eritmadan kristallanish; gazsimon fazadan kondensatsiya; kukunlar yoki granulalarni sinterlash.
Qotishmalarni ishlab chiqarishning har qanday usulida elementlarning o'zaro ta'sir qilish naqshlari bir xil. Eritmalardan kristallanish natijasida olingan qotishmalarni ko'rib chiqaylik.
Komponentlar kimyoviy elementlar yoki qotishmani tashkil etuvchi barqaror kimyoviy birikmalar deb ataladi. Komponentlar bir yoki bir nechta fazalarni tashkil qilishi mumkin.
Faza - qotishmaning eng oddiy tarkibiy qismi bo'lib, boshqa qismlardan interfeyslar bilan ajratilgan, o'tish paytida xususiyatlarning keskin o'zgarishi kuzatiladi. Faza ko'p hajmlarga (kristallarga) taqsimlanishi mumkin, ammo barcha mexanik ravishda ajratilgan hajmlarda bir xil kimyoviy tarkib, agregatsiya holati va xususiyatlar kuzatiladi.
Qotishmaning strukturaviy komponenti mikroskop ostida bir hil tuzilishga ega bo'lgan qotishmaning strukturaviy alohida qismidir. Strukturaviy komponent ko'p fazali bo'lishi mumkin.
Qotishma tizimi ikki yoki undan ortiq komponentlarga asoslangan barcha mumkin bo'lgan qotishmalar to'plamidir, masalan, "temir-sementit" tizimi.
Metall va qotishmalardagi fazalar
Qotishmalarda suyuq va qattiq fazalar mavjud. Suyuqlikda ekanligiga ishoniladi
holatda, komponentlar, qoida tariqasida, bir-birida cheksiz eriydi, shuning uchun qotishmalar qattiq holatda fazasi va strukturaviy tarkibi bilan ajralib turadi.
Qotishmalardagi qattiq fazalarning xarakteristikasi
Qotishmalardagi qattiq fazalar quyidagilar bo'lishi mumkin:
a) toza komponentlar;
b) o'rnini bosuvchi qattiq eritmalar;
v) oraliq qattiq eritmalar;
d) kimyoviy birikmalar;
e) intermetall birikmalar.
Ayirma qattiq eritmalari ba'zan karbidlarda hosil bo'lishi mumkin.
Sof komponentlar suyuq fazadan turli oʻlchamdagi kristallar holida komponentlar qattiq holatda bir-birida toʻliq erimaydigan hollarda ajratiladi, masalan, qoʻrgʻoshin-surma, kumush-qoʻrgʻoshin, qalay-rux qotishmalarida, va boshqalar.
Qattiq eritma - bu qotishmani tashkil etuvchi komponentlarning atomlari tomonidan hosil qilingan kristall panjarali bir fazali strukturadir. Kristal panjarasi saqlanib qolgan komponent erituvchi deyiladi; kristall panjarasini saqlamaydigan, lekin atomlarini erituvchi panjaraga beradigan komponent eriydi.
Qattiq eritmalarning ikkita asosiy turi mavjud: almashtirishlar va interstitsiallar.
O'rnini bosuvchi qattiq eritmalar uning kristall panjarasidagi erituvchi atomlari o'rniga erigan moddaning atomlarini almashtirish orqali hosil bo'ladi. Qattiq eritmalar ikki yoki undan ortiq komponentlardan iborat bo'lishi mumkin, ammo qotishmada bunday qattiq eritma bir fazali hisoblanadi.
va hokazo harflar bilan belgilanadi., Qattiq eritmalar odatda O'rnini bosuvchi qattiq eritmalar komponentlarning bir-birida cheklangan va cheksiz eruvchanligi bilan bo'lishi mumkin.
Cheksiz eruvchanlik bilan almashtiriladigan qattiq qotishmalar quyidagi sharoitlarda hosil bo'ladi:
a) komponentlar bir xil turdagi kristall panjaraga ega bo'lishi kerak (izomorf bo'lishi kerak);
b) atom parametrlaridagi farq kichik (8...15%) bo'lishi kerak;
v) komponentlar o'xshash fizik xususiyatlarga ega bo'lishi kerak, bir xil yoki bir oz farq qiladigan elektronegativlik. O'rnini bosuvchi qattiq eritma bir fazali.
