Быконя Л.А. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

ЛАБ. Р. 5 ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СВИНЕЦ

–

СУРЬМА. АН

ЛИЗ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ 2ЫХ СПЛАВОВ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -41-

Исходные компоненты, образующие сплав, могут не вступать в со-

единения и химические реакции друг с другом в твердом состоянии. В этом

случае каждый компонент после кристаллизации сохраняет свою кристалли-

ческую решетку. Структура сплава представляет собой смесь из зерен от-

дельных компонентов с пренебрежимо ничтожной взаимной растворимо-

стью.

Твердые растворы – это кристаллы, образовавшиеся в результате рас-

пределения атомов одного компонента в кристаллической решетке другого

компонента. У твердого раствора кристаллическая решетка одного из компо-

нентов (растворителя) сохраняется, а атомы растворенного компонента рас-

полагаются в его решетке, изменяя только ее параметры. Кристаллическая

решетка твердых растворов может состоять из атомов двух или нескольких

компонентов. Различают тв

ердые растворы замещения, когда атомы раство-

ренного компонента замещают часть атомов растворителя в узлах кристал-

лической решетки, и твердые растворы внедрения, когда атомы растворенно-

го компонента располагаются в междоузлиях решетки растворителя.

Твердые растворы замещения бывают неограниченные и ограничен-

ные, а твердые растворы внедрения, как правило, с ограниченной раствори-

мостью (рис. 5.2

Химические соединения – это соединения, которые имеют:

– свою кристаллическую решетку, отличную от решеток исходных

компонентов;

– кратное массовое соотношение элементов, что позволяет выразить их

состав формулой А

, где А и В – компоненты сплава, а т и п – простые чис-

ла;

– постоянную температуру плавления (диссоциации).

В отличие от твердых растворов, химические соединения обычно об-

разуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном

строении атомов и кристаллических решеток.

Рис. 5.2. Атомно-кристаллическая структура

твердого раствора: а – твердый раствор заме-

щения; б – твердый раствор внедрения

а б

Если образующиеся в сплавах химические соединения оказываются

стойкими веществами, не диссоциирующими при нагреве вплоть до темпера-

туры плавления, то их принято рассматривать в качестве самостоятельных

компонентов, способных образовывать сплавы с химическими элементами.

Большое число химических соединений, образующихся в металличе-

ских сплавах, отличается по некоторым особенностям от типичных химиче-

ЛАБ. Р. 5 ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СВИНЕЦ

–

СУРЬМА. АН

ЛИЗ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ 2ЫХ СПЛАВОВ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -42-

ских соединений, так как не подчиняется законам валентности и не имеет по-

стоянного состава.

В зависимости от того, как взаимодействуют компоненты сплавов

между собой в твердом состоянии (обладают различной взаимной раствори-

мостью и образуют твердые растворы, химические соединения, эвтектиче-

ские смеси), различают несколько типов диаграмм состояния.

На рис. 5.3

представлена диаграмма состояния сплавов, компоненты

которых ограниченно растворимы в твердом состоянии и образуют эвтекти-

ку. Линия АСВ рассматриваемой диаграммы является линией ликвидуса. Ли-

ния АDCFB – солидус. Ниже линии солидус в интервале концентрации от

нуля до точки Е устойчив твердый раствор компонента В в А (α). В интерва-

ле концентрации от точки Е до точки К в твердых сплавах присутствуют кри-

сталлы двух фаз – α- и β-твердые растворы. При концентрации компонента В

больше, че

м в точке К устойчива одна фаза – раствор компонента А в В (β)

В доэвтектических сплавах при охлаждении от линии АС до темпера-

туры

из жидкости выделяются кристаллы α-твердого раствора. В сплавах,

содержащих компонента В больше, чем в точке С, при охлаждении ниже ли-

нии СВ до температуры

выделяются кристаллы β-твердого раствора.

Точка D характеризует предельную растворимость компонента В в А,

а точка F – компонента А в В при температуре

, а точки Е и К характеризу-

ют предельную растворимость, соответственно, компонентов В в А и А в В

при комнатной температуре.

Линия DE определяет предельную растворимость компонента В в А,

которая не изменяется с понижением температуры, также не изменяется рас-

творимость компонента А в В, что показывает линия FK.

Сплав, соответствующий точке С (50 % В), затвердевает пр

и постоянной

температуре

, при этом из жидкого раствора выделяются предельно насыщен-

ные кристаллы твердых растворов α

и β

, образуя эвтектическую смесь.

Рассмотрим для доэвтектического сплава 1 (рис. 5.3

) процесс форми-

рования структуры. Построим кривую охлаждения для сплава 1 (35 % В) от

жидкого состояния до комнатной температуры, учитывая, что в точках пере-

сечения вертикали с любой линией фазового равновесия происходит превра-

щение, сопровождающееся тепловым эффектом.

