Анализ фазовых превращений в системе Cu-Sn

Размещено на http://www.allbest.ru/

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»

Анализ фазовых превращений в системе Cu-Sn

Выполнила: Николаева М.В.

Группа: Т1О-105М-17

Проверил: Осинцев О.Е.

Москва 2017



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 Е. 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 в-модификации (белое олово), устойчивой выше 13,2 °С. Белое олово -- это серебристо-белый, мягкий, пластичный металл, обладающий тетрагональной элементарной ячейкой, параметры a = 5,831 Е, c = 3,181 Е. При охлаждении белое олово переходит в б-модификацию (серое олово). Серое олово имеет структуру алмаза (кубическая кристаллическая решетка с параметром а = 6,491 Е). Из-за сильного различия структур двух модификаций олова разнятся и их электрофизические свойства. Так, в-Sn -- металл, а б-Sn относится к числу полупроводников. Ниже 3,72 К б-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 °С) 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 б, в, г, е, д (Cu₃₁Sn₈), ж (Cu₂₀Sn₆), е (Cu₃Sn), з (Cu₆Sn₅), Sn.

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

Температура, °С	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 °С составляет 0,01 ат. (0,006 вес.) % Cu.

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

б-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.

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

г-фаза имеет довольно значительную область гомогенности и существует в интервале температур 755-520 °С. При температуре 640 °С фаза г претерпевает превращение по кататектической реакции г - е + L (43,1 ат.% Sn). При 520 °С фаза г распадается по эвтектоидной реакции: г (16,5 ат.% Sn) - б (9,1 ат.% Sn) + д (20,5 ат.% Sn).

е (Cu₃Sn) - конгруэтно плавящееся соединение, существует в интервале температур от 676 °С до комнатной и имеет небольшую область гомогенности, при 640 ? наибольшая ширина ее 1,5 ат.% Sn. При температуре 676 ? имеет место превращение г - е.

ж (Cu₂₀Sn₆) - инконгруэтно плавящееся соединение, существующее в узкой концентрационной области в интервале 640-582 °С, и при температуре 582 ? претерпевает эвтектоидный распад (распадается ж-фаза) по реакции ж - д + е.

д (Cu₃₁Sn₈) - инконгруэтно плавящееся соединение, имеет узкую область гомогенности в интервале температур 590?350 °С и при температуре 350 °С распадается по эвтектоидной реакции д - б + е.

з (Cu₆Sn₅) - инконгруэтно плавящееся соединение, существует в узкой области составов и в интервале температур 189-186 °С происходит ее упорядочение с образованием з' при 186 °С со стороны Sn и при 189 °С со стороны Cu.

Параметр решетки б-фазы увеличивается от 3,672 Е (при 150-250°) до 3,707 Е (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 °С [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, °С	Темп-ра реакции распада, °С	Темп-ра обл. сущ-ния, °С
			a	b	c
в	w	cI2, Imm	0,2981?0,2991	-	-	798	586	-
г	BiF3	cF16, Fmm	0,6116 (6)	-	-	755	520	-
			0,60605?0,61176	-	-
д*1	Cu41Sn11	cF416, F3m	1,7980	-	-	520	350	-
ж*2	Cu10Sn3	hP26, P63/m	0,7330	-	0,7864	640	582	-
е	Cu3Sn	oC8, Cmcm	0,5529	4,775	0,4323	676	-	25
з*3	NiAs	hP4, P63/mmc	0,4192 (2)	-	0,5037 (2)	415	186	-
з'*4	-	-	-	-	-	189	-	25

Фазы в и г кристаллографически подобны, имеют объемно центрированные решетки.

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

Методом электронографии идентифицирована ранее неизвестная д'-фаза, структура ее кубическая с a = 17,34 Е.

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

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

Состав фазы з соответствует соединению Cu₆Sn₅ -- 45,45 ат. (60,89 вес.) % Sn. Фаза з упорядочивается при температурах 189-186 ?. Установлено, что упорядочение в решетке наблюдается лишь вдоль оси c, при этом параметры элементарной ячейки a = 4,18 Е; c = 25,20 Е [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 Cu?Sn [2, c. 325]

№	Реакция	Содержание Sn в фазах, участвующих в реакции, % (ат.) Sn	Температура протекания реакции, °С
		I	II	III
Перитектические равновесия
1	L + б - в	16	8	13	798
2	L + в - г	19	16	17	755
3	L + е - з	87	25	44	415
Эвтектическое равновесие
4	L - б + Sn	99	46	100	227
Кататектическое равновесие
5	г - е + L	28	26	43	640
Перитектоидное равновесие
6	г + е - ж	22	25	23	640
Эвтектоидные равновесия
7	в - б + г	15	9	16	586
8	г - б + д	17	9	21	520
9	ж - д + е	22	21	25	582
10	д - б + е	21	7	25	350



2. 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.