Interstitsial qattiq eritmalar erituvchi kristall panjarasining bo'sh teshiklariga erigan moddaning alohida atomlarini kiritish orqali hosil bo'ladi. Ushbu qattiq eritmalar, qoida tariqasida, atom radiusi ancha kichik bo'lgan eriydigan komponentning cheklangan eruvchanligi bilan tavsiflanadi. Erituvchi komponent o'zining kristall panjarasiga ega emas. O'rnatish yechimi bir fazali.
Kimyoviy birikmalar turli fazalar bo'lib, ularning o'ziga xos xususiyatlari, kristall panjarasi va erish nuqtasiga ega bo'lishi, birikma AmBn formulasi bilan ifodalanishi mumkin bo'lgan komponent atomlarining oddiy ko'p nisbatini saqlab turishi bilan tavsiflanadi. Kimyoviy birikmalarning hosil bo'lishi ma'lum bir termal effekt bilan birga keladi. Eng keng tarqalgan kimyoviy birikmalar: karbidlar, nitridlar, oksidlar, sulfidlar, boridlar va boshqalar.
Intermetalik birikmalar metallar orasidagi kimyoviy birikmalardir. Issiqlik bilan ishlov berish jarayonida metallar va qotishmalarning dispersiyani mustahkamlash jarayonlarida alohida rol o'ynashi sababli ularni an'anaviy kimyoviy birikmalarga nisbatan alohida guruh sifatida ajratib ko'rsatish maqsadga muvofiqdir. Nozik dispersli intermetalik fazalarni mustahkamlash, masalan, CuZn2, CuBe, Ni3Al, Ni3Mo va boshqalar intermetalik birikmalar bo'lishi mumkin.
heterojen tuzilmalar
Mexanik aralashmalar sof komponentlar, qattiq eritmalar, kimyoviy birikmalar va boshqalardan iborat bo'lishi mumkin. Mexanik aralashma hosil bo'lganda, fazalarning kristall panjaralari o'zgarmaydi. Mexanik aralashmaning kristalitlari faqat umumiy chegaralar bilan o'zaro bog'langan. Evtektik va evtektik mexanik aralashmalar mavjud.
Evtektik mexanik aralashma qat'iy belgilangan kimyoviy tarkibga ega suyuq eritmadan qat'iy belgilangan doimiy haroratda hosil bo'ladi.
Evtekoid mexanik aralashma ham qat'iy belgilangan doimiy haroratda hosil bo'ladi, lekin faqat qat'iy belgilangan kimyoviy tarkibga ega qattiq eritmaning parchalanishi paytida.
Gibbs faza qoidasi
Metall va qotishmalarning fazaviy oʻzgarishlari jarayonida sodir boʻladigan jarayonlar umumiy muvozanat qonuniga boʻysunadi, bu qonun Gibbs faza qoidasi deb ataladi. Faza qoidasidan foydalanib, muvozanat sharoitida erkinlik darajalari soni, komponentlar va fazalar soni o'rtasidagi miqdoriy bog'liqlikni aniqlash mumkin.
Umuman olganda, faza qoidasi quyidagi tenglama bilan ifodalanadi:
F + n,C \u003d K
bu erda C - erkinlik darajalari soni. Erkinlik darajalari soni mustaqil o'zgaruvchilar sonini bildiradi, ularning o'zgarishi tizimning muvozanat holatining o'zgarishiga olib kelmaydi, ya'ni. muvozanatdagi fazalar sonining o'zgarishiga. Mustaqil o'zgaruvchilar har bir fazadagi har bir komponentning kontsentratsiyasini va tashqi omillarni - harorat va bosimni o'z ichiga oladi;
K - tizimni tashkil etuvchi komponentlar soni;
F - muvozanatdagi fazalar soni;
n - tashqi omillar soni (harorat va bosim). Qotishmalardagi barcha transformatsiyalar doimiy bosimda sodir bo'lishini hisobga olsak, faqat harorat metall tizimlar uchun o'zgaruvchan tashqi omil bo'ladi, ya'ni. n = 1.
C = 0 bo'lsa, tizim hech qanday erkinlik darajasiga ega emas (tizim o'zgarmasdir), ya'ni. fazalar qat'iy belgilangan harorat va konsentratsiyada muvozanatda bo'ladi.
