Diagrama de stare aluminiu siliciu magneziu. Diagrama stării sistemului aluminiu - magneziu (Al-Mg)

Trebuie avut în vedere că aceste rapoarte corespund condițiilor de echilibru care au loc atunci când procesele de difuzie sunt complete.

Împreună cu soluțiile nelimitate, un număr de metale și elemente formează soluții solide limitate între ele, atunci când soluțiile se formează doar într-un anumit interval de concentrație, iar la concentrații mai mari se formează alte formațiuni structurale.

Specificul soluțiilor solide limitate este că regiunea soluțiilor solide se învecinează cu componentele pure (concentrații mici ale elementului de aliere) pe diagramele de stare. Aceste soluții solide păstrează structura metalelor pure și alte formațiuni structurale pe diagrama de stare, numită faze intermediare sau compuși intermetalici, au o structură care diferă de metalul de bază și de aliere. Pe fig. 13, ca exemplu, este prezentată o diagramă de dublă stare a aluminiului - magneziu (partea stângă a diagramei). Solubilitatea limită a magneziului în aluminiu la o temperatură de 449°C este de 17,4% (în masă), iar solubilitatea minimă la o temperatură de 20°C este de doar 1,4% Mg (pentru starea de echilibru). Numai în acest interval magneziul formează o soluție solidă cu aluminiu - a. Peste concentrațiile limitatoare marcate ale solubilității magneziului în aluminiu, apare o fază intermediară (compus intermetalic) de compoziție chimică aproximativă.

Orez. 13. Partea stângă a diagramei de stare a Al-Mg

Orez. 14. Diagrama de stări a lui Al-Si

Compușii intermetalici, de regulă, cresc duritatea și reduc ductilitatea aliajului.

Diagrama stărilor eutectice este formată din două metale care formează soluții reciproce în stare lichidă, dar sunt practic insolubile în stare solidă. În stare solidă, structura unor astfel de aliaje este un eutectic - un amestec mecanic de granule a două metale.

Un exemplu de diagramă de tip eutectic este diagrama de fază aluminiu-siliciu. Un astfel de sistem de aliaje se caracterizează prin prezența unei compoziții pur eutectice - pentru un aliaj Al-Si, compoziția eutectică este de 11,7% Si + Al - restul.

Aliajele eutectice au o temperatură de solidus strict definită; în special pentru aliajele Al-Si, temperatura solidului este de 588°C.

La această temperatură are loc sfârșitul solidificării la toate concentrațiile de siliciu. Un aliaj pur eutectic al acestui sistem are o concentrație de siliciu de 11,7%, solidificarea lui are loc la o temperatură constantă de 588°C (fără interval de solidificare). Aliajul turnat Ak12 este considerat un aliaj pur eutectic. Aliajele cu o concentrație de siliciu mai mică de 11,7% Si sunt hipoeutectice și au structura: a + eutectic, unde a este o soluție solidă de siliciu în aluminiu, are o concentrație foarte scăzută de siliciu și este aluminiu aproape pur. Aliajele cu o concentrație de siliciu mai mare de 11,7% sunt hipereutectice și se caracterizează prin structura: siliciu + eutectic. Aliajele hipoeutectice și hipereutectice se solidifică în intervalul de temperatură, dar la aceeași temperatură de solidus de 588°C.

Cu mult mai puțină utilizare în tehnologie sunt aliajele caracterizate prin diagrame de stare de tip peritectic; precum şi aliaje cu diagrame de fază având compuşi chimici.

În plus, majoritatea aliajelor sunt multicomponente, adică. conțin nu unul, ci mai multe elemente de aliere. În acest caz, diagrama de stare nu poate fi reprezentată printr-o imagine plată. Deci aliajele din trei elemente sunt reprezentate printr-o diagramă de stare într-o imagine tridimensională: un triunghi echilateral stabilește compoziția aliajelor, iar perpendicularele de la colțurile pe planul triunghiului reflectă valoarea temperaturii; transformările de fază într-un aliaj cu trei componente sunt reprezentate de suprafețe deasupra planului unui triunghi echilateral. Pentru o imagine plată, atunci când se analizează astfel de diagrame, se folosesc secțiuni politermale (secțiune cu un plan vertical) și secțiuni izoterme (secțiune cu un plan orizontal). Cu toate acestea, cel mai adesea un aliaj multicomponent este considerat un aliaj cu două componente cu o reprezentare plată a diagramei de fază. Elemente de aliere în efectul lor asupra tranziții de fază sunt luate în considerare prin introducerea factorilor de reducere la elementul de aliere principal.

