Диаграмма состояния сплава Cu – Ni

1. Диаграмма состояния сплава Cu – Ni.

 

По заданию  надо рассмотреть сплав медь-никель (Cu – Ni).

Это двухкомпонентный сплав, состоящий из двух компонентов  – меди (Cu) и никеля (Ni).

 

1. Общие сведения о составе сплава

 

Медь (Cu) – металл красного, в изломе розового цвета. Металл имеет гранецентрированную кубическую решетку с параметром а = 3,6074 Å; плотность 8,96 г/см3 (20 °С). Температура плавления (t_пл) 1083°С; температура кипения (t_кип) 2600 °С; удельная теплоемкость (при 20 °С) 385,48 дж/(кг·К), т.е. 0,092 кал/(г·°С). Наиболее важные и широко используемые свойства меди: высокая теплопроводность – теплопроводность при 25°C 90,1 вт/(м·К) [0,215 кал/(см·сек·°С)]; тоже при 500 °C 60,01 вт/(м·К) [0,148 кал/(см·сек·C°)]. малое электрическое сопротивление - при 20°С 1,68·10-8 ом·м.

 

Никель (Ni) – серебристо-белый металл, ковкий и пластичный. Металл имеет гранецентрированную кубическую решетку с параметром а = 3,5236Å; плотность 8,9 г/см3 (20 °С). Температура плавления (t_пл) 1453°С; температура кипения (t_кип) около 3000°С; удельная теплоемкость (при 20 °С) 0,440 кдж/(кг·К), т.е. 0,105 кал/(г·°С). Наиболее важные и широко используемые свойства никеля: высокая теплопроводность - при 20°С 394,279 вт/(м·К.), то есть 0,941 кал/(см·сек·°С); малое электрическое сопротивление - при 20°C 68,4 ном·м, т.е. 6,84 мком·см;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Общий анализ диаграммы. Определение фазового состава

 

Диаграмма состояния  сплава Cu – Ni представлена на рисунке 3.

Сплавляемые компоненты полностью растворяются друг в друге, как в жидком, так и в твердом  состоянии.

Компоненты: Cu – медь – левая ордината;

Ni – никель – правая ордината;

К=2

Фазы: Ж – жидкий раствор (это область выше линии A13B);

α – неограниченный твердый раствор Ni в Cu (это область ниже линии A24B).

Ф=2

Согласно правилу  фаз: С=К-Ф+1=2-2+1=1

Система моновариантная. С изменением температуры изменяется концентрация компонентов в фазах.

Линия A13B – линия ликвидус. Линия A24B – линия солидус. Между линиями ликвидус и солидус сплав находится в двухфазовом состоянии – Ж+ α. В двухфазной области фазовый состав определяют по правилу коноды. В области A1B2A две коноды – это линии e”e’ (для сплава II) и d”d’ (для сплава I). Точки e” (для сплава II) и d” (для сплава I) граничат с областью жидкого раствора, а точки e’ и d’ – твердого раствора. Следовательно, в области в равновесии две фазы – Ж + α.

Для сплава I: (.)1 – начало кристаллизации

 (.)2 – конец кристаллизации

Для сплава II: (.)3 – начало кристаллизации

(.)4 – конец  кристаллизации

Точка А –  точка температуры плавления  меди (1083ºС).

Точка В –  точка температуры плавления  никеля (1453ºС).

Рисунок 1 Диаграмма состояния сплава медь-никель Cu-Ni

3. Определение химического состава фаз. Определение количественного отношения фаз.

 

Сплав I

Химический  состав сплава:

(50% Ni+50% Cu) масса 420кг.

T₁=1250°С фаза Ж + α

В двухфазной области  химический состав фаз определяют по точкам пересечения коноды с линиями  диаграммы состояния сплава. Точки, лежащие на линии ликвидус, покажут химический состав жидкого раствора, а на линии солидус – твердой фазы.    

Химический состав фаз:

Ж – 28% Ni+72% Cu(проекция т.d’ на ось концентрации)

α – 70% Ni+30% Cu (проекция т. d” на ось концентрации)

 

В двухфазной области  массу фазы определяем по правилу отрезков. По этому правилу всю коноду принимаем за массу сплава q=1. Ордината сплава делит коноду на два отрезка, противолежащий фазовой области отрезок покажет ее количество. Обозначим количество жидкого раствора q_ж, а количество твердого раствора q_α, тогда

Количество фаз:

 

 

Масса фазы: α =220,08 кг

Масса фазы: Ж =199,92 кг

T₂=1400°С фаза Ж

В однофазной области  масса фазы  равна массе сплава, т.е.

