Файл: Курсовая. Анализ фазовых превращений в системе Cu-Sn.docx

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (национальный исследовательский университет)» (МАИ)

Кафедра «Материаловедение и технологии обработки материалов»






КУРСОВАЯ РАБОТА


по дисциплине «Современные проблемы материаловедения и технологии материалов и покрытий»


на тему «Анализ фазовых превращений в системе Cu-Sn»


Вариант № 19






Выполнила: Николаева М.В.

Группа: Т1О-105М-17

Проверил: Осинцев О.Е.

Оценка:





Москва 2017































Содержание

Задание………………………………………………………………………………….

1 Описание диаграммы состояния Cu-Sn…………………………………………….

1.1 Характеристика компонентов и фаз системы Cu-Sn……………………………….

1.2 Характеристика нонвариантных превращений в системе Cu-Sn…………………...

2 Анализ фазовых превращений в сплавах системы Cu-Sn………………….. …….

2.1 Фазовые превращения в сплаве X1 (14 ат. % Sn)…………………………………..

2.2 Фазовые превращения в сплаве X2 (24 ат. % Sn)…………………………………..

2.3 Фазовые превращения в сплаве X3 (26 ат. % Sn)…………………………………..

3 Построение графических зависимостей изменения количества фаз и процентного содержания Sn в фазах от температуры при охлаждении сплава из жидкого состояния до комнатной температуры………………………………………………..

3.1 Построение зависимости изменения относительного количества фаз сплава X4 (12 ат. % Sn) в зависимости от температуры………………………………………………

3.2 Построение зависимости изменения процентного содержания Sn в фазах сплава X4 (12 ат. % Sn) в зависимости от температуры…………………………………………..

Список ипользованных источников…………………………………………………..














1 Описание диаграммы состояния Cu-Sn

1.1 Характеристика компонентов и фаз системы Cu-Sn

Cu – медь – химический элемент I группы периодической системы Д.И. Менделеева. Атомный номер 29, атомная масса 63,546. Металл золотисто-розового цвета. Медь имеет гранецентрированную кубическую решетку с параметром a = 3,6074 Å. Плотность равна 8,92 г/см3. Температура плавления металла 1083°C. Теплопроводность меди 0,941 кал/(см·сек·°C), электрическое сопротивление 1,68·10-6 Ом·см, удельная теплоемкость 0,092 кал/(г·°C), коэффициент линейного расширения (0–100 °С) 16,6·10-6 1/°С. Медь диамагнитна. Модуль упругости 13200 кгс/мм2.

Sn – олово – химический элемент IV группы периодической системы Д.И. Менделеева. Атомный номер 50, атомная масса 118,71. В обычных условиях олово существует в виде β-модификации (белое олово), устойчивой выше 13,2 . Белое олово — это серебристо-белый, мягкий, пластичный металл, обладающий тетрагональной элементарной ячейкой, параметры a = 5,831 Å, c = 3,181 Å. При охлаждении белое олово переходит в α-модификацию (серое олово). Серое олово имеет структуру алмаза (кубическая кристаллическая решетка с параметром а = 6,491 Å). Из-за сильного различия структур двух модификаций олова разнятся и их электрофизические свойства. Так, β-Sn — металл, а α-Sn относится к числу полупроводников. Ниже 3,72 К α-Sn переходит в сверхпроводящее состояние. Плотность равна 7,31 г/см3. Температура плавления металла 232 °C. Теплопроводность олова 0,157 кал/(см·сек·°C), электрическое сопротивление 1,12·10-6 Ом·см, удельная теплоемкость 0,054 кал/(г·°C), коэффициент линейного расширения (0–100 °С) 22,4·10-6 1/°С. Модуль упругости (при 0 ) 5500 кгс/мм2.



Диаграмма состояния Cu-Sn подробно исследована во всей области концентраций сплавов. На рис. 1 и рис. 2 представлена диаграмма состояния Cu-Sn, построенная методами термического, металлографического и рентгеновского анализа [1].

Характеристика фаз системы Cu-Sn

В системе Cu-Sn существует восемь фаз α, β, γ, ε, δ (Cu31Sn8), ζ (Cu20Sn6), ε (Cu3Sn), η (Cu6Sn5), Sn.

В данной системе медь и олово образуют твердый раствор α на основе Cu, т.е. олово растворяется в меди. Данные по растворимости Sn в α приведены ниже:

Температура, ℃……………………………..

