Цель работы

 

Освоение методики построения диаграмм состояния с использованием метода термического анализа и экспериментальное построение диаграммы состояния системы свинец – олово по кривым охлаждения сплавов.

 

Диаграмма состояния сплавов какой-либо системы графически изображает изменения, происходящие в сплавах этой системы при изменении концентрации и температуры, и позволяет правильно назначать режимы их обработки: горячей обработки давлением, термической обработки, литья.

Диаграммы состояния строят на основании данных термического анализа, с помощью которого определяют температуры фазовых превращений, происходящих в сплавах, т.е. так называемые критические точки.

Критические точки металлов и сплавов определяют путем непрерывного наблюдения за изменением температуры сплава, охлаждаемого от состояния полного расплавления до комнатной температуры. График изменения температуры сплава во времени называют кривой охлаждения.

Фазовые превращения, происходящие в сплавах при охлаждении, сопровождаются выделением скрытой теплоты, кристаллизации компенсирующей отвод тепла во внешнюю среду и замедляющей снижение температуры сплава. Превращения, происходящие при постоянной температуре, отмечаются на кривой охлаждения площадкой, а протекающие в интервале температур - точками перегибов в начале и в конце превращения.

По найденным критическим точкам для большого числа сплавов различного состава строится диаграмма состояния. При ее построении по горизонтальной оси откладывается состав сплава в процентах, а по вертикальной - температуры. Все критические точки переносятся на ординаты соответствующих сплавов. Одноименные критические точки соединяют плавными линиями и таким путем получают диаграмму состояния.

Тип диаграммы состояния определяется характером взаимодействия веществ (компонентов), образующих систему сплавов.

Настоящая работа состоит в построении диаграммы состояния системы Pb-Sn методом термического анализа. Оба компонента (свинец и олово) в жидком состоянии полностью взаимно растворимы в любых соотношениях. В твердом состоянии они отличаются ограниченной взаимной растворимостью, уменьшающейся при снижении температуры, и не образуют химических соединений.

Линии DF и EG (рис. 5.1) представляют собой линии предельной растворимости соответственно олова в свинце и свинца в олове. Максимальная растворимость олова в свинце соответствует точке D (19, 5% Sn, остальное свинец), а свинца в олове в точке E (97, 4% Sn, остальное свинец). Линия АСВ называется линией ликвидус: выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии. Линия ADCEB - линия солидус, ниже нее все сплавы находятся в твердом состоянии.

 

Рис. 5.1. Диаграмма состояния системы свинец-олово. Схемы кривых охлаждения и микроструктур сплавов

 

Проследим за процессом кристаллизации сплавов, отличающихся по характеру протекающих в них превращений и структуре.

Кристаллизация сплава II начинается в точке 1 выделением из однородного жидкого раствора кристаллов α -твердого раствора замещения олова в свинце. В точке 2 последние капли жидкости переходят в твердое состояние, т.е. кристаллизация сплава заканчивается образованием α -твердого раствора во всем объеме сплава. В интервале температур между точками 2 и 3 сплав охлаждается, не претерпевая никаких превращений. В точке 3 твердый α -раствор становится насыщенным относительно олова. При дальнейшем медленном охлаждении сплава растворимость олова в свинце уменьшается (линия DF) и сплав становится пересыщенным оловом. Поэтому избыток олова выделяется с образованием кристаллов β _п-твердого раствора свинца в олове. При этом химический состав α -твердого раствора изменяется по линии DF и при 20°С в нем содержится около 1% Sn (точка F).

Аналогичные превращения происходят в сплавах содержащих от 97, 4 до 99% олова, но с той разницей, что в результате первичной кристаллизации выпадают кристаллы β -твердого раствора, а вторичная кристаллизация сопровождается образованием вторичных кристаллов α _п.

Таким образом, сплавы, содержащие от 1 до 19, 5% Sn (остальное свинец) и более 97, 4% (до 99%) Sn (остальное свинец), имеют три критические точки, выражающиеся на кривой охлаждения тремя перегибами (рис. 4.1).

Сплав IV состава точки С (61, 9% Sn и 38, 1% Рb) называется эвтектическим. Он затвердевает при постоянной эвтектической температуре t _э= 183°Сс образованием тонкой механической смеси (эвтектики), состоящей из мелких кристалликов твердых растворов на основе свинца и олова состава точек D и Е.