 

 

Сплав II

Химический  состав сплава:

(80% Ni+20% Cu) масса 650кг.

T₁=650°С фаза Ж + α

В двухфазной области  химический состав фаз определяют по точкам пересечения коноды с линиями  диаграммы состояния сплава. Точки, лежащие на линии ликвидус, покажут химический состав жидкого раствора, а на линии солидус – твердой фазы.    

Химический состав фаз:

Ж – 53% Ni+47% Cu(проекция т.e’ на ось концентрации)

α – 87% Ni+13% Cu (проекция т. e” на ось концентрации)

 

В двухфазной области  массу фазы определяем по правилу  отрезков. По этому правилу  всю  коноду принимаем за массу сплава q=1. Ордината сплава делит коноду на два отрезка, противолежащий фазовой области отрезок покажет ее количество. Обозначим количество жидкого раствора q_ж, а количество твердого раствора q_α, тогда

Количество фаз:

 

 

Масса фазы: α =518,05 кг

Масса фазы: Ж =131,95 кг

T₂=800°С фаза α

В однофазной области  масса фазы  равна массе сплава, т.е.

 

 

 

 

4. Определение структуры сплава.

 

Структура формируется  в процессе охлаждения сплава как  следствие фазовых и структурных превращений в зависимости от того, какие фазы, в каком порядке и в каком количестве выделяются из жидких или твердых растворов. В рассматриваемой диаграмме состояния при охлаждении есть только одно превращение – кристаллизация жидкого с образованием твердого раствора .

Рассмотрим отдельно сплав I и II.

При охлаждении сплава (ордината I, рисунок 4) в интервале температур фазовых превращений нет. Жидкий раствор охлаждается. Точка 1 лежит на линии ликвидус, а точка 2 – на линии солидус, поэтому в интервале температур жидкость кристаллизуется с образованием твердого раствора α. При этом химический состав жидкого раствора меняется по линии ликвидус, а твердого раствора α – по линии солидус.

 

Другими словами, химический состав фаз при

 

 

В точке 2 кристаллизация заканчивается и, при дальнейшем охлаждении, превращений нет.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4 Диаграмма состояния и кривая охлаждения для сплава I

 

 

 

Таблица 1. Формирование структуры в сплавах диаграммы

Сплав I Химический состав сплава – ().

 

Температурный интервал	Фазовое превращение	Формирование  структуры
	-	Ж, qж=1
		Ж + α
	-	α, q2=1

 

Для сплава II характерны следующие состояния:

При охлаждении сплава (ордината II, рисунок 5) в интервале температур T>3 фазовых превращений нет. Жидкий раствор охлаждается. Точка 3 лежит на линии ликвидус, а точка 4 – на линии солидус, поэтому в интервале температур жидкость кристаллизуется с образованием твердого раствора α. При этом химический состав жидкого раствора меняется по линии ликвидус, а твердого раствора α – по линии солидус.

 

Другими словами, химический состав фаз при

 

 

В точке 4 кристаллизация заканчивается и, при дальнейшем охлаждении, превращений нет. В точке m сплав находится в твердом состоянии и продолжает охлаждаться.

 

Таблица 2. Формирование структуры в сплавах диаграммы

Сплав II Химический состав сплава – (80% Ni+20% Cu).

 

Температурный интервал	Фазовое превращение	Формирование  структуры
T>3	-	Ж, qж=1
		Ж + α
	-	α, q4=1
	-	α, qm=1

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5 Диаграмма состояния и кривая охлаждения для сплава II

 

Список использованных источников

 

1. Гуляев А.П. Металловедение. – 5-е изд., перераб. – М.: Издательство «Металлургия», 1978. – 648 с.: ил.
2. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник: в 3т.: Т.1 / Под общ. ред. Н.П. Лякишева. – М.: Машиностроение, 1996. – 992 с.: ил
3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.: ил.
4. Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. – 3-е изд., стереотип. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 648 с.: ил.
5. Одинокова Л.П. Строение сплавов. Методические указания к расчетно-графической работе по материаловедению для студентов машиностроительных специальностей. – Орел,1997. – 28с.
6. Основы материаловедения. Учебник для вузов. Под ред. И.И. Сидорина. – М.: Машиностроение, 1976. – 436с.