700

550

400

320

250

Растворимость Sn:

ат.% ………………………………………

8,7

9,1

7,7

7,3

5,7

вес.% ……………………………………..

15,10

15,80

13,50

12,80

10,10







Растворимость Cu в Sn в твердом состоянии при эвтектической температуре 227 ℃ составляет 0,01 ат. (0,006 вес.) % Cu.

L – жидкий раствор на основе компонентов Cu и Sn, которые ограниченно растворяются друг в друге.

α-фаза, твердый раствор на основе Cu, кристаллизуется из жидкости в интервале температур 1083‒798 ℃ при содержании до 15 ат.% Sn по линии ликвидуса. Ликвидус в интервале между температурой плавления Cu и температурой перитектического превращения при 798 ℃ несколько сдвинут в область более высоких температур.

Sn кристаллизуется из жидкости в узком интервале температур 232‒227 ℃ и концентрационной области 1,3 ат.% Cu.

β-фаза, твердый раствор на основе Sn, существует при температурах между 798 и 586 ℃ в узкой концентрационной области (наибольшая протяженность ее составляет ~ 3 ат.% при 755 ℃). При температуре 586 ℃ фаза β претерпевает эвтектоидный распад: β (14,9 ат.% Sn) ↔ α (9,1 ат.% Sn) + γ (15,4 ат.% Sn).

γ-фаза имеет довольно значительную область гомогенности и существует в интервале температур 755–520 ℃. При температуре 640 ℃ фаза γ претерпевает превращение по кататектической реакции γ ↔ ε + L (43,1 ат.% Sn). При 520 ℃ фаза γ распадается по эвтектоидной реакции: γ (16,5 ат.% Sn) ↔ α (9,1 ат.% Sn) + δ (20,5 ат.% Sn).

ε (Cu3Sn) – конгруэтно плавящееся соединение, существует в интервале температур от 676 ℃ до комнатной и имеет небольшую область гомогенности, при 640 ℃ наибольшая ширина ее 1,5 ат.% Sn. При температуре 676 ℃ имеет место превращение γ ↔ ε.

ζ (Cu20Sn6) – инконгруэтно плавящееся соединение, существующее в узкой концентрационной области в интервале 640–582 ℃, и при температуре 582 ℃ претерпевает эвтектоидный распад (распадается ζ-фаза) по реакции ζ ↔ δ + ε.

δ (Cu31Sn8) – инконгруэтно плавящееся соединение, имеет узкую область гомогенности в интервале температур 590‒350 ℃ и при температуре 350 ℃ распадается по эвтектоидной реакции δ ↔ α + ε.

η (Cu6Sn5) – инконгруэтно плавящееся соединение, существует в узкой области составов и в интервале температур 189–186 ℃ происходит ее упорядочение с образованием η’ при 186 ℃ со стороны Sn и при 189 ℃ со стороны Cu.


Параметр решетки α-фазы увеличивается от 3,672 Å (при 150–250°) до 3,707 Å (при 550–700°).

Кристаллическая структура фаз приведена в табл. 1. Параметр решетки (Cu) для сплава с 6,6 ат.% Sn увеличивается от 0,3672 нм при температуре 150‒250 ℃ до 0,3707 нм при 550‒700 ℃ [1, 2].

Таблица 1 ‒ Кристаллическая структура фаз системы Cu-Sn [2, с. 325]

Фаза

Прототип

Символ Пирсона пр.гр.

Параметры решетки, нм

Темп-ра реакции образования, ℃

Темп-ра реакции распада, ℃

Темп-ра обл.

сущ-ния, ℃

a

b

c

β

w

cI2, Imm

0,2981‒0,2991

798

586

γ

BiF3

cF16, Fmm

0,6116 (6)

755

520

0,60605‒0,61176

δ*1

Cu41Sn11

cF416, F3m

1,7980

520

350

ζ*2

Cu10Sn3

hP26, P63/m

0,7330

0,7864

640

582

ε

Cu3Sn

oC8, Cmcm

0,5529

4,775

0,4323

676

25

η*3

NiAs

hP4, P63/mmc

0,4192 (2)

0,5037 (2)

415

186

η*4

189

25


Фазы β и γ кристаллографически подобны, имеют объемноцентрированные решетки.