Pe fig. este prezentată diagrama de fază a Al—Mg. Partea din mijloc a diagramei este prezentată mărită.
În sistem se formează fazele β(Al3Mg2), y(Al12Mgl7), ζ(Al52Mg48), ε(Al30Mg23). Fazele β și γ se topesc congruent la temperaturi de 453 și, respectiv, 460°C. Fazele ε și ζ sunt formate prin reacții peritectice la temperaturi de 450, respectiv 452°C.
Există trei echilibre eutectice în sistem: L ↔Mg+ γ la 438°C, L ↔(A1) + β la 450°C, L ↔ε + β la 448°C, precum și două echilibre eutectoide ε↔ β + ζ la -428 °C și ζ ↔β + γ la 410 °C.
Solubilitatea Mgv (A1) a fost studiată în multe lucrări.

Solubilitate Mg:

% (at.) ......................

% (în masă) ..............

Solubilitatea maximă a Mg în (A1) a fost determinată a fi de 16,5% (at.), precum și într-un număr de alte lucrări în care metoda de analiză cu raze X nu a fost utilizată. Diferă și datele privind solubilitatea A1 în (Mg) obținute în diferite studii. Cele mai probabile valori sunt următoarele:

Solubilitate Al:

% (at.) .....................

% (în masă) ..............

Surse:

1. Diagrame de stare ale sistemelor binare și multicomponente bazate pe fier. Bannykh O. A., Budberg P. B., Alisova S. P. și colab. Metalurgie, 1986
2. Sisteme duble și multicomponente pe bază de cupru. ed. Shukhardina S.V. Știință, 1979
3. Diagrame de stări ale sistemelor metalice binare ed. Lyakisheva N.P. Inginerie mecanică, 1996-2000

Aluminiul este unul dintre cele mai importante materiale folosite in industria electronica, atat in forma sa pura, cat si in numeroase tipuri de aliaje pe baza acestuia. Aluminiul pur nu are modificări alotropice, are conductivitate termică și electrică ridicată, care sunt 62-65% din cele pentru cupru. Punctul de topire al aluminiului este de 660 °C, punctul de fierbere este de 2500 °C. Duritatea aluminiului pur este de 25 HB Brinell. Aluminiul este ușor de prelucrat prin tăiere, tragere, presiune.

La contactul cu aerul, pe suprafața de aluminiu se formează o peliculă de oxid de protecție neporoasă de aproximativ 2 nm grosime (20 A), protejând-o de oxidarea ulterioară. Aluminiul are o rezistență scăzută la coroziune în soluții alcaline, acizi clorhidric și sulfuric. Acizii organici și acidul azotic nu acționează asupra acestuia.

Industria produce mai multe clase de aluminiu: puritate specială, puritate ridicată și puritate tehnică. Aluminiul de înaltă puritate A999 conține nu mai mult de 0,001% impurități; clase de puritate ridicată A995, A99, A97 și respectiv A95 - nu mai mult de 0,005; 0,01; 0,03 și 0,05% impurități; gradul de puritate tehnică A85 - nu mai mult de 0,15% impurități.

În electronică, aluminiul pur este utilizat în producția de condensatoare electrolitice, folii și, de asemenea, ca ținte în formarea pistelor conductoare de aluminiu ale dispozitivelor microelectronice folosind metode de pulverizare termică, ion-plasmă și magnetron.

De cel mai mare interes pentru electronică sunt aliajele bazate pe sistemele „aluminiu-cupru” și „aluminiu-siliciu”, care alcătuiesc două grupuri mari de aliaje forjate și turnate utilizate ca materiale structurale.

Pe fig. 2.7 prezintă diagrama de echilibru a stării sistemului „aluminiu – cupru” din partea aluminiului. Aliajul eutectic din acest sistem conține 33% cupru și are un punct de topire de 548°C. Odată cu creșterea conținutului de intermetalic din aliaj, rezistența aliajului crește, dar prelucrabilitatea sa se deteriorează. Solubilitatea cuprului în aluminiu la temperatura camerei este de 0,5% și atinge 5,7% la temperatura eutectică.

Aliajele cu un conținut de cupru de până la 5,7% pot fi transferate într-o stare monofazată prin stingerea lor de la o temperatură deasupra liniei B.D.În același timp, aliajul întărit are o ductilitate suficientă cu rezistență moderată și poate fi prelucrat prin deformare. Cu toate acestea, soluția solidă formată după călire este neechilibrată, iar în ea au loc procesele de precipitare a compușilor intermetalici, însoțite de o creștere a rezistenței aliajelor. La temperatura camerei, acest proces durează 4-6 zile și se numește îmbătrânirea naturală a aliajului. Accelerarea procesului de îmbătrânire a materialului este asigurată prin menținerea acestuia la o temperatură ridicată, acest proces se numește îmbătrânire artificială.

