Анализ диаграмм состояния двойных сплавов

Цель работы: установить связь между диаграммами со­стояния, структурой и свойствами сплавов.

План работы

1. Выполнить анализ диаграмм состояния сплавов Рb - Sb и Сu-Ni.

2. Построить кривые охлаждения заданных сплавов.

3. Исследовать микроструктуры сплавов.

Пояснении к работе

Диаграмма состояния системы сплавов представляет собой графическое изображение состояния сплава в зависимос­ти от температуры и концентрации.

Диаграммы состояния строятся экспериментальным путем в координатах состав сплава - температура, Для их построения используется ряд анализов, основные из которых: терми­ческий, химический, микроструктурный, рентгеноструктурный. При термическом анализе получают кривые охлаждения в координатах температура - время (рис. 1). Если при охлаждении в исследуемой системе не происходит изменений в стро­ении, то кривая получается плавной, без перегибов (рис. 1,а). В случае охлаждения чистого металла (рис. 1,б) происходя­щая кристаллизация сопровождается выделением скрытой теплоты, которая полностью компенсирует теплоотвод в ок­ружающее пространство, и температура остается постоянной в течение времени кристаллизации, т. е. чистый металл кри­сталлизуется при постоянной температуре. Такой же вид име­ет кривая охлаждения сплава—смеси эвтектического соста­ва. После завершения кристаллизации температура понижа­ется.

Двойные сплавы в отличие от чистых металлов кристал­лизуются в интервале температур. При кристаллизации твердого раствора на кривой охлаждения имеются точки пе­региба (рис. 1,в).

Кривая охлаждения сплава—механическая смесь (рис. 1,г) имеет горизонтальный участок,

что соответ­ствует кристаллизации эвтектики.

а) б)

в) г)

Рис. 1 Кривые охлаждения

Точки перегиба на кривых охлаждения соответствуют критическим точкам. Критическая точка - это температура, соответствующая структурным превращениям и сплаве. В обоих случаях верхние критические точки соответствуют началу кристаллизации, а нижние — концу.

Пример построения диаграммы состояния приведен на рис. 2. На кривых охлаждения (рис. 2, а), построенных для сплавов с различной концентрацией компонентов, отмечают критические точки. Эти точки переносят на координатную сетку диаграммы состояния (рис. 5,б). Соединив точки нача­ла и конца кристаллизации, получают линии ликвидус и солидус.

Таким образом, линия ликвидус - геометрическое место точек начала кристаллизации при охлаждении и конца плав­ления при нагреве.

- высокопрочный, в нем большая часть углерода находится в свободном состоянии в виде графита, имеющего шаровидную форму.

Серый, ковкий и высокопрочные чугуны содержат графит, их излом поэтому получается серого цвета и по цвету и излома все перечисленные чугуны можно называть серыми. Структура серого, ковкого и высокопрочного чугунов состоит графитовых включений и металлической основы, которая может быть ферритной, ферритоперлитной и перлитной.

Рассмотрение процесса кристаллизации чугунов с учетом термодинамических факторов и кинетики образования цементита и графита объясняет появление пунктирных линий на диаграмме системы Fe – Fe₃C и характер их расположения (рис.2).

Рис. 2 Диаграмма состояния системы железо—графит

Линия Е'С'F' (1153°С)—линия фазового равновесия Ж↔А, здесь образуется графитная эвтектика.

Линия Р'S'К' (738⁰С)— линия фазового равновесия А↔Ф+Г, здесь образуется графитовый эвтектоид.

Меньшая способность феррита, аустенита и жидкости растворять графит, чем цементит, приводит к тому, что ли­нии Q'Р', S'Е' и С'D' располагаются левее соответству­ющих линий QР, SE и СD.

Рис. 1 Классификация чугунов по виду изломов

Линия солидус—геометрическое место точек конца кристаллизации при охлаждении и начала плавления при нагреве.

Выше линии ликвидус сплав нахо­дится в жидком состоянии Ж, ниже линии солидус—в твер­дом (α_тв). Между линиями ликвидус и солидус сплав на­ходится в полужидком состоянии (имеются жидкая и твер­дая фазы).

Анализ диаграммы состояния сплава проводится с по­мощью правил фаз и отрезков. Для проведения анализа не­обходимо изучить седующие понятия и определения.

Сплав — сложное вещество, полученное в результате сплавления двух или более компонентов.

а) б)

Рис. 2. Построение диаграммы состояния по кривым охлаждениям

Компонент—составляющая сплава, им могут быть химические элементы или устойчивые химические соединения.

Система — совокупность веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях, при известных условиях (темпера­тура, давление), занимающая определенный объем. Систе­мы, состоящие из одного химического элемента или соеди­нения. называют простыми, а из нескольких — сложными.

Эвтектика — мелкозернистая смесь, состоящая из двух или более фаз, кристаллизующихся одновременно при пос­тоянной температуре из жидкой фазы, имеющая определен­ный состав и наименьшую для данного сплава температуру плавления.

Фаза — однородная внутри тебя часть системы, отделен­ная от других частей (фаз) поверхностью раздела, при пе­реходе через которую строение и свойства меняются скач­ками.

Число степеней свободы (вариантность) системы — число внешних (температура, давление) и внутренних (концентра­ция) факторов, которое можно изменять без изменения чис­ла равновесных фаз в системе.

Правило фаз (закон Гиббса) дает количественную связь между степенью слободы системы и количеством фаз и компонентов для получения равновесного состояния. Правило фаз можно выразить уравнением С=К - Ф+2, где С — число степеней свободы; К — число компонентов; Ф — число фаз; 2 — внешние факторы равновесия (температура, давление). Если принять, что превращения в сплавах практиче­ски происходят при постоянном давлении, тогда правило фаз принимает вид

С=К - Ф+1

Если число степеней свободы С=0 — система безвариантна, при этом нельзя изменить внешний (температуру) или внутренний (концентрацию) факторы без того, чтобы это не вызвало изменения числа фаз. Кристаллизация в данном случае происходит при постоянной температуре.

Если число степеней свободы С=1 — система одновариантна, при этом изменение одного из факторов равновесия не вызывает изменения числа фаз. Процесс кристаллизации протекает при понижающейся температуре.

Если число степеней свободы С=2 — система двухвариантна, возможно изменение обоих факторов равновесия без изменения числа фаз.

Правило отрезков применяется в двух случаях: для на­хождения состава фаз и для определения их количественно­го соотношения.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5