Należy pamiętać, że stosunki te odpowiadają warunkom równowagi, które mają miejsce po zakończeniu procesów dyfuzji.
Wraz z nieograniczonymi roztworami wiele metali i pierwiastków tworzy ze sobą ograniczone roztwory stałe, gdy roztwory powstają tylko w pewnym zakresie stężeń, a przy wyższych stężeniach tworzą się inne formacje strukturalne.
Specyfika ograniczonych roztworów stałych polega na tym, że obszar roztworów stałych przylega do czystych składników (niewielkie stężenia pierwiastka stopowego) na diagramach stanów. Te stałe roztwory zachowują strukturę czystych metali i innych formacji strukturalnych na diagramie stanu, zwanym fazy pośrednie lub związki międzymetaliczne, mają strukturę różniącą się od metalu podstawowego i stopowego. Na ryc. 13 jako przykład pokazano diagram dwustanowy aluminium - magnez (lewa strona diagramu). Graniczna rozpuszczalność magnezu w aluminium w temperaturze 449°C wynosi 17,4% (masowo), a minimalna rozpuszczalność w temperaturze 20°C to tylko 1,4% Mg (dla stanu równowagi). Tylko w tym zakresie magnez tworzy stały roztwór z aluminium - a. Powyżej zaznaczonych granicznych stężeń rozpuszczalności magnezu w glinie pojawia się faza pośrednia (związek międzymetaliczny) o przybliżonym składzie chemicznym.
|
|
|
Ryż. 13. Lewa strona diagramu stanu Al-Mg |
|
|
|
Ryż. 14. Diagram stanu Al-Si |
Związki międzymetaliczne z reguły zwiększają twardość i zmniejszają ciągliwość stopu.
Diagram stanu eutektycznego tworzą dwa metale, które w stanie ciekłym tworzą wzajemne roztwory, ale są praktycznie nierozpuszczalne w stanie stałym. W stanie stałym struktura takich stopów jest eutektyczna - mechaniczna mieszanina ziaren dwóch metali.
Przykładem diagramu typu eutektycznego jest diagram fazowy aluminiowo-krzemowy. Taki układ stopów charakteryzuje się obecnością składu czysto eutektycznego - dla stopu Al-Si skład eutektyczny to 11,7% Si + Al - reszta.
Stopy eutektyczne mają ściśle określoną temperaturę solidusu; w szczególności dla stopów Al-Si temperatura solidusu wynosi 588°C.
W tej temperaturze następuje koniec krzepnięcia przy wszystkich stężeniach krzemu. Stop czysto eutektyczny tego układu ma stężenie krzemu 11,7%, jego krzepnięcie następuje w stałej temperaturze 588°C (bez przerwy krzepnięcia). Stop odlewniczy Ak12 jest uważany za stop czysto eutektyczny. Stopy o zawartości krzemu poniżej 11,7% Si są podeutektyczne i mają strukturę: a+eutektyczną, gdzie a jest stałym roztworem krzemu w aluminium, ma bardzo niskie stężenie krzemu i jest prawie czystym aluminium. Stopy o stężeniu krzemu powyżej 11,7% są nadeutektyczne i charakteryzują się budową: krzem + eutektyka. Stopy podeutektyczne i nadeutektyczne krzepną w zakresie temperatur, ale przy tej samej temperaturze solidusu 588°C.
Znacznie mniejsze zastosowanie w technologii mają stopy charakteryzujące się diagramami stanów typu perytektycznego; a także stopy z diagramami fazowymi zawierające związki chemiczne.