Кристаллическая структура δ-фазы относится к структурному типу γ-латуни. Фаза δ является электронным соединением с электронной концентрацией 21/13 и соответствует формуле Cu31Sn8 при 20,6 ат.% Sn. Параметр решетки δ-фазы при 25° a = 17,9550 ± 0,0003 Å.

Методом электронографии идентифицирована ранее неизвестная δ’-фаза, структура ее кубическая с a = 17,34 Å.

Фаза ζ имеет гексагональную решетку, параметры которой a = 7,331 Å, c = 7,870 Å; предполагаемый идеальный состав Cu20Sn6 — 23,08 ат. (35,92 вес.) % Sn.

Фаза ε базируется на соединении Cu3Sn (38,37 вес.% Sn), имеет ромбическую решетку. Структуру ε-фазы рассматривают и как сверхструктуру на основе гексагональной решетки.

Состав фазы η соответствует соединению Cu6Sn5 45,45 ат. (60,89 вес.) % Sn. Фаза η упорядочивается при температурах 189–186 ℃. Установлено, что упорядочение в решетке наблюдается лишь вдоль оси c, при этом параметры элементарной ячейки a = 4,18 Å; c = 25,20 Å [1, 2].

1.2 Характеристика нонвариантных превращений в системе Cu-Sn

Происходящие в системе нонвариантные равновесия указаны в табл.2.

Таблица 2 – Нонвариантные реакции в системе CuSn [2, c. 325]

Реакция

Содержание Sn в фазах, участвующих в реакции, % (ат.) Sn

Температура протекания реакции, ℃

I

II

III

Перитектические равновесия

1

L + αβ

16

8

13

798

2

L + βγ

19

16

17

755

3

L + εη

87

25

44

415

Эвтектическое равновесие

4

L ↔ α + Sn

99

46

100

227

Кататектическое равновесие

5

γ ↔ ε + L

28

26

43

640

Перитектоидное равновесие

6

γ + ε ↔ ζ

22

25

23

640

Эвтектоидные равновесия

7

β ↔ α + γ

15

9

16

586

8

γ ↔ α + δ

17

9

21

520

9

ζ ↔ δ + ε

22

21

25

582

10

δ ↔ α + ε

21

7

25

350


  1. Анализ фазовых превращений в сплавах системы Cu-Sn

2.1 Фазовые превращения в сплаве X1 (14 ат. % Sn)

Рассмотрим процессы фазовых превращений, проходящих при кристаллизации сплава X1, содержащего 14 ат. % Sn, остальное Cu (рис. 3).

1) До температуры 836 оС идет охлаждение жидкости L.

2) При температуре 836 оС начинается выделение первичных кристаллов α

3) При температуре 798 оС происходит перитектическая реакция, после которой жидкость L полностью исчезает

4) После перитектической реакции начинается выделение кристаллов β

5) Далее до температуры 700 оС идет охлаждение кристаллов β.

6) При температуре 700 оС начинается выделение вторичных кристаллов α из β-фазы

7) При температуре 586 оС происходит эвтектоидная реакция, после которой фаза β распадается

8) После эвтектоидной реакции начинается выделение третичных кристаллов γ из α-фазы

9) При температуре 520 оС происходит эвтектоидная реакция, после которой фаза γ распадается

10) После эвтектоидной реакции начинается выделение вторичных кристаллов δ из α-фазы

11) При температуре 350 оС происходит эвтектоидная реакция, после которой фаза δ распадается

12) После эвтектоидной реакции начинается выделение четвертичных кристаллов ε из α-фазы до комнатной температуры


Фазы: α и ε

2.2 Фазовые превращения в сплаве X2 (24 ат. % Sn)

Рассмотрим процессы фазовых превращений, проходящих при кристаллизации сплава X2, содержащего 24 ат. % Sn, остальное Cu (рис. 3).