Orez. 2.7. Diagrama de stare a sistemului aluminiu-cupru Altă grupă aliaje de aluminiu, numite aliaje de turnare a aluminiului sau silumini, sunt aliaje bazate pe sistemul aluminiu-siliciu. Diagrama de stare a acestui sistem este prezentată în fig. 2.8.

Orez. 2.8.

Aliajul eutectic conține 11,7% siliciu și are un punct de topire de 577°C. Acest sistem nu formează compuși intermetalici. Aliajele eutectice au o turnare bună și proprietăți mecanice satisfăcătoare, care se îmbunătățesc prin introducerea de până la 1% compuși de sodiu în aliaj.

Pe baza de aluminiu, sunt produse un număr mare de aliaje diferite, caracterizate prin densitate scăzută (până la 3 g / cm 3), rezistență ridicată la coroziune, conductivitate termică, conductivitate electrică, rezistență la căldură, rezistență și ductilitate la temperaturi scăzute și reflectivitate bună a luminii. Straturile de protecție și decorative se aplică cu ușurință la produsele din aliaje de aluminiu, sunt ușor prelucrate și sudate prin sudură prin rezistență.

Aliajele de aluminiu, împreună cu metalul de bază aluminiu, pot conține unul sau mai multe dintre cele cinci componente principale de aliaj: cupru, siliciu, magneziu, zinc și mangan, precum și fier, crom, titan, nichel, cobalt, argint, litiu, vanadiu. , zirconiu, staniu, plumb, cadmiu, bismut etc. Componentele de aliere se dizolvă complet în aluminiu lichid la o temperatură suficient de ridicată. Solubilitatea în stare solidă cu formarea unei soluții solide pentru toate elementele este limitată. Particulele nedizolvate fie formează cristale independente, cel mai adesea dure și casante în structura aliajului, fie sunt prezente sub formă de elemente pure (siliciu, staniu, plumb, cadmiu, bismut), fie sub formă de compuși intermetalici cu aluminiu ( A 2 Cu; Al 3 mg2 ; Al6Mn; AlMn; Al 3 Fe; A 7 Cr; Al3Ti; Al3Ni; AlLi).

În aliaje cu două sautrei componente de aliere, compușii intermetalici fac parte din dublu ( mg2 Si, Zn 2 , Mg), ternar [ α (AlFeSi )] și faze mai complexe.

Soluția solidă rezultată și prezența componentelor structurale eterogene determină proprietățile fizice, chimice și tehnologice ale aliajelor. Influența alierei asupra structurii aliajelor este descrisă printr-o diagramă de fază, care determină natura cursului procesului de solidificare, compoziția fazelor rezultate și posibilitatea diferitelor transformări în stare solidă. Pe fig. Sunt luate în considerare 1 - 9 diagrame de stare ale aliajelor de aluminiu binare și ternare.

Aliaj Sisteme Al-Cu. Din diagramă se poate observa că atunci când conținutul de cupru este de la 0 la 53%, există un sistem eutectic simplu Al(α ) - Al 2 Cu(θ) cu eutectic la o temperatură de 548°C și un conținut de 33% Cu. Solubilitatea maximă (la temperatura eutectică) a cuprului în α -soluție solidă - 57%. Solubilitatea cuprului scade odată cu scăderea temperaturii și la o temperatură de 300°C este de 0,5%. Cuprul nedizolvat este în echilibru sub forma fazei A 2 Cu. La temperaturi medii, ca urmare a descompunerii unei soluții solide suprasaturate, se formează faze intermediare metastabile (θ " și θ ").

Aliaj Al sisteme -Si. Sistemul este pur eutectic, existând la o temperatură de 577°C și un conținut de 12,5% Si. În α -soluția solidă la această temperatură se dizolvă 1,6 % Si . Cristalizarea siliciului eutectic poate fi afectată de un ușor adaos de sodiu. În acest caz, apare o suprarăcire dependentă de viteza de solidificare și o deplasare a punctului eutectic cu o rafinare corespunzătoare a structurii eutectice.

Aliaj Al-Mg sistemic. Intervalul de conținut de magneziu din aliaj de la 0 la 37,5% este eutectic. Eutecticul există la o temperatură de 449°C și un conținut de 34,5% mg . Solubilitatea magneziului la această temperatură este maximă și este de 17,4%. La o temperatură de 300°C în α -soluția solidă se dizolvă 6,7% Mg; la 100°C - l,9% Mg . Magneziul nedizolvat se găsește în structură cel mai adesea sub formă faza p (Al3Mg 2 ).

