tihonova (523116), страница 15
Текст из файла (страница 15)
В то же время наличиелегкоплавкого ледебурита в сплавах повышает литейные свойства - сплавы с С>2,14%называются чугунами.Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой Fe-Fe3C, отличаются высокойхрупкостью. Цвет излома их серебристо-белый. Такие чугуны называют белыми чугунами, вотличие от серых, ковких и высокопрочных чугунов, в структуре которых углерод восновном находится в виде графитовой фазы.Как видно из диаграммы Fe-Fe3C, фазовый состав сталей и чугунов при нормальнойтемпературе один и тот же Ф+Ц. Но свойства сплавов очень сильно различаются, отсюдавывод: основным фактором, определяющим свойства сплавов железо-углерод, является ихструктура.По количеству углерода и структуре стали подразделяют на:1) доэвтектоидные 0,02<С<0,8 со структурой П+Ф2) эвтектоидные С=0,8%. Структура П3) заэвтектоидные 0,8<С<2,14%.
Структура П+ЦIIПо количеству углерода и структуре белые чугуны подразделяют на:1) доэвтектические 2,14<С<4,3% со структурой П+Л+ЦII2) эвтектические С=4,3% - структура Л3) заэвтектические 4,3<С<6,67%. Структура Л+ЦIIМногокомпонентные системыПомимо двойных сплавов в технике применяются сплавы более сложного состава,диаграммы состояния которых несравнимо более сложны.Фазовые превращения в тройных сплавах характеризуются с помощью тройных диаграммсостояния.Тройные диаграммы являются пространственными фигурами. Составы тройных сплавовотображают на плоскости с помощью так называемого концентрационного треугольника,вершины которого соответствуют чистым компонентам, а стороны - составам двойныхсплавов. Любая точка внутри треугольника соответствует тройному сплаву определенногосостава.
По вертикали откладывается температура.Таким образом, тройная диаграмма состояния представляет собой трехгранную призму, восновании которой находится концентрационный треугольник, а гранями являютсядиаграммы состояния двойных сплавов А-В, В-С, С-А, сверху тройная диаграмма ограниченасложной поверхностью ликвидус, примыкающей к линиям ликвидус двойных сплавов.Применение пространственных диаграмм сложно и недостаточно наглядно. Поэтому обычнона концентрационный треугольник наносят линии, соответствующие одинаковымтемпературам - изотермы.Лекция 11.
Диффузия в твердых телахЗаконы диффузии. Коэффициенты диффузии. Основные механизмы процесса диффузииДиффузионные процессы оказывают существенное влияние на строение металлов и напроцессы фазовых превращений.Диффузия - это перемещение атомов, обусловленное их тепловым движением в жидкой илитвердой фазе, на расстояние больше периода решетки. Элементарный акт диффузии состоит вскачкообразном перемещении атома на расстояние, соизмеримое с периодом решетки.Различают два вида диффузионного перемещения атомов в металлах: а) самодиффузия, когдапроисходит перемещение атомов основного металла в собственной кристаллическойрешетке, б) гетеродиффузия, когда происходит перемещение инородных (растворенных)атомов в чужой кристаллической решетке.В первом случае в результате хаотического теплового движения отдельные атомы основногометалла время от времени меняют места в своей кристаллической решетке, совершаяперескок из одного положения в другое.
Этот процесс перемещения однородных атомовпроисходит непрерывно и хаотически по направлению и не изменяет концентрации.Во втором случае перемещение инородных атомов происходит в направлении от мествысокой концентрации к местам низкой концентрации. Этот процесс совершаетсясамопроизвольно, так как состояние с неравномерной концентрацией обладает большейсвободной энергией, чем состояние с равномерным распределением растворенных атомов.Рассмотрим механизмы диффузии.В любом веществе происходит флуктуация тепловых колебаний, в результате которойотдельные атомы приобретают значительно большую энергию, чем средний уровень энергииатомов, характеризуемый температурой данного тела. Эти атомы могут покидатьравновесные положения в узлах решетки и перемещаться в междоузлиях, оставляя места вузлах решетки незанятыми.Атом, расположенный в междоузлии решетки, называется дислоцированным атомом, а узел вкристаллической решетке, не занятый атомом, называется вакансией. Для атомов вокругвакансии или дислоцированного атома нарушается равномерность окружения атомамисоседями по сравнению с бездефектными участками решетки.
В результате этого вокругвакансии или вокруг дислоцированного атома возникает поле упругих искаженийкристаллической решетки.Гипотетический механизм гетеродиффузии, который аналогичен механизму самодиффузии,описан Я.И.Френкелем. Если по соседству с атомом А (рис. 11.1)имеется вакансия (дырка), то он может легко переместиться со своего места в дырку, наместо атома А встанет атом В, на место атома В - атом С и т.д. Одновременно сперемещением атомов происходит как бы перемещение "дырки".
