ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Сплавы. Диаграммы состояния металлических систем из "Общая химия 2000" Водородные соединения углерода и других элемектов (табл. 12.1) не растворяются в воде и не разлагаются ею, что может быть связано с низкой полярностью химических связей и появлением в ряде молекул на атоме водорода также положительного избыточного заряда. [c.345] Аммиак в водных растворах выступает в качестве основания потому, что, в силу ощутимой полярности химических связей, имеет достаточно высокое значение отрицательного эффективного заряда атома азота. Это способствует тому, что азот становится более сильным акцептором положительно поляризованного атома водорода ближайшей молекулы воды, чем сама вода. [c.345] В жидком состоянии большинство металлов растворяются друг в друге и образуют однородный жидкий сплав. При кристаллизации из расплавленного состояния различные металлы ведут себя по-разному. Основными случаями являются при этом следующие три. [c.345] При изучении свойств сплавов очень большое значение имеют диаграммы состояния, характеризующие состояние сплавов различного состава при разных температурах. Такие диаграммы показывают термодинамически устойчивые состояния, т. е. состояния, отвечающие минимуму энергии Гиббса системы. Их называют также фазовыми диаграммами, так как они показывают, какие фазы могут сосуществовать при данных условиях. [c.346] Диаграммы состояния получают экспериментально. Обычно для этого строят кривые охлаждения и по остановкам и перегибам на них, вызванным тепловыми эффектами превращений, определяют температуры этих преврав1ений. Для получения кривых охлаждения приготовляют из двух металлов изучаемой системы ряд смесей различного состава. Каждую из приготовленных смесей расплавляют. Получающиеся жидкие сплавы (расплавы) медленно охлаждают, отмечая через определенные промежутки времени температуру остывающего сплава. По данным наблюдений строят кривые охлаждения, откладывая на оси абсцисс время, а на оси ординат — температуру (рис. 12.4). [c.346] На рис. 12.4 слева показано, какой вид имеет кривая охлаждения чистого расплавленного металла. Сначала понижение температуры плавно идет по кривой ак. В точке к происходит перелом кривой, начинается образование твердой фазы (кристаллизация), сопровождающееся выделением теплоты, вследствие чего температура некоторое время остается постоянной (кривая идет параллельно оси абсцисс). Когда вся масса расплавленного металла затвердеет, опять начинается плавное понижение температуры по кривой сЬ. [c.346] Иногда остановки в падении температуры наблюдаются и на кривой охлаждения твердого металла, указывая на связанные с выделением теплоты процессы, происходящие уже в твердом веществе, например переход из одной кристаллической формы в другую. [c.346] По-видимому, нет металлов, абсолютно нерастворимых друг в друге в твердом состоянии. Но в тех случаях, когда взаимная растворимость металлов не превышает сотых долей процента, принято считать, что они нерастворимы друг в друге. [c.346] Имея достаточный набор сплавов, различающихся содержанием компонентов II о п,еделив в каждом сплаве температуры превращений, можно построить диаграмму состояния. На диаграммах состояния по вертикальной оси откладывают температуру, а по горизонтальной — состав сплава (содержание одного из компонентов). Для сплавов, состоящих из двух компонентов, обозначаемых буквам . X и V, состав характеризуется на отрезке прямой, принятом за 100%. Кра ше точки соответствуют индивидуальным компонентам. Любая же точка отрезка, кроме крайних, характеризует состав двойного сплава. На рис. 12.5 числа указывают содержание компонента V. Например, точка К отвечает сплаву, состоящему из 20% V и 80% X. [c.347] Рассмотрим четыре простых случая — четыре типа диаграмм, соответствующие упомянутым выше типам сплавов механической смеси, твердому раствору с неограниченной и с ограниченной растворимостью и химическому соединению. [c.347] Диаграмма состояния для сплавов, образующих механические смеси индивидуальных компонентов. В качестве примера диаграммы этого типа на рис. 12.6 приведена диаграмма состояния системы РЬ—8Ь. [c.347] Точки А и В на. диаграмме — это температуры плавления компонентов системы свинца (327 °С) и сурьмы (631 °С). В сплавах рассматриваемого типа добавка одного компонента к другому, согласно закону Рауля, понижает температуру начала его кристаллизации (затвердевания). Кривая АЕ показывает температуру кристаллизации свинца из расплавов, богатых свинцом, а кривая ВЕ — температуру кристаллизации сурьмы из расплавов, богатых сурьмой. Видно, что по мере увеличения содержания второго компонента температуры кристаллизации как свинца, так и сурьмы понижаются. Точка Е принадлежит обеим кривым из расплава, состав которого отвечает этой точке, кристаллизуются одновременно оба металла. Эта