ЛАБ. Р. 5 ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СВИНЕЦ

–

СУРЬМА. АН

ЛИЗ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ 2ЫХ СПЛАВОВ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -43-

Рис. 5.3. Диаграмма состояния сплавов с постоянной ограниченной растворимостью

компонентов в твердом состоянии

При некотором переохлаждении ниже температуры

, жидкость ста-

новится насыщенной по отношению к α-твердому раствору, который будет

выделяться до температуры

, при этом состав жидкой фазы будет изме-

няться по ликвидусу от точки 1 до точки С, а состав твердой фазы – по соли-

дусу от точки 1' до точки D.

На кривой охлаждения при температуре

отмечается перегиб, свя-

занный с уменьшением скорости охлаждения вследствие выделения скрытой

теплоты кристаллизации. Процесс выделения кристаллов α

-твердого раство-

ра из жидкого сплава идет в интервале температур, так как система имеет од-

ну степень свободы:

С = К + 1 – Ф = 2 + 1 – 2 = 1.

При достижении эвтектической температуры

кристаллы α дости-

гают предельной концентрации α

(точки D), а жидкая фаза получает эвтек-

тический состав Ж

(точки С).

В этих условиях из жидкой фазы кристаллизуются предельно насы-

щенные твердые растворы α

и β

, образуя эвтектику:

→

Э (α

+ β

Эвтектическая реакция протекает изотермически и при постоянном со-

ставе реагирующих фаз, так как в двухкомпонентном сплаве одновременно со-

существуют три фазы (Ж

, α

и β

). Число степеней свободы системы равно ну-

лю:

С = K + 1– Ф = 2 + 1 – 3 = 0,

поэтому на кривой охлаждения (рис. 5.3) образуется площадка.

После затвердевания сплав I состоит из первичных кристаллов α и эв-

тектики (α + β).

Т, °С

+ Ж

α + Ж

+ Ж

α + эвт.

(α + β)

α + эвт.

β + эвт.

эвт(α + β)

Т, °С

100

10 20 30 40 50 60 70 80 90

t, с

В, %

ЛАБ. Р. 5 ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СВИНЕЦ

–

СУРЬМА. АН

ЛИЗ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ 2ЫХ СПЛАВОВ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -44-

В любой точке на диаграмме состояния, которая показывает фазовый

состав сплава при данной температуре, можно определить весовое количест-

во фаз. Если такая точка попадает в область однофазного состояния, то весо-

вое количество данной фазы составляет 100 %, а её состав соответствует ис-

ходному составу сплава. Если точка попадает в область двухфазного равно-

весия, то здесь для определения состава фаз через эту точку необходимо про-

вести горизонталь (коноду). Проекции точек пересечения на ось концентра-

ции и дают сост

ав фаз.

Для определения весового состава фаз в двухфазной области необхо-

димо воспользоваться правилом рычага. Согласно правилу отрезки, которые

получают на горизонтали между данной точкой сплава и точками пересече-

ния гориз

онтали с линиями диаграммы состояния, обратно пропорциональны

количеству фаз.

Рассмотрим сплав I в точке

а (рис. 5.3) при температуре t

. Для этого

проведем горизонтальную прямую

dh через точку а. Ее левая точка d лежит

на линии солидус и определяет состав твердой фазы при температуре

Справа точка

h, лежащая на линии ликвидус, показывает состав жидкости,

находящейся в равновесии с α

-фазой. Используя правило рычага, можно оп-

ределить количество кристаллов твердой фазы в точке

а:

100 %,

а количество жидкой фазы в этой точке – по формуле

100 %.

Также правило рычага используют для определения количественного

соотношения фаз в точке

b (при температуре t

). Тогда весовое количество

твердого раствора α

составит

100 %,

а количество твердого раствора β

100 %.

Состав твердого раствора α при температуре

определится проекцией

точки

m, а состав твердого раствора β – проекцией точки n на ось концентраций.

ЛАБ. Р. 5 ПОСТРОЕНИЕ

ИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СВИНЕЦ

–

СУРЬМА. АН

ЛИЗ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ 2ЫХ СПЛ

ВОВ



Материаловедение. Лаб. практикум -45-

1. Используя данные, полученные в лабораторной работе 4, построить

диаграмму состояния Рb−Sb. Температура кристаллизации чистых металлов

для Рb – 327 °С, для Sb – 631 °С.

2. Для изучения микроструктуры пяти исследуемых сплавов исполь-

зовать микроскоп МИМ-7. Микрошлиф установить на предметном столике

микроскопа. Наводку на фокус осуществить микрометрическим винтом, рас-

положенным справа в верхней части микроскопа. Микр

ошлифы зарисовать в

кружках

d 25 или 50 мм. На микрошлифе стрелками указать структурные со-

ставляющие.