Ponadto większość stopów jest wieloskładnikowa, tj. zawierają nie jeden, ale kilka pierwiastków stopowych. W takim przypadku diagram stanu nie może być reprezentowany przez płaski obraz. Tak więc stopy trzech pierwiastków są reprezentowane przez diagram fazowy na obrazie trójwymiarowym: trójkąt równoboczny wyznacza skład stopów, a prostopadłe w rogach do płaszczyzny trójkąta odzwierciedlają wartość temperatury; przemiany fazowe w stopie trójskładnikowym są reprezentowane przez powierzchnie powyżej płaszczyzny trójkąta równobocznego. W przypadku płaskiego obrazu podczas analizy takich diagramów stosuje się przekroje politermiczne (przekrój przez płaszczyznę pionową) i przekroje izotermiczne (przekrój przez płaszczyznę poziomą). Jednak najczęściej stop wieloskładnikowy jest uważany za stop dwuskładnikowy z płaską reprezentacją diagramu fazowego. Pierwiastki stopowe w ich wpływie na przejścia fazowe są brane pod uwagę poprzez wprowadzenie współczynników redukcyjnych do głównego pierwiastka stopowego.
Na ryc. pokazano diagram fazowy Al-Mg. Środkowa część diagramu jest pokazana w powiększeniu.
W układzie tworzą się fazy β(Al3Mg2), γ(Al12Mg7), ζ(Al52Mg48), ε(Al30Mg23). Fazy β i γ topią się kongruentnie w temperaturach odpowiednio 453 i 460°C. Fazy ε i ζ powstają w reakcjach perytektycznych w temperaturach odpowiednio 450 i 452°C.
W układzie występują trzy równowagi eutektyczne: L ↔Mg+ γ w 438°C, L ↔(A1) + β w 450°C, L ↔ε + β w 448°C oraz dwie równowagi eutektoidalne ε↔ β + ζ w -428 °C i ζ ↔β + γ w 410 °C.
Rozpuszczalność Mgv (A1) była badana w wielu pracach.
Rozpuszczalność Mg:
% (w.) ......................
% (przez masę) ..............
Maksymalna rozpuszczalność Mg w (A1) została określona na 16,5% (at.), a także w szeregu innych prac, w których nie stosowano metody analizy rentgenowskiej. Dane dotyczące rozpuszczalności A1 w (Mg) uzyskane w różnych badaniach również się różnią. Najbardziej prawdopodobne wartości to:
Rozpuszczalność Al:
% (w.) .....................
% (przez masę) ..............
Źródła:
- Diagramy stanów układów binarnych i wieloskładnikowych opartych na żelazie. Bannykh O. A., Budberg P. B., Alisova S. P. i wsp. Metallurgy, 1986
- Systemy dwu- i wielokomponentowe na bazie miedzi. wyd. Shukhardina S.V. Nauka, 1979
- Schematy państwowe binarnych systemów metalicznych wyd. Lyakisheva N.P. Inżynieria mechaniczna, 1996-2000
Aluminium jest jednym z najważniejszych materiałów stosowanych w przemyśle elektronicznym, zarówno w czystej postaci, jak i w wielu rodzajach stopów na jego bazie. Czyste aluminium nie ma modyfikacji alotropowych, ma wysoką przewodność cieplną i elektryczną, która wynosi 62-65% przewodności miedzi. Temperatura topnienia aluminium wynosi 660 °C, temperatura wrzenia to 2500 °C. Twardość czystego aluminium wynosi 25 HB Brinella. Aluminium łatwo poddaje się obróbce poprzez cięcie, ciągnienie, nacisk.
W kontakcie z powietrzem na powierzchni aluminium tworzy się nieporowata ochronna warstwa tlenku o grubości około 2 nm (20 A), która chroni ją przed dalszym utlenianiem. Aluminium ma niską odporność na korozję w roztworach alkalicznych, kwasie solnym i siarkowym. Nie działają na nią kwasy organiczne i kwas azotowy.
Przemysł produkuje kilka gatunków aluminium: o specjalnej czystości, wysokiej czystości i czystości technicznej. Gatunek aluminium o wysokiej czystości A999 zawiera nie więcej niż 0,001% zanieczyszczeń; odpowiednio klasy czystości A995, A99, A97 i A95 - nie więcej niż 0,005; 0,01; 0,03 i 0,05% zanieczyszczeń; klasa czystości technicznej A85 - nie więcej niż 0,15% zanieczyszczeń.
W elektronice czyste aluminium wykorzystywane jest do produkcji kondensatorów elektrolitycznych, folii, a także jako cele w tworzeniu aluminiowych ścieżek przewodzących urządzeń mikroelektronicznych metodami termicznymi, jonowo-plazmowymi i magnetronowym.
