- •«Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» (маи)
- •Курсовая работа
- •Содержание
- •1 Описание диаграммы состояния Cu-Sn
- •1.1 Характеристика компонентов и фаз системы Cu-Sn
- •1.2 Характеристика нонвариантных превращений в системе Cu-Sn
- •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
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].