Aliaj sisteme Al-Zn. Aliajele acestui sistem formează un sistem eutectic la o temperatură de 380°C cu un eutectic bogat în zinc la un conținut de 97% Zn . Solubilitatea maximă a zincului în aluminiu este de 82%. În zona α -solutie solida sub temperatura de 391°C exista un gol. îmbogățit cu zinc α -faza la temperatura de 275°C se descompune cu formarea unui amestec eutectic de aluminiu cu 31,6% Zn şi zinc cu 0,6% Al. În plus, solubilitatea zincului scade și la o temperatură de 100°C este de numai 4%.

Diagramele de stare ale aliajului sisteme Al-Mn, Al - Fe indica existenta eutecticelor la concentratii foarte mici de elemente de aliere. Cu excepția manganului, solubilitatea elementelor în stare solidă este neglijabilă, de exemplu, fierul< 0,05%.

în aliaje sisteme Al-Ti (vezi fig. 1.14), Al- C rsolubilitatea elementelor este de zecimi de procente.

LA aliaj Sisteme Al-Pb Pe măsură ce temperatura scade, componentele se separă deja în topitură cu formarea a două faze lichide. Solidificarea începe aproape la temperatura de topire a aluminiului și se termină la temperatura de topire a elementului de aliere (cristalizare monoeutectică).

Aliaj Sisteme Al - Mg - Si constă din două eutectice triple. Triplu eutectic Al - Mg 2 Si - Si conţinând 12% Si şi 5% Mg , se topește la 555°C. eutectic Al - Mg 2 Si-AlbMg2 cu un punct de topire de 451°C aproape nu diferă de sistemul binar Al-Al3Mg2 . Linia liquidus care leagă ambele puncte eutectice triple trece printr-un maxim la o temperatură de 595°C exact de-a lungul secțiunii transversale cvasibinare (8,15% Mg şi 4,75% Si ). Datorită excesului de magneziu (în raport cu mg 2 Si ) solubilitatea siliciului în α -solutia solida este mult redusa. Aliaje Al - Mg , în special turnătoriile, conțin câteva zecimi de procent de siliciu și, prin urmare, aparțin unui sistem parțial Al - Mg 2 Si - Al 3 Mg 2 .

Aliaj Sisteme Al-Cu-Mg. Diagrama de stare a acestui sistem arată că împreună cu faze duble A 3 Mg 2 (β ) și Al 2 Cu(θ) în echilibru cu o soluție solidă α poate conține două faze triple S și T. În spatele transformării peritectice la un conținut ridicat de cupru se formează o secțiune transversală apropiată de cea cvasibinară A l-S (temperatura eutectică 518°C) și regiunea eutectică parțială Al - S - Al 2 Cu (temperatura eutectică 507°C). faza T bogată în magneziu ( Al 6 Mg 4 Cu ) apare pe baza fazei S ca urmare a unei reacţii peritectice în patru faze la o temperatură de 467°C. La o temperatură de 450°C, are loc o reacție ulterioară peritectică în patru faze, conform căreia faza T este transformată în β.

Aliaj Sisteme Al-Cu-Si. Diagrama de stare a aliajului arată că aluminiul formează cu siliciul și faza A 2 Cu un sistem parțial eutectic ternar simplu (temperatura eutectică 525°C). Prezența comună a cuprului și siliciului nu afectează solubilitatea lor reciprocă în α -solutie solida.

Aliaj sisteme Al-Zn-Mg. În construcția colțului de aluminiu al sistemului sunt implicate faze duble Al3Mg 2 , MgZn 2 și faza ternară T, corespunzătoare compoziției chimice medii Al 2 Mg 3 Zn 3 . Secțiuni transversale Al - MgZn 2 și Al -T rămân cvasibinare (temperatura eutectică 447°C). Într-o zonă parțială Al-T-Zn la o temperatură de 475°C are loc o reacție peritectică în patru faze, conform căreia faza T este transformată în faza MgZn 2 . Ulterior, în timpul trecerii unei reacții în patru faze la o temperatură de 365°C din faza MgZn2 la un continut mare de zinc se formeaza o faza MgZn 5 , care, împreună cu aluminiul și zincul, cristalizează prin reacție eutectică la o temperatură de 343°C.

În aliajele pe bază de aluminiu, aliarea cu componentele principale este asigurată în așa fel încât conținutul total al acestora să fie sub solubilitatea maximă. Excepție este siliciul, care, datorită proprietăților mecanice favorabile ale eutecticului, este utilizat în concentrații eutectice și hipereutectice.