Największym zainteresowaniem elektroniki cieszą się stopy oparte na układach „aluminium-miedź” i „aluminium-krzem”, które tworzą dwie duże grupy stopów do obróbki plastycznej i odlewów stosowanych jako materiały konstrukcyjne.
Na ryc. 2.7 przedstawia schemat równowagi stanu układu „aluminium – miedź” od strony aluminium. Stop eutektyczny w tym systemie zawiera 33% miedzi i ma temperaturę topnienia 548°C. Wraz ze wzrostem zawartości związków międzymetalicznych w stopie wzrasta wytrzymałość stopu, ale pogarsza się jego obrabialność. Rozpuszczalność miedzi w aluminium w temperaturze pokojowej wynosi 0,5%, a w temperaturze eutektycznej sięga 5,7%.
Stopy o zawartości miedzi do 5,7% mogą być przeniesione do stanu jednofazowego poprzez ich hartowanie z temperatury powyżej linii B.D. Jednocześnie utwardzony stop ma wystarczającą ciągliwość przy umiarkowanej wytrzymałości i może być przetwarzany przez odkształcenie. Jednak roztwór stały powstały po hartowaniu nie jest w stanie równowagi i zachodzą w nim procesy wytrącania związków międzymetalicznych, którym towarzyszy wzrost wytrzymałości stopów. W temperaturze pokojowej proces ten trwa 4-6 dni i nazywany jest naturalnym starzeniem stopu. Przyspieszenie procesu starzenia materiału zapewnione jest przez przetrzymywanie go w podwyższonej temperaturze, proces ten nazywany jest sztucznym starzeniem.
Ryż. 2.7. Schemat stanu układu aluminiowo-miedzianego Inna grupa stopy aluminium, zwane aluminiowymi stopami odlewniczymi lub siluminami, to stopy oparte na układzie aluminiowo-krzemowym. Schemat stanu tego układu pokazano na ryc. 2.8.
Ryż. 2.8.
Stop eutektyczny zawiera 11,7% krzemu i ma temperaturę topnienia 577°C. System ten nie tworzy związków międzymetalicznych. Stopy eutektyczne charakteryzują się dobrym odlewaniem i zadowalającymi właściwościami mechanicznymi, które poprawiają się wraz z wprowadzeniem do stopu do 1% związków sodu.
Na bazie aluminium wytwarzana jest duża liczba różnych stopów, charakteryzujących się niską gęstością (do 3 g / cm 3), wysoką odpornością na korozję, przewodnością cieplną, przewodnością elektryczną, odpornością cieplną, wytrzymałością i ciągliwością w niskich temperaturach oraz dobry współczynnik odbicia światła. Powłoki ochronne i dekoracyjne są łatwo nakładane na wyroby ze stopów aluminium, są łatwo obrabiane i zgrzewane metodą zgrzewania kontaktowego.
Stopy aluminium, wraz z aluminium jako metalem podstawowym, mogą zawierać jeden lub więcej z pięciu głównych składników stopowych: miedź, krzem, magnez, cynk i mangan, a także żelazo, chrom, tytan, nikiel, kobalt, srebro, lit, wanad , cyrkon, cyna, ołów, kadm, bizmut itp. Składniki stopowe całkowicie rozpuszczają się w ciekłym aluminium w wystarczająco wysokiej temperaturze. Rozpuszczalność w stanie stałym z tworzeniem roztworu stałego dla wszystkich pierwiastków jest ograniczona. Nierozpuszczone cząstki tworzą w strukturze stopu niezależne, najczęściej twarde i kruche kryształy lub występują w postaci czystych pierwiastków (krzem, cyna, ołów, kadm, bizmut) lub w postaci związków międzymetalicznych z aluminium ( 2 Cu; Glin 3 mg2 ; Al 6Mn; AlMn; Glin 3 Fe; 7Cr; Al3Ti; Al3Ni; Wszystko ja).