Agar C = 1 bo'lsa, bu ma'lum sharoitlarda tizimning bir erkinlik darajasiga ega ekanligini anglatadi (tizim monovariant), ya'ni. agar siz tashqi omilni (haroratni) o'zgartirsangiz, u holda suyuqlik va qattiq fazalarning kontsentratsiyasi o'zgaradi, ammo muvozanat buzilmaydi.
C = 2 da, berilgan sharoitlarda tizim ikki erkinlik darajasiga ega, ya'ni. muvozanatni buzmasdan qotishmaning harorati va konsentratsiyasini o'zgartirish mumkin bo'lgan hudud mavjud.
Davlat diagrammalarini qurish qoidalari
Holat diagrammasi - fazalarni o'zgartirish haroratining qotishma konsentratsiyasiga bog'liqligi grafigi.
Davlat diagrammalari termal tahlil asosida quriladi, buning natijasida sovutish egri chiziqlari olinadi. Eritilgan metall kalorimetrga joylashtiriladi va doimiy issiqlikni olib tashlash bilan sekin sovutiladi. Metall va qotishmalardagi fazaviy o'zgarishlar termal effektlar bilan birga bo'lganligi sababli, "harorat-vaqt" koordinatalarida sovutish egri chiziqlarida yoki to'xtash joylarini (maydonlarni) kuzatish mumkin - keyin fazaviy o'zgarishlar doimiy haroratlarda yoki o'zgarish tufayli burilishlar sodir bo'ladi. sovutish tezligida - keyin fazali transformatsiyalar harorat oralig'ida oqadi.
Sovutish egri chiziqlari bo'yicha aniqlanadigan fazali o'zgarishlarning boshlanishi va oxiri harorati kritik, sovutish egri chiziqlaridagi mos nuqtalar esa tanqidiy nuqtalar deb ataladi.
Komponentlari qattiq holatda bir-birida erimaydigan qotishmalarning holat diagrammasi
Ushbu diagrammaga muvofiq qotib qolgan qotishmalar ularning tarkibiy qismlari bo'lishi bilan tavsiflanadi:
suyuq holatda ular bir-birida istalgan nisbatda eriydi;
qattiq holatda bir-biridan to‘liq erimaydi;
bir-biri bilan kimyoviy birikmalar hosil qilmaslik;
allotropik transformatsiyalarga ega emas.
Ushbu turdagi diagramma, masalan, qotishmalarga ega: qo'rg'oshin-surma, kumush-qo'rg'oshin, alyuminiy-qalay, qo'rg'oshin-bariy, kadmiy-vismut, qalay-sink.
Keling, "qo'rg'oshin-surma" (Pb-Sb) davlat diagrammasini qurishni ko'rib chiqaylik. Buning uchun sof qo'rg'oshin va surma olinadi va ular asosida turli xil tarkibiy qismlarga ega bo'lgan bir qator qotishmalar tayyorlanadi. Qotishmalar eritiladi va doimiy issiqlikni olib tashlash bilan sekin sovutish paytida sovutish egri chiziqlari qayd etiladi (5.1-rasm).
Har bir sovutish egri chizig'ining boshlang'ich nuqtalari nol vaqtga to'g'ri keladi va suyuqlik fazasiga to'g'ri keladi. To'xtash nuqtalari va gorizontal yostiqlar muhim nuqtalardir. Sof qo'rg'oshin (1-egri) erish nuqtasida (327 ° C) faqat bitta muhim nuqtaga ega. Sof surma (6-egri chiziq) ham bitta kritik nuqtaga ega, bu 631°C ga to‘g‘ri keladi. 13% surma va 87% qo'rg'oshin (evtektik qotishma) o'z ichiga olgan qotishma ham 246 ° S haroratda gorizontal platforma sifatida ifodalangan bitta muhim nuqtaga ega (egri 3). Boshqa barcha qotishmalarning (2, 4, 5 egri chiziqlar) har birida ikkita kritik nuqta bor.
Ushbu qotishmalar uchun kristallanish boshlanishining haroratlari har xil va barcha qotishmalar uchun kristallanishning oxiri harorati bir xil va 246 ° S ga teng.
Davlat diagrammasini qurish "harorat-komponentlarning kontsentratsiyasi" koordinatalarida amalga oshiriladi.