1) До температуры 744 оС идет охлаждение жидкости L

2) При температуре 744 оС начинается выделение первичных кристаллов γ

3) В интервале температур 704‒668 ℃ происходит охлаждение γ-фазы, ее состав соответствует составу сплава X2: 24 ат. % Sn

4) В интервале температур 668‒640 ℃ происходит выделение первичных кристаллов ε из γ-фазы

5) При температуре 640 оС происходит перитектоидная реакция, в результате которой образуется ζ-фаза

6) После перитектоидной реакции начинают выделяться кристаллы ζ-фазы из ε

7) При температуре 582 оС происходит эвтектоидная реакция, после которой фаза ζ распадается

8) После эвтектоидной реакции начинается выделение кристаллов δ из ε-фазы

9) При температуре 350 оС происходит эвтектоидная реакция, после которой фаза δ распадается

10) После эвтектоидной реакции начинается выделение вторичных кристаллов δ из α-фазы

11) При температуре 350 оС происходит эвтектоидная реакция, после которой фаза δ распадается

12) После эвтектоидной реакции начинается выделение четвертичных кристаллов ε из α-фазы до комнатной температуры


Фазы: α и ε

2.3 Фазовые превращения в сплаве X3 (26 ат. % Sn)

Рассмотрим процессы фазовых превращений, проходящих при кристаллизации сплава X3, содержащего 26 ат. % Sn, остальное Cu (рис. 3).

1) До температуры 732 оС идет охлаждение жидкости L

2) При температуре 732 оС начинается выделение первичных кристаллов γ

3) В интервале температур 676‒668 ℃ происходит охлаждение γ-фазы, ее состав соответствует составу сплава X3: 26 ат. % Sn


4) В интервале температур 668‒640 ℃ происходит выделение первичных кристаллов ε из γ-фазы

5) При температуре 640 оС осуществляется кататектическая реакция

т.е. происходит частичное расплавление полностью закристаллизовавшегося сплава [3].

6) При дальнейшем охлаждении в интервале температур 640‒415 ℃ происходит кристаллизация ε-фазы

7) При температуре 415 оС происходит перитектическая реакция, после которой жидкость L полностью исчезает и образуется η-фаза

8) После перитектической реакции в интервале температур 415‒189 ℃ происходит выделение кристаллов η из ε-фазы

9) При температуре 189 ℃ происходит упорядочение фазы η с образованием η’


Фазы: ε и η’








3 Построение графических зависимостей изменения количества фаз и процентного содержания Sn в фазах от температуры при охлаждении сплава из жидкого состояния до комнатной температуры

Для построения графических зависимостей нанесем на диаграмму состояния системы Cu-Sn сплав X4, содержащий 12 ат. % Sn, см. рис. 2.

3.1 Построение зависимости изменения относительного количества фаз сплава X4 (12 ат. % Sn) в зависимости от температуры


- до температуры 900 °С:

,

;

- при температуре 850 °С:

;

- при температуре 798 °С:

a) до начала перитектической реакции:

,

;

б) после завершения перитектической реакции:

,

,

;

- при температуре 700 °С:

,

;

- при температуре 586 °С:

а) до начала эвтектоидного распада

б) после завершения эвтектоидного распада

;

- при температуре 520 °С:

а) до начала эвтектоидного распада

б) после завершения эвтектоидного распада

;

- при температуре 350 °С:

а) до начала эвтектоидного распада

б) после завершения эвтектоидного распада

;

- при температуре 150 °С:

;

На рис. 4 показана зависимость изменения относительного количества фаз от температуры при охлаждении из жидкого состояния сплава 12 ат. % Sn, остальное Cu.


3.2 Построение зависимости изменения процентного содержания Sn в фазах сплава X4 (12 ат. % Sn) в зависимости от температуры:


L – жидкий раствор компонентов Cu и Sn друг в друге с ограниченной растворимостью:

- до температуры 900 °С жидкость имеет состав равный 12 % Sn;

- в интервале температур 900 °С ÷ 798 °С жидкость L меняет свой состав по линии ликвидуса (1n) от 12 % Sn до 16 % Sn;

- при температуре 798 °С жидкость участвует в перитектической реакции, после протекания которой полностью расходуется.


α – твердый раствор на основе Cu:

- появляется при температуре 900 °С. В интервале температур 900 °С - 798°С твердый раствор изменяет свой состав по линии солидуса (1’2’) от 4 % Sn до 8 % Sn,

- при температуре 798 °С α-фаза участвует в перитектической реакции, после которой данная фаза остается в избытке, при дальнейшем охлаждении до 586 °С изменяет свой состав по линии солидуса (2’3’) от 8 до 9 % Sn.

- при температуре 586 ℃ α-фаза участвует в эвтектоидном распаде, после завершения которого остается в избытке. При дальнейшем охлаждении до 520 ℃ состав постоянен и равен 9 % Sn.