Полиморфные превращения металлов

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Стерлитамакская государственная педагогическая академия им. З. Биишевой 

     Кафедра Общей физики 
 
 
 
 
 
 
 

Реферат

на тему:

Полиморфные превращения металлов 
 
 

  Выполнил: студент гр.ФМ-41 Гарифуллин  Р.

  Проверила: к.ф.-м.н., доцент Ягафарова З.А. 
 
 
 
 
 

Стерлитамак 2012

 

      1. Полиморфные (аллотропические) превращения 

     Атомы металла – исходя из геометрических соображений, могут образовать любую кристаллическую решетку.

     Однако  устойчивым, а, следовательно, реально  существующим типом является решетка, обладающая наиболее низким запасом свободной энергии.

     Многие  металлы в зависимости от температуры  могут существовать в разных кристаллических  формах (т.н. полиморфных (аллотропических) модификациях). В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющего решетку одного типа, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая решетка другого типа.

     Полиморфную модификацию, устойчивую при более  низкой температуре, для большинства  металлов принято обозначать буквой α, при более высокой температуре  β, затем γ и т.д.

     Полиморфное превращение протекает при постоянной температуре (например, при нагреве идет поглощение теплоты).

     Известные полиморфные превращения: Fe_α ↔ Fe_β; Co_α ↔ Co_β; Ti_α ↔ Ti_β; Mn_α ↔ Mn_β ↔ Mn_γ ↔ Mn_δ; Sn_α ↔ Sn_β, а также для Ca, Li, N, Cs, Sr, Te, Zr, V и др.

     Металл  с данной кристаллической решеткой должен обладать меньшим запасом  свободной энергии.

     

     Рисунок 3. Полиморфизм железа и его связь  со свободной энергией системы 

     Полиморфизм железа. Из рис. 3, видно, что в интервале  температур 911 – 1392°С устойчивым является γ-железо (К 12) (имеет min свободную энергию), а при температурах ниже 911°С и выше 1392°С устойчиво α-железо (К 8).

     В твердом металле полиморфные  превращения происходят в результате зарождения и роста кристаллов аналогично кристаллизации из жидкого состояния. Зародыши новой модификации наиболее часто возникают на границах зерна исходных кристаллов.

     В результате полиморфного превращения  образуется новые кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму, поэтому превращение также называют перекристаллизацией.

     Полиморфное превращение сопровождается скачкообразным изменением всех свойств металлов и  сплавов: удельного объема, теплоемкости, теплопроводности, электропроводности, магнитных свойств, механических и химических свойств и т.д.

     Высокотемпературная модификация имеет высокую пластичность.

     В таблице № 1 показан интервал температур существования различных аллотропических  форм некоторых, имеющих практическое значение металлов, у которых обнаружена температурная аллотропия.

       
 

     2. Диаграмма состояния сплавов

     2.1 Связь между свойствами сплавов и типом диаграмм состояния

     Н.С. Курнаков показал определенную зависимость между составом и структурой сплава, определяемой типом диаграммы состояния и свойствами сплава (твердостью, электропроводностью и.т.д.).

     Свойства  сплава зависят от того, какие соединения или какие фазы образовали компоненты сплава (рис. 1). 

     

     Рисунок 1. Свойства сплавов и их диаграммы  состояния 

     При образовании непрерывного ряда твердых  растворов свойства (твердость, электропроводность и др.) изменяются по криволинейной зависимости (рис. 1, б).

     Твердость компонентов А и В ниже, чем  твердость сплавов.

     При образовании смесей (рис. 1, а) свойства сплава изменяются по линейному закону (аддитивно).

     Значение  свойств сплавов находятся в  интервале между свойствами чистых компонентов.

     При увеличении V_охл происходит измельчение структуры, в связи с этим свойства против эвтектики оказываются более высокими (пунктирная линия).

     ESK – линия эвтектического превращения.

     Т_А – температура плавления компонента А.

     Т_АSТ_В – линия ликвидус.

     В сплавах с ограниченной растворимостью (рис. 1, в; диаграммы с эвтектическим или перитектическим превращениями) свойства при концентрациях, отвечающих однофазовому твердому раствору изменяются по криволинейной зависимости, а в двухфазовой области – по прямой. Крайние точки на прямой являются свойствами предельно насыщенных твердых растворов.

     Линия EN – линия ограниченной растворимости В в А.

     При образовании химического соединения (рис. 1, г) на кривой концентрация – свойства, будет иметься максимум (или минимум) – а на прямой перелом.

     Зная  характер взаимодействия между двумя  металлами и тип диаграммы  состав – свойства, можно легче  и быстрее определить состав сплава, обеспечивающий наилучшие свойства. 

      2.2 Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых имеют полиморфные превращения 

     

     Рисунок 2. Диаграмма состояния с полиморфным превращением у одного из компонентов: Т_пА – температура полиморфного превращения компонента А (Fe, Sn, Co, Mk, Ti, Zr и др.), Т_АаТ_В – линия ликвидус, Т_АбТ_В – линия солидус, Т_пА-С₂ – линия начала полиморфного превращения, Т_пА-С₁ – линия окончания полиморфного превращения. 