совместная кристаллизация происходит при самой низкой температуре. Отвечающий точке Е состав называется эвтектическим составом, а соответствующий сплав — эвтектическим сплавом или просто эвтектикой (от греческого эв-тектикос — хорошо плавящийся). Для системы РЬ—8Ь эвтектика состоит из 13% 8Ь и 87% РЬ она плавится и кристаллизуется при 246 °С. [c.347] Если исходить из расплава, содержащего небольшое количество сурьмы (меньше эвтектического), то весь процесс будет происходить аналогично рассмотренному, с той разницей, что вначале будут выпадать кристаллы не сурьмы, а свинца. Полученный сплав будет иметь структуру, представляющую собой смесь эвтектики с кристаллами свинца. Наконец, если исходить из расплава эвтектического состава, то весь сплав закристаллизуется при 246 С и будет представлять собой эвтектику. На рис. 12.7 показана структура сплавов системы РЬ—8Ь. [c.348] Если верхние кривые диаграммы на рис. 12.6 (АЕ и ВЕ) показывают температуру начала кристаллизации, то нижняя — горизонталь, проходящая через точку Е, — показывает температуру окончания кристаллизация сплава. Как видно, для систем, имеющих диаграммы рассматриваемого типа, температура окончания кристаллизации не зависит от состава сплава. [c.348] При плавлении твердых сплавов горизонталь, проходящая через точку Е, показывает температуру начала плавления. В рассматриваемом случае эта температура не зависит от состава сплава, потому что плавление начинается с эвтектики, входящей в состав всех сплавов системы (кроме индивидуальных компонентов). При этом температура сплава будет оставаться постоянной, пока вся имеющаяся в нем эвтектика не расплавится. Дальнейшее нагревание приведет к повышению температуры — начнут плавиться кристаллы чистого компонента, которые находились в исходном сплаве в смеси с эвтектикой. Состав расплава будет обогащаться этим компонентом, и точка, отвечающая расплаву, будет двигаться по соответствующей ветви верхней кривой. Когда плавление закончится, т. е. когда твердая фаза исчезнет, тогда состав расплава станет таким же, каким был состав исходного сплава. Таким образом, если исходить из твердого сплава, то горизонталь, проходящая через точку Е, показывает температуру начала, а кривые АЕ и ВЕ — окончания плавления. [c.348] Из сказанного ясно, что области I на диаграмме рис. 12.6 отвечает расплав, областям П и П1 соответствует сосуществование расплава с кристаллами избыточного компонента, областям IV и V отвечает смесь эвтектики с зернами свинца (область IV) или сурьмы (область V). [c.348] Как уже говорилось, по горизонтальной оси диаграмм состояния откладывается состав взятого сплава. Однако для областей, отвечающих равновесию двух фаз, по этой оси можно также устанавливать составы этих фаз. Пусть, например, сплав 5% ЗЬ и 95% РЬ нагрет до 270 °С. Такому сплаву отвечает точка а на диаграмме состояния (рис. 12.8). Проведем через эту точку горизонталь до пересечения с ближайшими линиями диаграммы. Мы получим точки Ь и с. Они показывают, что взятому сплаву при 270 °С отвечает равновесие кристаллов свинца (точка Ь) с расплавом, состав которого определяется абсциссой точки с (приблизительно 10% ЗЬ и 90% РЬ). [c.349] Диаграмма состояния дня сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии. На рис. 12.9 приведена диаграмма состояния системы Ag—Ли, представляющая собой простейший пример диаграмм этого типа. [c.349] Как и в предыдущих случаях, точки Л и В показывают температуры плавления компонентов. Вид кривых плавления (нижняя кривая) и затвердевания (верхняя кривая) обусловлен в этом случае тем, что кристаллы, выделяющиеся при охлаждении расплава, всегда содержат оба компонента (кроме, конечно, кристаллизации чистых серебра или золота). [c.349] Рассмотрим, как происходит кристаллизация расплавов в этом случае. Пусть исходный жидкий сплав соответствует точке (I на диаграмме (рис. 12.9). При охлаждении его до температуры 1 (точка е) начинается кристаллизация. Кристаллы представляют собой твердый раствор, более богатый тугоплавким компонентом — золотом (точка р). Поэтому в ходе кристаллизации жидкая фаза обедняется тугоплавким компонентом, и точка диаграммы, отвечающая расплаву, смещается несколько влево. По мере охлаждения эта точка движется вниз, вновь доходит до кривой и процесс кристаллизации продолжается. Таким образом, охлаждение расплава сопровождается выпадением кристаллов твердого раствора, обогащенных тугоплавким компонентом — золотом, и обогащением расплава легкоплавким компонентом — серебром. Соответствующие точки на диаграмме при этом перемещаются состав жидкой фазы изменяется по верхней линии, а состав твердого раствора — по нижней. При медленном проведении процесса кристаллизация заканчивается по достижении такой температуры 2, при которой образующиеся кристаллы имеют состав исходного сплава (точка г). [c.349] Вернуться к основной статье