Guruch. 5.1. Sovutish egri chiziqlari asosida qo'rg'oshin-surma holati diagrammasini qurish

Konsentratsiya o'qida ekstremal nuqtalar sof komponentlarga to'g'ri keladi: chap ordinata 100% Pb, o'ng 100% Sb. Ushbu o'qning har bir nuqtasi ma'lum bir konsentratsiyali qotishmani tavsiflaydi. Biz sovutish egri chiziqlari qurilgan qotishmalarning ordinatalarini chizamiz va ularga kritik nuqtalarni o'tkazamiz. qotishmalarning kristallanish boshlanishi nuqtalarini chiziq bilan bog'lab, biz ASV chizig'ini - suyuqlik chizig'ini olamiz.

Suyuqlanish chizig'i kristallanish nuqtalarining joylashishi hisoblanadi. Ushbu chiziqdan yuqorida ushbu tizimning barcha qotishmalari suyuq holatda.
Kristallanishning tugash nuqtalarini birlashtirib, biz DSE chizig'ini - solidus chizig'ini olamiz.
Solidus chizig'i - kristallanish tugashi nuqtalarining joylashuvi. Bu chiziq ostida barcha qotishmalar qattiq holatda. Ushbu turdagi diagrammalardagi solidus chizig'i evtektik transformatsiya chizig'idir, chunki evtektik kristallanish unda sodir bo'ladi.
Evtektika - bu tarkibiy qismlarning (qo'rg'oshin va surma) nozik dispersli mexanik aralashmasi anjir. 5.2) fazalar bo'ladimi. U doimiy tarkibga ega va eng past erish nuqtasiga ega. Evtektik qattiqlashuv doimiy haroratda sodir bo'ladi.


Guruch. 5.2. Evtektik qotishmaning mikro tuzilishi, x250 (Pb - 87%, Sb - 13%)

C nuqtadan chap tomonda joylashgan qotishmalar gipoevtektik, o'ngda esa giperevtektik deb ataladi. Tarkibiga ko'ra evtektikdan farq qiluvchi qotishmalarning kristallanish jarayonida, avvalambor, suyuqlanish chizig'idan pastda, evtektik tarkibga nisbatan ortiqcha komponent kristallanadi. Gipoevtektik qotishmalarda qo'rg'oshin AC chizig'idan pastda kristallanadi (5.3-rasm).

Guruch. 5.3. Hipoetektik qotishmaning mikro tuzilishi, x250 (Pb - 94%, Sb - 9%).

Birlamchi qo'rg'oshin kristallari va evtektik

Gipereutektik qotishmalarda antimon CB chizig'idan pastda kristallanadi (5.4-rasm).