W stopach z dwoma lubtrzy składniki stopowe, związki międzymetaliczne są częścią podwójnego ( mg2 Si, Zn 2 , Mg), trójskładnikowy [ α (AlFeSi )] i bardziej złożone fazy.
Powstały roztwór stały oraz obecność niejednorodnych składników strukturalnych decydują o właściwościach fizycznych, chemicznych i technologicznych stopów. Wpływ stopowania na strukturę stopów opisuje diagram fazowy, który określa charakter przebiegu procesu krzepnięcia, skład powstałych faz oraz możliwość różnych przemian w stanie stałym. Na ryc. Rozważane są 1-9 diagramy stanów dwu- i trójskładnikowych stopów aluminium.
Stop Systemy Al-Cu. Z wykresu widać, że gdy zawartość miedzi wynosi od 0 do 53%, istnieje prosty układ eutektyczny Al(α ) - Al 2 Cu(θ) z eutektyką w temperaturze 548°C i zawartości 33% Cu. Maksymalna rozpuszczalność (w temperaturze eutektycznej) miedzi w α -roztwór stały - 57%. Rozpuszczalność miedzi maleje wraz ze spadkiem temperatury iw temperaturze 300°C wynosi 0,5%. Nierozpuszczona miedź jest w równowadze w postaci fazy A2Cu. W średnich temperaturach w wyniku rozkładu przesyconego roztworu stałego powstają metastabilne fazy pośrednie (θ " oraz θ ").
Stop Systemy Al -Si. System jest czysto eutektyczny, występujący w temperaturze 577 ° C i zawartości 12,5% Si. W α -roztwór stały w tej temperaturze rozpuszcza 1,6 % Si . Na krystalizację eutektycznego krzemu może mieć wpływ niewielki dodatek sodu. W tym przypadku następuje przechłodzenie zależne od szybkości krzepnięcia i przemieszczenie punktu eutektycznego z odpowiednim udoskonaleniem struktury eutektycznej.
Stop układowy Al-Mg. Zakres zawartości magnezu w stopie od 0 do 37,5% jest eutektyczny. Eutektyka występuje w temperaturze 449°C i zawartości 34,5% mg . Rozpuszczalność magnezu w tej temperaturze jest maksymalna i wynosi 17,4%. W temperaturze 300°C w α -roztwór stały rozpuszcza się 6,7% Mg; w 100°C - 1,9% Mg . Nierozpuszczony magnez znajduje się w strukturze najczęściej w postaci faza β (Al 3 Mg 2 ).
Stop Systemy Al-Zn. Stopy tego układu tworzą układ eutektyczny w temperaturze 380°C z eutektyką bogatą w cynk o zawartości 97% Zn . Maksymalna rozpuszczalność cynku w aluminium wynosi 82%. W obszarze α -roztwór stały poniżej temperatury 391°C występuje przerwa. wzbogacony o cynk α -faza w temperaturze 275°C rozkłada się z utworzeniem mieszaniny eutektycznej aluminium o zawartości 31,6% Zn oraz cynk z 0,6% Al. Ponadto rozpuszczalność cynku spada i w temperaturze 100°C wynosi tylko 4%.
Diagramy stanu stopu Systemy Al-Mn, Al - Fe wskazują na istnienie eutektyków przy bardzo niskich stężeniach pierwiastków stopowych. Z wyjątkiem manganu rozpuszczalność pierwiastków w stanie stałym jest znikoma, np. żelaza< 0,05%.
w stopach Systemy Al-Ti (patrz rys. 1.14), Glin- C rrozpuszczalność pierwiastków to dziesiąte części procenta.
W stop Systemy Al-Pb Wraz ze spadkiem temperatury składniki rozdzielają się już w stopie, tworząc dwie fazy ciekłe. Krzepnięcie zaczyna się prawie w temperaturze topnienia aluminium i kończy się w temperaturze topnienia pierwiastka stopowego (krystalizacja monoeutektyczna).