Процесс гетеродиффузииудобнее описывать как перемещение инородных атомов, а процесс самодиффузии - какперемещение "дырок".Для того, чтобы атом А перешел из своего исходного положения в соседнюю "дырку", ондолжен предварительно занять промежуточное положение в междоузлии. Работа, котораятребуется для того, чтобы вырвать атом из регулярного положения, называется энергиейактивации и является важнейшей характеристикой способности атомов к перемещению.Величина эта не зависит от температуры, а определяется природой вещества.Кроме "дырочного" механизма возможны и другие диффузионные процессы: перемещениедислоцированного атома из одного междоузлия в другие или обмен местами двух соседнихатомов. "Дырочный" механизм осуществим наиболее легко. По расчетам самодиффузии медиэнергия активации процесса для дырочного механизма 64 ккал/г-атом, перемещениядислоцированного атома 230 ккал/г-атом и при обменном механизме 400 ккал/г-атом.Поэтому диффузия реально протекает путем дырочного механизма, значение другихспособов перемещения ничтожно мало.Влияние температуры, значительно ускоряющее диффузионные процессы, обусловлено тем,что с повышением температуры увеличиваются тепловые колебания и благодаря этомуувеличивается число "дырок" в решетке.Количественно процесс диффузии характеризуется т.
наз. коэффициентом диффузии.Число диффундирующих атомов пропорционально концентрации. Аналогичнорезультирующий поток J в заданный момент времени пропорционален градиентуконцентрации:J = - D * dC/dx. (11.1)Константа D называется коэффициентом диффузии, а уравнение (11.1) известно как первыйзакон Фика. Знак минус в этом уравнении означает, что поток направлен по градиентуконцентрации. Коэффициент диффузии равен количеству вещества, продиффундировавшегочерез площадку 1 кв.см в течение секунды при перепаде концентраций по обе стороныплощадки, равном единице (0 и 100% вещества В), и имеет размерность кв.см/с.Зависимость D от температуры выражается уравнениемгде D0 - экспериментально найденный коэффициент, зависящий от кристаллической решетки,е - основание натуральных логарифмов,Q - энергия активации,R - газовая постоянная,T - температура.Так как R и Q не зависят от температуры, то для данного вещества коэффициент диффузииочень сильно зависит от температуры (рис.
11.2а), а в координатах lgD и 1/T эта зависимостьизобразится прямой линией (рис. 11.2б).Из уравнения (11.2) следует, что коэффициент диффузии веществ чрезвычайно сильнозависит от уровня энергии активации: чем больше Q, тем меньше D.В твердых растворах внедрения процесс диффузии облегчается тем, что не требуется выводаатома (иона) растворителя в иррегулярное положение, поэтому энергия активации меньше,чем при образовании твердых растворов замещения. Например, при диффузии углерода вВ случае диффузии металлов вКоэффициенты диффузии в этих случаяхразличаются в тысячи и десятки тысяч раз.
Так, для сталидлядля диффузии молибдена.диффузии углерода иПродолжительность процесса химико-термической обработки определяется требуемойглубиной диффузионного слоя. При постоянных параметрах процесса увеличение глубиныслоя во времени подчиняется параболическому закону: чем больше толщина ужеимеющегося слоя, тем меньше он увеличивается за одинаковый отрезок времени.Некоторые особенности диффузии в металлах определяются их кристаллическим строением.Анизотропия свойств кристаллов проявляется и в отношении способности к диффузии.Диффузия меди в гексагональном цинке протекает в разных направлениях с различнойскоростью: в плоскости базы быстрее, в направлении главной оси медленнее.
В решетках сбольшой симметрией (кубических) диффузия зависит от ориентации незначительно.Границы зерен являются участками, в которых диффузионные процессы облегчены ввидуналичия в этих местах дефектов кристаллического строения. Если растворимостьдиффундирующего вещества в металле мала, то часто наблюдается преимущественнаядиффузия по границам зерен. В случае значительной растворимости диффундирующегоэлемента в основном металле роль пограничных слоев уменьшается. В момент фазовыхпревращений диффузия протекает быстрее.Концентрационные кривые.
Эффект Киркендалла.За исключением специальных случаев, диффузионный процесс в твердом теле не являетсястационарным, т.е. концентрация как функция расстояния зависит от времени. В некоторойточке в данный момент времени скорость изменения концентрации во временисо второй производной градиента концентрации через коэффициент диффузии:связанаЭто выражение - второй закон Фика, получено в предположении, что коэффициент диффузиине зависит от концентрации, и относится лишь к одномерной диффузии.Решение уравнения (11.3) для специального случая бесконечного источника (или стока) приполубесконечной пластине (атомы диффундируют в пластину, которая вправо простираетсядо бесконечности), имеет видгде Cп - концентрация на поверхности пластины, С0 - исходная концентрация в пластине, Сх концентрация на расстоянии х от поверхности. Величинапредставляет собойфункцию ошибок Гаусса, которая часто встречается при статистической обработке иприменима для диффузионных расчетов, т.к.
диффузия характеризуется случайнымиперемещениями атомов, поддающимися статистической обработке.Решение уравнения (11.3) для бесконечного стока идентично, уравнение (11.4) остаетсясправедливым. Однако концентрация на поверхности будет меньше исходной. Результатырешения приведены на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