Guruch. 5.4. Gipereutektik qotishmaning mikro tuzilishi, x250 (Pb - 70%, Sb - 30%)

Birlamchi surma kristallari va evtektik

Ushbu nuqta orqali ikki fazali hududning istalgan nuqtasida faza tarkibini tahlil qilish uchun (masalan, N, 5.1-rasm) gorizontal segment diagrammaning chiziqlari bilan kesishmaguncha chapga va o'ngga chiziladi. Ushbu segment (av) konod deb ataladi.
Konoda bilan siz quyidagi savollarga javob berishingiz mumkin:
1. Bu nuqtada (N) qanday fazalar mavjud? N nuqtada konodning uchlarida muvozanatda bo'lgan fazalar mavjud ("a" nuqtasida suyuqlik va "c" nuqtasida sof Sb komponentining kristallari).
2. Tegishli fazalar qanday tarkibdan iborat? Ularning tarkibi konodning uchlaridagi nuqtalar bilan bir xil (N nuqtadagi suyuqlik “a” nuqtasi tarkibiga ega, qattiq faza Sb esa “b” nuqtasi tarkibiga ega).
3. Fazalarning miqdoriy nisbati qanday? Agar butun o'tkazgich 100% deb qabul qilinsa, u holda aN va Nb segmentlarining nisbati fazalar nisbatini beradi. Bu erda teskari proportsionallik qoidasi o'ynaydi. Suyuq fazaga (aN) qo'shni segment qattiq faza miqdorini, qattiq fazaga (Nv) qo'shni segment esa suyuqlik fazasining miqdorini ko'rsatadi.
Masalan, N nuqtadagi suyuqlik fazasining miqdori

,

va N nuqtadagi qattiq faza miqdori (Sb kristallari)

.

DCE chizig'idagi barcha qotishmalarda evtektika kristallanganligi va xona haroratiga sovigandan so'ng qotishmalarda strukturaviy o'zgarishlar sodir bo'lmaganligi sababli, gipoevtektik qotishmalarning tuzilishi qo'rg'oshin va evtektikaning yirik kristallaridan iborat bo'ladi, giperevtektik qotishmalar katta kristallardan iborat bo'ladi. surma va evtektik va evtektik qotishma - faqat evtektikadan.

Qattiq holatda komponentlarning bir-birida cheksiz eruvchanligi bilan qotishmalarning holat diagrammasi.
Qattiq holatda cheksiz qattiq almashtirish eritmalari bir xil turdagi kristall panjaraga ega bo'lgan, panjara parametrlari bo'yicha kichik farqga ega va fizik xossalari o'xshash bo'lgan komponentlarni hosil qiladi. Bunday qotishmalarga tizimlar kiradi: mis-nikel, mis-oltin, mis-platina, oltin-kumush, temir-nikel, temir-vanadiy va boshqalar.
Cheksiz qattiq eritmalarning holat diagrammasini qurish, sovutish egri chiziqlaridan evtektik tipdagi holat diagrammalarini qurish bilan bir xil tarzda amalga oshiriladi (5.5-rasm).


Guruch. 5.5. Sovutish egri chiziqlaridan nikel-mis holat diagrammasini qurish

Sovutishning 1 va 5 egri chiziqlari nikel va misning erish haroratiga teng doimiy haroratda kristallanishini tavsiflaydi. Boshqa barcha qotishmalarning kristallanishi (egri 2, 3, 4) o'zgaruvchan haroratda davom etadi va barcha qotishmalar uchun sovutish egri chizig'ining tabiati bir xil bo'ladi.