Stop Układy Al - Mg - Si składa się z dwóch potrójnych eutektyków. Potrójna eutektyka Al - Mg 2 Si - Si zawierający 12% Si i 5% Mg topi się w 555°C. eutektyczny Al - Mg 2 Si-AlbMg2 o temperaturze topnienia 451°C prawie nie różni się od systemu binarnego Al - Al 3 Mg2 . Linia likwidus łącząca oba potrójne punkty eutektyczne przechodzi przez maksimum w temperaturze 595°C dokładnie wzdłuż quasi-binarnego przekroju (8,15% Mg i 4,75% Si ). Ze względu na nadmiar magnezu (w stosunku do mg 2 Si ) rozpuszczalność krzemu w α - rozwiązanie stałe jest znacznie zredukowane. Stopy Al - Mg , zwłaszcza odlewnie, zawierają kilka dziesiątych procenta krzemu i dlatego należą do układu częściowego Al - Mg 2 Si - Al 3 Mg 2 .
Stop Systemy Al-Cu-Mg. Diagram stanu tego układu pokazuje, że wraz z podwójnymi fazami 3 Mg 2 (β ) i Al 2 Cu(θ) w równowadze z roztworem stałym α może zawierać dwie potrójne fazy S i T. Za przemianą perytektyczną przy dużej zawartości miedzi powstaje przekrój zbliżony do quasi-binarnego A l-S (temperatura eutektyczna 518°C) i częściowy region eutektyczny Al - S - Al 2 Cu (temperatura eutektyczna 507°C). Bogata w magnez faza T ( Al 6 Mg 4 Cu ) powstaje na podstawie fazy S w wyniku czterofazowej reakcji perytektycznej w temperaturze 467°C. W temperaturze 450°C następuje kolejna czterofazowa reakcja perytektyczna, zgodnie z którą faza T jest przekształcana w β.
Stop Systemy Al-Cu-Si. Diagram stanu stopu pokazuje, że aluminium tworzy z krzemem i fazą A2Cu prosty trójskładnikowy układ częściowy eutektyczny (temperatura eutektyczna 525°C). Łączna obecność miedzi i krzemu nie wpływa na ich wzajemną rozpuszczalność w α -solidne rozwiązanie.
Stop Systemy Al-Zn-Mg. W budowie aluminiowego narożnika systemu zaangażowane są podwójne fazy Al 3 Mg 2 , MgZn 2 i trójskładnikowa faza T, odpowiadająca średniemu składowi chemicznemu Al 2 Mg 3 Zn 3 . Przekroje Al - MgZn 2 i Al -T pozostają quasi-binarne (temperatura eutektyczna 447°C). W częściowym obszarze Al-T-Zn w temperaturze 475°C zachodzi czterofazowa reakcja perytektyczna, zgodnie z którą faza T przechodzi w fazę MgZn 2 . Następnie podczas przejścia czterofazowej reakcji w temperaturze 365°C z fazy MgZn2 przy wysokiej zawartości cynku tworzy się faza MgZn 5 , który wraz z aluminium i cynkiem krystalizuje w reakcji eutektycznej w temperaturze 343°C.
W stopach na bazie aluminium, stopowanie z głównymi składnikami jest zapewnione w taki sposób, że ich całkowita zawartość jest poniżej maksymalnej rozpuszczalności. Wyjątkiem jest krzem, który ze względu na korzystne właściwości mechaniczne eutektyki stosowany jest w stężeniach eutektycznych i nadeutektycznych.
Zanieczyszczenia i dodatki mogą tylko nieznacznie modyfikować diagram fazowy. Pierwiastki te są najczęściej słabo rozpuszczalne w roztworze stałym i tworzą w strukturze niejednorodne wydzielenia.
Ze względu na niepełne wyrównanie stężenia w kryształach pierwotnych stałego roztworu glinu podczas jego krzepnięcia, obszary eutektyczne mogą pojawiać się w strukturze w stężeniu poniżej maksymalnej rozpuszczalności, zwłaszcza w stanie odlewanym. Znajdują się wzdłuż granic ziaren pierwotnych i zakłócają skrawalność.