3. Начертить диаграмму состояния, построить кривую охлаждения из

области жидкого состояния до комнатной температуры (с применением пра-

вила фаз).

4. Описать фазовые превращения при охлаждении и структуру сплава

при комнатной температуре.

5. Пользуясь правилом отрезков, определить состав и количественное

соотношение фаз для любой температ

уры, лежащей между линиями ликви-

дуса и солидуса.

Пункты 3–5 выполнять в соответствии с индивидуальным заданием

по указанию преподавателя. Ниже приведены вид диаграмм и состав спла-

вов (рис. 5.4

, рис. 5.5, рис. 5.6, рис. 5.7, рис. 5.8, рис. 5.9, рис. 5.10, рис. 5.11,

рис. 5.12

, рис. 5.13):

№ п/п Диаграмма Состав № п/п Диаграмма Состав

1 Al–Cu 0,7 % Cu 14 Pb–Sn 5 % Sn

2 Al–Cu 5 % Cu 15 Pb–Sn 30 % Sn

3 Al–Cu 15 % Cu 16 Pb–Sn 90 % Sn

4 Cd–Zn 8 % Zn 17 Mg–Cа 40 % Cа

5 Cd–Zn 50 % Zn 18 Mg–Cа 60 % Cа

6 Cu–Ag 5 % Ag 19 Al–Si 10 % Si

7 Cu–Ag 15 % Ag 20 Al–Si 45 % Si

8 Cu–Ag 30 % Ag 21 Al–Si 70 % Si

9 Cu–Ag 85 % Ag 22 Cd–Zn 90 % Zn

10 Cu–Ag 95 % Ag 23 Mg–Cа 10 % Cа

11 Cu–As 2 % As 24 Mg–Cа 90 % Cа

12 Cu–As 10 % As 25 Cd–Zn 3 % Zn

13 Cu–As 25 % As

ЛАБ. Р. 5 ПОСТРОЕНИЕ

ИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СВИНЕЦ

–

СУРЬМА. АН

ЛИЗ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ 2ЫХ СПЛАВОВ

Порядок выполнения работы



Материаловедение. Лаб. практикум -46-

Рис. 5.4. Диаграмма состояния системы Al–Si

Рис. 5.5. Диаграмма состояния системы Pb–Sn

Al → % Si Si

Т,

Pb → % Sn Sn

ЛАБ. Р. 5 ПОСТРОЕНИЕ

ИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СВИНЕЦ

–

СУРЬМА. АН

ЛИЗ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ 2ЫХ СПЛАВОВ

Порядок выполнения работы



Материаловедение. Лаб. практикум -47-

Рис. 5.6. Диаграмма состояния системы Mg–Ca

Рис. 5.7. Диаграмма состояния системы Cu–As

Т,

Mg → % Ca Ca

Cu → % As As

ЛАБ. Р. 5 ПОСТРОЕНИЕ

ИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СВИНЕЦ

–

СУРЬМА. АН

ЛИЗ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ 2ЫХ СПЛАВОВ

Порядок выполнения работы



Материаловедение. Лаб. практикум -48-

Рис. 5.8. Диаграмма состояния системы Cu–Ag

Рис. 5.9. Диаграмма состояния системы Cd–Zn

Т,

Cu → % Ag Ag

Cd → % Zn Zn

ЛАБ. Р. 5 ПОСТРОЕНИЕ

ИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СВИНЕЦ

–

СУРЬМА. АН

ЛИЗ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ 2ЫХ СПЛАВОВ

Порядок выполнения работы



Материаловедение. Лаб. практикум -49-

Рис. 5.10. Диаграмма состояния системы Al–Cu

Рис. 5.11. Диаграмма состояния системы Cu–Ni

Т,

Al → % Cu CuAl

Cu → % Ni Ni

ЛАБ. Р. 5 ПОСТРОЕНИЕ

ИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СВИНЕЦ

–

СУРЬМА. АН

ЛИЗ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ 2ЫХ СПЛАВОВ

Порядок выполнения работы



Материаловедение. Лаб. практикум -50-

Рис. 5.12. Диаграмма состояния системы Al–Ge

Рис. 5.13. Диаграмма состояния системы Pb–Mg

Ж + α

α + Э

+ Ge

Ж + Ge

Ge + Э(Ge + α)

Э(Ge + α)

→ % Ge GeAl

α+ Ge

959°

T, °C

1000

900

800

700

658

600

500

400

200

300

424°

2,8

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

650°

Ж + α

→ % Mg

MgPb

Ж + β

PbMg

468°

250°

Э(α + PbMg

)

Э(PbMg

+ β

)

600

500

400

327

300

200

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

T, °C