1) До температуры 836 ^оС идет охлаждение жидкости L.

2) При температуре 836 ^оС начинается выделение первичных кристаллов б

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

4) После перитектической реакции начинается выделение кристаллов в

5) Далее до температуры 700 ^оС идет охлаждение кристаллов в.

6) При температуре 700 ^оС начинается выделение вторичных кристаллов б из в-фазы

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

8) После эвтектоидной реакции начинается выделение третичных кристаллов г из б-фазы

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

10) После эвтектоидной реакции начинается выделение вторичных кристаллов д из б-фазы

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

12) После эвтектоидной реакции начинается выделение четвертичных кристаллов е из б-фазы до комнатной температуры

Фазы: б и е



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.

1) До температуры 744 ^оС идет охлаждение жидкости L

2) При температуре 744 ^оС начинается выделение первичных кристаллов г

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

4) В интервале температур 668?640 ? происходит выделение первичных кристаллов е из г-фазы

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

6) После перитектоидной реакции начинают выделяться кристаллы ж-фазы из е

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

8) После эвтектоидной реакции начинается выделение кристаллов д из е-фазы

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

10) После эвтектоидной реакции начинается выделение вторичных кристаллов д из б-фазы

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

12) После эвтектоидной реакции начинается выделение четвертичных кристаллов е из б-фазы до комнатной температуры

Фазы: б и е



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.

1) До температуры 732 ^оС идет охлаждение жидкости L

2) При температуре 732 ^оС начинается выделение первичных кристаллов г

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

4) В интервале температур 668?640 ? происходит выделение первичных кристаллов е из г-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 °С происходит кристаллизация е-фазы



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

8) После перитектической реакции в интервале температур 415?189 °С происходит выделение кристаллов з из е-фазы

9) При температуре 189 ? происходит упорядочение фазы з с образованием з'

Фазы: е и з'



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.

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:

;

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 ч 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.

б - 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 б-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 °С б-фаза участвует в эвтектоидном распаде, после завершения которого остается в избытке. При дальнейшем охлаждении до 520 ? состав постоянен и равен 9 % Sn.

- при температуре 520 °С б-фаза участвует в эвтектоидном распаде, после завершения которого остается в избытке. При дальнейшем охлаждении до 350 ? состав этой фазы меняется по линии сольвуса (4'5') с 9 % до 7 % Sn

- при температуре 350 °С б-фаза участвует в эвтектоидном распаде, после завершения которого остается в избытке. При дальнейшем охлаждении до 150 ? состав этой фазы меняется по линии сольвуса (5'c') с 7 % до 4 % Sn.

- в интервале температур 150 °С - 0 °С твердый раствор б свой состав не меняет. Состав при 0 °С составляет 4 % Sn.

в - твердый раствор на основе Sn:

- появляется при температуре 798 °С в результате протекания перитектической реакции.

- в интервале температур 798 °С - 586 °С в-фаза меняет свой состав по линии солидуса (p₁e₁) с 13 % до 15 % Sn;

- при температуре 586 ? в-фаза распадается по эвтектоидной реакции.

г - фаза:

- появляется при температуре 586 °С в результате протекания эвтектоидного распада в-фазы;

- в интервале температур 586 °С - 520 °С г-фаза меняет свой состав по линии солидуса (me₂) с 16 % до 17 % Sn;

- при температуре 520 °С г-фаза распадается по эвтектоидной реакции.

д - инконгруэтно плавящееся соединение:

- появляется при температуре 520 °С в результате протекания эвтектоидного распада г-фазы. При дальнейшем охлаждении до 350 ? состав данной фазы не меняется и равен 21 % Sn.

- при температуре 350 °С д-фаза распадается по эвтектоидной реакции.

е - конгруэтно плавящееся соединение:

- появляется при температуре 350 °С в результате эвтектоидного распада д-фазы. При дальнейшем охлаждении до комнатной температуры состав данной фазы не меняется и равен 25 % Sn.

Показана зависимость изменения процентного содержания Sn в фазах от температуры при охлаждении сплава, содержащего 12 ат.% Sn, остальное Cu.



Список использованных источников

кристаллизация сплав фазовый превращение

1. Дриц, М.Е. Двойные и многокомпонентные системы на основе меди [Текст]: Справочник / М.Е. Дриц и др. ? М.: «Наука», 1979. ? 248 с.

2. Лякишев, Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем [Текст]: Справочник в 3 т. / Под общ. ред. Н.П. Лякишева. - М.: Машиностроение, 1997. - Т. 2 ?1024 с.

3. Осинцев, О.Е. Диаграммы состояния двойных и тройных систем. Фазовые равновесия в сплавах [Текст]: учебное пособие / О.Е. Осинцев - М.: Машиностроение, 2009. - 352 с.

Размещено на Allbest.ru