Impuritățile și aditivii pot modifica diagrama de fază doar puțin. Aceste elemente sunt cel mai adesea ușor solubile în soluție solidă și formează precipitate eterogene în structură.

Datorită alinierii incomplete a concentrației în cristalele primare ale soluției solide de aluminiu în timpul solidificării sale, regiunile eutectice pot apărea în structură la o concentrație sub solubilitatea maximă, în special în starea turnată. Ele sunt situate de-a lungul granițelor boabelor primare și interferează cu prelucrabilitatea.

Deoarece aditivii de aliere se dizolvă în soluție solidă, componentele structurale eterogene pot fi eliminate prin încălzire prelungită la temperaturi ridicate (omogenizare) prin difuzie. În timpul deformării la cald, precipitatele fragile de-a lungul limitelor de cereale sunt distruse mecanic și distribuite în structură într-un mod de linie. Acest proces este caracteristic transformării unei structuri turnate într-una deformată.

Aliajele de aluminiu conform metodei de prelucrare sunt împărțite în forjat și turnat.

Noi plăci pe bază de aluminiu sunt în prezent dezvoltate pentru a extinde și mai mult domeniul de aplicare al acestor materiale. Deci, pentru proiectul unei aeronave ecologice care funcționează pe hidrogen lichid (temperatura sa este de -253 ° C), a fost necesar un material care să nu devină fragil la temperaturi atât de scăzute. Aliajul O1420 pe bază de aluminiu aliat cu litiu și magneziu, dezvoltat în Rusia, îndeplinește aceste cerințe. În plus, datorită faptului că ambele elemente de aliere din acest aliaj sunt mai ușoare decât aluminiul, este posibil să se reducă greutatea specifică a materialului și, în consecință, masa de zbor a mașinilor. Combinând rezistența bună inerentă duraluminului și densitatea scăzută, aliajul are și o rezistență ridicată la coroziune. Astfel, știința și tehnologia modernă se îndreaptă către crearea de materiale care combină setul maxim posibil de calități utile.

De remarcat, de asemenea, că în prezent, alături de marcarea tradițională alfanumerice, există și o nouă marcare digitală a aliajelor de aluminiu - vezi fig. 3 și masa. zece.

Imaginea 3 - Principiul marcajului digital al aliajelor de aluminiu

Tabelul 10

Exemple de denumiri folosind noile marcaje

elemente de aliere	Marcare
	Tradiţional
Al (pur)

Bibliografie

1. Kolachev B.A., Livanov V.A., Blagin V.I. Știința metalelor și tratamentul termic al metalelor și aliajelor neferoase. M.: Metalurgie, 1972.-480 p.

2. Lakhtin Yu.M., Leontieva V.P. Stiinta Materialelor. M.: Mashinostroenie, 1990.-528 p.

3. Gulyaev A.P. Știința metalelor. M.: Metalurgie, 1986.-544 p.

4. Enciclopedia materialelor anorganice. Volumul 1.: Kiev: Redactor-șef al Enc. Sov. ucraineană, 1977.-840 p.

5. Enciclopedia materialelor anorganice. Volumul 2.: Kiev: Redactor-șef ucrainean Sov. Enc., 1977.-814 p.

6. Știința materialelor și tehnologia materialelor. Fetisov G.P., Karpman M.G., Matyunin V.M. etc M. - V.Sh., 2000.- p.182

Atasamentul 1

Diagrama de stare a Al-Mg (a) și dependența proprietăților mecanice

aliaje din conținut de magneziu (b)

Anexa 2

diagrama de stareAl - Cu:

linie întreruptă - temperatura de întărire a aliajelor

Anexa 3

diagrama de stareAl – Si(a) și efectul siliciului

pe proprietăți mecanice aliaje

Introducere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ………patru

1 Aluminiu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ......patru

2 Aliaje pe bază de aluminiu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ......5

2.1 Aliaje de aluminiu forjat,

neîntărit prin tratament termic. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .......6

2.2 Aliaje de aluminiu forjat,

întărit prin tratament termic. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .......7

2.3 Aliaje de aluminiu turnat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ......unsprezece

2.4 Aliaje produse prin metalurgia pulberilor………………..…..14

Concluzie………………………………………………………….……..……..16

Referințe…………………………………………………………………………...17

Atasamentul 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …. . . . . . . . . . . . . . . . . . . ….19

Anexa 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . ….. douăzeci

Anexa 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . ….21

Departamentul de Fundamente Teoretice ale Științei Materialelor