Необходимые исходные сведения

Лабораторная работа 4

Анализ диаграмм состояния двухкомпонентных

Металлических сплавов.

 

Выполнил: ст. гр. ЭТ-51-11_____

___________________________

Проверил:__________________

___________________________

 

Г. Чебоксары 2012г.

Цель работы - ознакомление с методикой и приобретение навыков фазового и структурного анализа диаграмм состояния.

 

Необходимые исходные сведения

 

Чистые металлы имеют низкие механические свойства, по­этому в технике, промышленности в качестве конструкционных материалов в основном применяются сплавы.

Сплавом называют вещество, полученное сплавлением двух или более элементов, либо устойчивых химических соединений. Элементы или вещества, образующие сплавы, называются ком­понентами.

Сплавы, обладающие металлическими свойствами, называ­ются металлическими.

Группа или ряд сплавов, образованных из одинаковых ком­понентов и находящихся в равновесии при любой температуре и концентрации, составляют систему.

Фаза - часть системы, имеющая однородные состав, строе­ние, свойства и отделенная от других частей системы поверхно­стью раздела.

В жидком состоянии практически все сплавы представляют собой однородный жидкий раствор, т.е. одну жидкую фазу.

При кристаллизации из жидкого состояния компоненты мо­гут взаимодействовать по-разному и образовать разные фазы либо механическую смесь компонентов или фаз.

Могут образоваться фазы, представляющие собой:

- твердый раствор замещения;

- твердый раствор внедрения;

- химическое соединение.

В случае образования твердого раствора один из компо­нентов является растворителем, другой — растворимым. Кри­сталлическая решетка растворителя является базой твердого раствора.

В твердом растворе замещения атомы растворимого эле­мента в ряде узлов решетки замещают атомы растворителя, а в растворе внедрения они располагаются между узлами.

Химические соединения могут образоваться при строго оп­ределенном составе, т.е. определенном соотношении атомов компонентов. Эти соединения имеют кристаллическую решетку, структуру, свойства, отличающиеся от строения и свойств ком­понентов, образующих соединения.

Механическая смесь компонентов получается, когда компо­ненты нерастворимы друг в друге и не образуют химических со­единений. При охлаждении до значения температуры солидуса t_сол компоненты одновременно кристаллизуются из жидкости, образуя тонкую механическую смесь, называемую эвтектикой. Механическую смесь могут образовывать также фазы, которые создаются при ограниченной растворимости компонентов.

При затвердевании в сплавах различные фазы располагают­ся в определенном порядке; они имеют разные размеры и фор­мы. Это и называется строением или структурой сплава.

Диаграмма состояния сплавов. Графическое изображение состояния сплавов разных концентраций при разных температу­рах называется диаграммой состояния сплавов.

Диаграмма показывает равновесное, устойчивое состояние фаз различных концентраций при изменении температуры, так как строится при очень медленном охлаждении. В реальных ус­ловиях невозможно обеспечивать столь небольшие скорости охлаждения сплавов из жидкого состояния, значит, в них и нет полного равновесия фаз. Однако изучение диаграмм состояния сплавов, построенных в «идеальных» условиях, необходимо, так как по ним возможно прогнозировать формирование структур и свойств.

В зависимости от характера взаимодействия компонентов в твердом состоянии различают четыре основных типа диаграмм состояния двухкомпонентных сплавов.

Все диаграммы состояния сплавов строятся в координатах температура-концентрация в основном экспериментальным пу­тем. Любая точка на оси концентрации (ось абсцисс) соответст­вует сплаву, состоящему из компонентов А и В, которые в сумме составляют 100%. Левая ордината соответствует темпе­ратурным превращениям чистого компонента А, правая - ком­понента В (напр., рис. 4.1).

Все линии диаграммы являются геометрическим местом точек (критических точек), соответствующих температурам фа­зовых превращений конкретных составов сплава данной систе­мы. Критические точки выявляются при построении кривой ох­лаждения каждого сплава в координатах температура-время (t-τ). Правильность построения диаграмм экспериментальным путем проверяется с помощью математического уравнения, ко­торое называется правилом фаз.