     После затвердевания все сплавы состоят  из γ-твердого раствора (твердый раствор В в А_γ). С понижением температуры ниже Т_пА-С₂: А_γ превращается в А_α (модификации). В области С₁-С₂ в равновесии находится две фазы α+γ, где α – твердый раствор В в А_α. 

     Сплав 1

     Сплав 2

     Полная  кристаллизация ниже t_2.

     В точке t₃ начинается полиморфное превращение γ↔α, а в точке t₄ заканчивается.

     Состав  α-твердого раствора изменяется по линии  Т_пА-С₁.

     После охлаждения структура – α.

     Сплав 3

     Начало  кристаллизации аналогично сплаву I и II. В точке t₃ начало полиморфного превращения γ↔α, которое до конца не происходит.

     Находим количество фаз при комнатной  температуре: 

      , 

      . 

     

     Рисунок 3. Диаграмма состояния с полиморфным превращением у двух компонентов: Т_АаТ_В – линия ликвидус, Т_АбТ_В – линия солидус, Т_пАсТ_пВ – линия начала полиморфного превращения γ↔α, Т_пАdТ_пВ – линия оканчания полиморфного превращения γ↔α

     Все превращения образуют неограниченные твердые растворы (сначала γ, а  затем при полиморфном превращении  γ↔α).

     

     Рисунок 4. Диаграмма состояния с полиморфным превращением у одного из компонентов и с эвтектическим превращением: Т_АСТ_В – линия ликвидус, Т_АECPТ_В – линия солидус, ECP – линия эвтектического равновесия: , Т_пА – температура полиморфного превращения компонента А: А_1α↔А_2δ 

     

     Рисунок 5. Диаграмма состояния с полиморфным превращением двух компонентов и с эвтектическим превращением: Т_АСТ_В – линия ликвидус, Т_АECFТ_В – линия солидус, Т_пА – температура полиморфного превращения компонента А: А_1α↔А_2δ 

     Если  до и после превращения количества жидкости практически равны-то это полиморфное превращение.

     ЕСF – эвтектическое равновесие:

     Т_пВ – линия полиморфного превращения: В_1β↔В_2γ. 

     

     Рисунок 6. Диаграмма состояния с полиморфным превращением у одного из компонентов и с перитектическим превращением: Т_АFТ_В – линия ликвидус, Т_АPSТ_В – линия солидус, PSF – линия перитектического равновесия: , Т_пА – температура полиморфного превращения: А₁ ↔ А₂, линия T_пАPSF – начало полиморфного превращения, линия окончания полиморфного превращения Т_пА-S: α₁↔α₂. 

     Сплав 1

     Сплав 2

     Ниже  t₁ происходит выделение кристаллов α₁.

     При t₂ перитектическое превращение: (полиморфное превращение).

     Сплав 3

     При t₂ – перитектическое превращение: .

     Ниже  t₃ структура α₂ заканчивается полиморфное превращение.

     Сплав 4 – аналогично. 

     

     Рисунок 7. Диаграмма состояния с полиморфным превращением двух компонентов и с эвтектоидным превращением: Т_пА и Т_пВ – начало полиморфных превращений А и В, ECF – линия эвтектоидного равновесия, эвтектоидное превращение заключается в том, что из одной твердой фазы образуется две твердые фазы: , Т_пАE – конец полиморфного превращения компонента А, Т_пВF – конец полиморфного превращения компонента В, EN – линия ограниченной растворимости компонента В в А. 

     Сплавы:

     Е'С – доэвтектоидные: α+эвт-д (α+β).

     С – эвтектоидный: э (α+β).

     CF' – заэвтектоидные: β+э (α+β).

     Фазы: α+β.

     Разновидность эвтектоидного превращения:

     

     Рисунок 9. Диаграмма состояния с полиморфным превращением у 2-х компонентов и с перитектоидным превращением 

     Линия ликвидус и солидус (указать).

     Т_пАРТ_пВ – начало полиморфного превращения γ↔α; γ↔β.

     Т_пА – начало полиморфного превращения компонента А.

     Т_пВ – начало полиморфного превращения компонента В.

     FT_пВ – конец полиморфного превращения компонента В: γ↔β.

     Т_пАD – конец полиморфного превращения: γ↔α (А).

     PDF – линия перитектоидного равновесия: γ_Р + β_F ↔ α_D. 

     Сплав 1

     Интервал 1–2 – полная кристаллизация: Ж↔γ.

     Ниже  t₃ из γ твердого раствора выделяется кристаллы β-фазы.

     Ниже  t₄ за счет взаимодействия двух старых твердых фаз (перитектоидне превращение) образуется новая кристаллическая фаза: γ_Р+β_F↔α_D. 

     Сплав 2

     При t₄: γ_Р + β_F ↔ α_D + β_{F(изб) ост.}

     

     Рисунок 10. Микроструктура сплава 

     Сплав 3 

     При t₄: γ_Р + β_F ↔ α_D + γ_{Р (изб) ост.}

     При понижении температуры γ_ост без превращений переходит в α-фазу.