Ponieważ dodatki stopowe rozpuszczają się w roztworze stałym, niejednorodne składniki strukturalne można wyeliminować przez długotrwałe ogrzewanie w wysokich temperaturach (homogenizacja) przez dyfuzję. Podczas odkształcania na gorąco kruche wydzielenia wzdłuż granic ziaren są mechanicznie niszczone i rozprowadzane w strukturze liniowo. Proces ten jest charakterystyczny dla przekształcenia konstrukcji odlewanej w zdeformowaną.
Stopy aluminium według metody obróbki dzielą się na kute i odlewane.
Obecnie opracowywane są nowe płyty na bazie aluminium w celu dalszego rozszerzenia zakresu tych materiałów. Tak więc do projektu przyjaznego dla środowiska samolotu działającego na ciekłym wodorze (jego temperatura wynosi -253 ° C) potrzebny był materiał, który nie staje się kruchy w tak niskich temperaturach. Stop O1420 na bazie aluminium z dodatkiem litu i magnezu, opracowany w Rosji, spełnia te wymagania. Ponadto, ze względu na fakt, że oba pierwiastki stopowe w tym stopie są lżejsze niż aluminium, możliwe jest zmniejszenie ciężaru właściwego materiału, a tym samym masy lotu maszyn. Łącząc dobrą wytrzymałość właściwą duraluminium i niską gęstość, stop ma również wysoką odporność na korozję. W ten sposób współczesna nauka i technologia zmierza w kierunku tworzenia materiałów, które łączą maksymalny możliwy zestaw przydatnych cech.
Należy również zauważyć, że obecnie, obok tradycyjnego znakowania alfanumerycznego, pojawiło się nowe znakowanie cyfrowe stopów aluminium – zob. 3 i tabela. dziesięć.
Rysunek 3 - Zasada cyfrowego znakowania stopów aluminium
Tabela 10
Przykłady oznaczeń z wykorzystaniem nowych oznaczeń
|
pierwiastki stopowe |
Cechowanie |
|
|
Tradycyjny | ||
|
Al (czysty) | ||
Bibliografia
1. Kolachev B.A., Livanov V.A., Blagin V.I. Metaloznawstwo i obróbka cieplna metali nieżelaznych i stopów. M.: Metalurgia, 1972.-480 s.
2. Lakhtin Yu.M., Leontieva V.P. Inżynieria materiałowa. M.: Mashinostroenie, 1990.-528 s.
3. Gulajew A.P. Metaloznawstwo. M.: Metalurgia, 1986.-544 s.
4. Encyklopedia materiałów nieorganicznych. Tom 1.: Kijów: Redaktor Naczelny Ukraińskiej Enc. Sowieckiej, 1977.-840 s.
5. Encyklopedia materiałów nieorganicznych. Tom 2.: Kijów: Redaktor Naczelny Ukraiński Enc. Sov., 1977.-814 s.
6. Materiałoznawstwo i technologia materiałów. Fetisov G.P., Karpman M.G., Matyunin V.M. itd. M. - W.Sz., 2000.- s.182
Załącznik 1
Wykres stanu Al-Mg (a) i zależność właściwości mechanicznych
stopy z zawartością magnezu (b)
Załącznik 2
diagram stanuGlin - Cu:
linia przerywana - temperatura hartowania stopów
Załącznik 3
diagram stanuGlin – Si(a) i wpływ krzemu
na właściwości mechaniczne stopy
Wstęp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ………cztery
1 Aluminium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……cztery
2 Stopy na bazie aluminium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …...5
2.1 Obrabiane plastycznie stopy aluminium,
nieutwardzone przez obróbkę cieplną. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .......6
2.2 Obrabiane plastycznie stopy aluminium,
utwardzane przez obróbkę cieplną. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .......7
2.3 Odlewane stopy aluminium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ......jedenaście
2.4 Stopy wytwarzane metodą metalurgii proszków…..……..…..14
Wniosek………………………………………………….………………..……..16
Referencje……………………….………………………………………………...17
Załącznik 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …. . . . . . . . . . . . . . . . . . . ….19
Załącznik 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . ….. 20
Załącznik 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . ….21
Katedra Teoretycznych Podstaw Nauki o Materiałach