 

 

 

Это правило выражает зависимость между числом степеней свободы системы, числом компонентов и числом фаз, находя­щихся в равновесии. Уравнение имеет вид (при постоянном ат­мосферном давлении)

с = к - Ф + 1,

где с - число степеней свободы; к — число компонентов; Ф - число фаз. Число степеней свободы показывает, сколько пара­метров можно изменить в данном состоянии сплава, не изменяя числа фаз.

В двухкомпонентнои системе могут быть области диаграмм однофазного и двухфазного равновесия. Трехфазное равновесие возможно только на горизонтальных линиях диаграмм.

с = 1 - 1 + 1 = 2. При Ф = 1 система бивариантная. Это означает, что можно изменить и температуру, и концентрацию, не изменяя числа фаз, т.е. это состояние может существовать в некоторой области диаграммы.

с = 2-2+1 = 1. При Ф = 2 система моновариантная. Это означает, что в некоторой области можно изменить температу­ру, но при этом концентрация фаз будет изменяться. с=2-3+1=0. При Ф=3 система нонвариантная. Это значит, что ни один параметр невозможно изменить, не изменяя числа фаз. Этому равновесию отвечает определенная темпера­тура и состав фаз.

 

 

2. Методика фазового и структурного анализа диаграмм состояния

Принципы анализа состояния всех типов диаграмм одина­ковы. Различаются диаграммы видом, порядком образования возможных фаз, структурой сплавов при комнатной температу­ре. Анализ проводится в следующем порядке:

- Определяют тип диаграммы, описывают, где какие фазы расположены, какие линии, что характеризуют.

- Находят на оси концентрации заданный (или интересую­щий) состав сплава.

- Из точки, определяющей состав сплава, проводят верти­кальную линию, перпендикулярную оси концентраций до об­ласти жидкой фазы. Этот перпендикуляр является температур­ной осью ординат для данного состава.

- На температурной оси указывают характерные точки, оп­ределяющие состояние фаз.

- Строят кривую охлаждения заданного состава сплава в координатах t-τ. Описывают последовательность фазовых превращений по намеченным точкам, определяют число степе­ней свободы в каждой точке.

- При комнатной температуре делают структурный анализ заданного состава сплава, рисуют схему структуры.

- При заданной температуре в любой двухфазной области диаграммы для данного сплава определяют:

- фазы, находящиеся в равновесии;

- состав каждой фазы;

- соотношение числа фаз.

Для этого применяют правило отрезков.

Первая часть правила устанавливает порядок определения состава фаз, вторая - порядок определения их количественного соотношения.

На оси ординат для заданного состава сплава наносят точку при заданной температуре. Через эту точку до пересечения с линиями, ограничивающими данную двухфазную область, про­водят горизонтальную линию.

Точки пересечения показывают виды фаз, находящихся в равновесии при заданной температуре. Проекции этих точек на ось концентрации означают составы этих фаз.

Массовые доли фаз обратно пропорциональны отрезкам го- ризонгальной линии, на которые делит ее точка пересечения этой линии с осью ординат сплава (подробное описание на при­мере сплава I-I).

3. Анализ диаграммы состояния сплавов 1 типа

Диаграмму состояния сплавов этого типа образуют компо­ненты А и В, нерастворимые друг в друге (рис. 4.1).

Описание диаграммы. Линия abc - линия ликвидуса, выше которой все сплавы находятся в жидком состоянии.

Линия abe - линия солидуса, ниже которой все сплавы на­ходятся в твердом состоянии.

Область dab- двухфазная, состоит из жидкой фазы и твер­дой - компонента А.

Область bce также двухфазная, состоит из жидкой фазы и твердой - компонента В.

Точка b - эвтектическая при концентрации компонентов в точке b'.

Все сплавы, находящиеся левее точки b', называются доэв- тектическими, в точке b' — эвтектическими., правее точки b' - заэвтектическими.

Компоненты А и В нерастворимы, образуют механическую смесь (эвтектику).

Для анализа в качестве примера задается три состава сплава: I - доэвтектический, II-эвтектический, III - заэвтектический; проводятся перпендикулярные линии до области жидкой фазы и обозначаются I-I, П—II, III—III. Строятся кривые охлаждения сплавов в координатах t — т, используя намеченные точки на оси ординат каждого сплава.