Чистые металлы - свинец и олово (сплавы I и VI на рис. 4.1), как и эвтектический сплав, начинают и заканчивают кристаллизацию при одной и той же температуре, и имеют на кривых охлаждения только горизонтальную площадку, т.е. одну критическую точку.

Все сплавы с концентрацией от 19, 5 до 61, 9% Sn (доэвтектические) и от 61, 9 до 97, 4% Sn (заэвтектические) заканчивают кристаллизацию при эвтектической температуре.

В доэвтектическом сплаве III кристаллизация начинается в точке I выделением из жидкости кристаллов a-твердого раствора, а в заэвтектическом (сплав V) - β -твердого раствора. В процессе охлаждения от точки 1 до точки 2 количество твердой фазы в сплаве увеличивается, а жидкой - уменьшается. Состав твердой части сплава изменяется по линии солидус, а жидкой части – по линии ликвидус. По достижении эвтектической линии оставшаяся жидкость приобретает эвтектический состав и при постоянной температуре t _э = 183°С протекает эвтектическое превращение: из жидкости состава точки С одновременно выпадают кристаллы двух твердых растворов - α и β, т.е. образуется эвтектика.

Таким образом, доэвтектические и заэвтектические сплавы имеют две критические точки: верхнюю, соответствующую началу кристаллизации (перегиб на кривой охлаждения), и нижнюю, соответствующую окончанию кристаллизации с образованием эвтектической смеси (площадка на кривой охлаждения).

Кривую охлаждения сплава можно записать с помощью потенциометра, датчиком которого служит термопара, погружаемая в жидкий сплав.

Для определения критических точек на кривой охлаждения находят перегибы и (или) площадки и, учитывая масштаб записи, определяют значения соответствующих температур.

 

Порядок выполнения работы

 

Для проведения работы студенты разбиваются на бригады по 2-3 человека. Две бригады получают чистые металлы (свинец и олово), остальные бригады – сплавы свинца и олова различной концентрации.

Каждой бригаде предоставляется тигельная печь, высокотемпературная термопара, тигель со сплавом, секундомер и специальная подставка.

Для выполнения работы необходимо:

1. Опустить тигель со сплавом в тигельную печь, расплавить металл, немного перегрев его выше температуры плавления;

2. Вынуть тигель с расплавленным сплавом из печи и установить на специальной подставке;

3. Через каждые 30 с в п. 4 бланка отчета записывать значения температуры. Запись прекратить, когда температура сплавов и чистого олова снизится до 140-150°С, а чистого свинца - до 250 °С;

4. На основании полученных данных в п. 5 бланка отчета построить кривую охлаждения сплава;

5. По кривым охлаждения определить критические точки начала и конца кристаллизации сплавов и записать их в таблицу на доске;

6. По результатам работы всех бригад заполнить п. 6 бланка отчета;

7. В п. 7 бланка отчета на оси абсцисс отметить точки, соответствующие составам исследованных сплавов, и из каждой точки восстановить перпендикуляр, т. е. провести линии сплавов. На каждой линии сплава отметить температуры критических точек. Соединить между собой плавными линиями точки, отвечающие одноименным фазовым превращениям. В каждой области построенной диаграммы указать фазовый и структурный состав;

8. В п. 3 бланка отчета дать схему установки, включающую вертикальный разрез тигельной печи с тиглем, сплавом и термопарой.

 

Контрольные вопросы:

 

1. Какой принцип построения диаграммы Fe-C?

2. Какие фазовые превращения происходят в сплавах при охлаждении и нагреве?

3.Для чего необходима диаграмма состояния сплавов?

4. Что такое критические точки превращения в сплавах?

5. Что определяет тип диаграммы состояния?

6. Что такое ликвидус и солидус?

7. Какие кривые охлаждения имеют чистые металлы?

8. Что такое эвтектика, перитектика и эвтектоида. Их отличие?

9. Что такое Fe₃C, его кристаллическая решетка и свойства?

10. Что называется сталью и чугуном? Показать на диаграмме Fe-C.

 

Литература

 

1. Арзамасов Б.Н. и др. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 2002. – 648 с.

2. Лахтин Ю.М. Леонтьева Б.Н. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1990. – 528с.

3. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учеб. пособие / под ред. В.С. Чередниченко. - 3-е изд., стер. - М.: Омега-Л, 2007. - 752 с.

4. Ржевская С.В. Материаловедение: Учеб. для вузов. – 4-е изд. – М.: Логос, 2004. – 424 с.