Kritik nuqtalarni sovutish egri chizig'idan mos keladigan qotishma tarkibi bilan ordinatlarga o'tkazib, bir xil nomdagi nuqtalarni chiziqlar bilan bog'lab, biz yuqori, bir oz konveks chiziqni - kristallanishning boshlanishi chizig'ini (suyuqlik) va pastki qismini olamiz, biroz konkav chiziq - kristallanishning oxiri chizig'i (solidus).
dan iborat. - qattiq eritma.) eritmalar, solidus chizig’idan pastda esa barcha qotishmalar bir fazali bo’lib, ) eritmalar, suyuq va qattiq (Bu diagrammada suyuqlanish chizig’idan yuqorida barcha qotishmalar komponentlarning suyuq eritmasi, suyuq va qattiq (
Ushbu tizim qotishmalarining kristallanishi suyuqlik chizig'idan pastda boshlanadi va suyuq eritmadan qattiq eritma kristallarini ajratishdan iborat. Haroratning pasayishi bilan suyuqlik fazasining tarkibi suyuqlik chizig'i bo'ylab, qattiq fazaning tarkibi - solidus chizig'i bo'ylab o'zgaradi. Kristallanish jarayonining oxirida, etarli diffuziya tezligida, qattiq eritmaning konsentratsiyasi qotishmaning dastlabki konsentratsiyasiga teng bo'lishi kerak.
Oldingi holatda bo'lgani kabi, likvidus va solidus chiziqlari orasidagi ikki fazali mintaqada har qanday nuqta uchun fazalar tarkibini, fazalarning kontsentratsiyasini va ularning miqdoriy nisbatini aniqlash mumkin. Masalan, M nuqtani olaylik, u orqali “c” nuqtada likvidus chizig’ini, “a” nuqtada esa solidus chizig’ini kesib o’tuvchi konod o’tkazamiz. " bilan, qattiq fazaning tarkibi esa "a" nuqtaning koordinatasi bilan aniqlanadi, ya'ni.M nuqtadagi suyuq fazaning tarkibi "c" nuqtaning abssissasi, ya'ni "c "."a
Qattiq faza miqdori

,
suyuqlik fazasining miqdori

.

Qattiq holatdagi barcha qotishmalar bir fazali qattiq eritma bo'lganligi sababli, barcha qotishmalarning mikro tuzilishi bir xil turdagi bo'ladi. Mikrosektsiyalar faqat don chegaralarini ochib beradi. Bundan tashqari, qotishmadagi mis qanchalik ko'p bo'lsa, uning tuzilishi yanada pushti rangga ega bo'lib, mis rangiga asta-sekin yaqinlashadi.

Qattiq holatda komponentlarning bir-birida eruvchanligi cheklangan qotishmalarning holat diagrammasi
Cheklangan qattiq eritmalarning holat diagrammasiga muvofiq qotib qoladigan qotishmalar suyuq holatda komponentlar bir-birida cheksiz eriydi, qattiq holatda esa cheklangan qattiq eritmalar va evtektikalar hosil qilishi bilan tavsiflanadi. Tizimning qotishmalarida bunday diagramma mavjud: alyuminiy-mis, alyuminiy-kremniy, kumush-mis, qo'rg'oshin-qalay va boshqalar.
Bunday turdagi tizimlarda sof komponentlar bo'lgan fazalar hosil bo'lmaydi. qattiq eritmalarini ajratish mumkin. va Suyuq fazadan faqat
-qattiq eritma - B komponentining A komponentidagi eritmasi, ya'ni. A (B).
-qattiq eritma - A komponentining B komponentdagi eritmasi, ya'ni. B (A).
QEA.-qattiq eritmaning mavjudligi maydoni mavjud. Bu maydon ABinobarin, vertikal A yaqinida A komponentiga asoslangan Q segmenti bilan aniqlanadi.B komponentining xona haroratida A komponentida maksimal eruvchanligi A B ning haroratga bog'liq bo'lgan A dagi chegaralangan eruvchanligi QEA egri chizig'i bilan tavsiflanadi.
-qattiq eritmasi hududi mavjud.FB) A komponentining FVertikal B yaqinida B komponentdagi (B segmenti bilan aniqlanadi, keyin u FV chiziq bo'ylab o'zgaradi.VA komponentining B komponentida xona haroratida va F nuqtagacha bo'lgan haroratda eruvchanligi F
ACB chizig'i likvidus chizig'i, AECFB - solidus chizig'i.