 

 

Описание кривых охлаждения. Кривая охлаждения сплава I-I (см. рис. 4.1).

В точке 1 сплав находится в жидкой фазе.

Согласно правилу фаз с =k-Ф+1; Ф=1; к- 2 (А и В); с=2-1+1=2. В точке 1 можем изменить и температуру, и кон­центрацию без изменения числа фаз.

Точка 2 - критическая, ниже этой точки начинается фазовое превращение, т.е. кристаллизация; из жидкости начинают выде­ляться кристаллы А, часть сплава остается в жидком состоянии; таким образом, в этой точке в равновесии находятся фазы Ж и А;

Ф = 2; к = 2; с₂ = 2-2 + 1 =1. В этой точке можем изменить только один параметр - температуру без изменения числа фаз.

От точки 2 до точки 3 в связи с выделением из сплава кри­сталлов А состав жидкой фазы по мере снижения температуры изменяется согласно кривой ab; на этом участке идет превра­щение Ж А + Ж'.

Точка 3 - критическая, начинается кристаллизация остав­шейся части жидкости с одновременным выделением кристал­лов А и В, образуя механическую (эвтектическую) смесь; в равновесии находятся три фазы: Ж'+А + В; фаза В (кристаллы В) появляется в составе эвтектической смеси;

к = 2; Ф=3; с₃ = 2- 3 + 1 = 0, т.е. без изменения числа фаз ни температуру, ни концентрацию изменить нельзя; ровная го­ризонтальная площадка - результат выделения скрытой теплоты от кристаллизации одновременно двух фаз - А и В.

В точке 3' кристаллизация заканчивается, исчезает жидкая фаза, остаются: фаза А - в виде свободных первичных кристаллов и в виде кристаллов, входящих в механическую смесь; фаза В, входящая в механическую смесь, т.е. остаются две фазы: А + В;

к =2; Ф = 2; с =2 —2+1 = 1, значит, можно изменить тем­пературу (дальше охлаждать затвердевший сплав) без измене­ния числа фаз.

Описание схемы структуры (структурный анализ). Под кривой охлаждения приводится схема структуры. Зерна чистых компонентов, химических соединений и твердых однородных растворов принято рисовать однотонными, а эвтектическую смесь - чередующимися полосками (черно-белыми), как бы по­казывая смесь двух фаз. Структура зависит от состава и фазовых превращений (рис. 4.1, 4.2, 4.3, 4.4).

Рассмотрим процесс формирования структуры сплава I-I (см. рис. 4.1).

От точки 2 до точки 3 выделяются свободные кристаллы А и после охлаждения в структуре сплава располагаются в виде чистых зерен. От точки 3 до точки 3' происходит образование зерен с эвтектической смесью фаз А+В (на рис. 4.1 показаны с чередующимися полосками). Таким образом, структура этого сплава состоит из зерен А и эвтектики Э(А+В).

Структурный анализ других сплавов производится аналогично.

Определение фаз, их составов и количественного соот­ношения в двухфазной области при заданной температуре. Допустим, заданная температура - точка i на температурной оси сплава I-I. Через точку i до пересечения с линиями, огра­ничивающими двухфазную область (точки пересечения обозна­чены / и к), проводится горизонтальная линия. В данном слу­чае это область, состоящая из жидкой фазы и твердой фазы А. В точке / эти две фазы и находятся в равновесии. Проекция точки / на ось концентрации Г показывает состав жидкой фазы, а проекция точки k -(k ') - состав фазы А, т.е. в данном случае 100%А. За общую массу заданного состава сплава принимается отрезок kl.

Долю жидкой фазы в массе сплава определяет отрезок ki (противоположный по отношению к этой фазе); долю фазы А определяет отрезок /7. Долю каждой фазы в массе сплава, %, определяют по формулам:

 

Порядок анализа сплавов II-II и III-III аналогичен анали­зу сплава I —I. В отличие от сплава I-I сплав II —II кристалли­зуется сразу с образованием эвтектической смеси А + В; а сплав III-III кристаллизуется вначале от точки 2 до точки 3 с обра­зованием свободных кристаллов В, далее — аналогично кри­сталлизации сплава I—I. Соответственны и изменения в струк­турах (см. рис. 4.1).