Анализ диаграмм двухкомпонентных сплавов.

Анализ диаграмм двухкомпонентных сплавов.

Методическое указание к лабораторным работам по курсу

«Материаловедение»

Под редакцией проф. Лебедева В.В.

Калуга 2001 г.

Лабораторная работа № 4.

Анализ диаграммдвухкомпонентных сплавов.

Задание и порядок выполнения работы:

Прежде чем приступать к выполнению работы, необходимо четко усвоить понятия о компонентах, фазах и структурных составляющих сплавов, познакомиться с типовыми диаграммами двухкомпонентных сплавов. Далее работать по следующему плану.

1. Определить и записать в отчет компоненты заданной диаграммы.

2. Определить тип заданной диаграммы, дать ее характеристику, указав характер взаимодействия заданных компонентов (отсутствует или имеется растворимость компо­нентов в твердом состоянии, ограничена их растворимость или неограниченна, постоянна или переменна, образуют ли компоненты химические соединения).

3. Дать буквенные обозначения всем точкам и линиям, обозначить фазовый состав в каждой области заданной диаграммы, выписать в отчет все присутствующие в сплавах фазы.

4. Письменно дать характеристику каждой фазы, описав при этом:

а) что представляет собой жидкая фаза;

б) для кристаллов чистых компонентов указать их температуры плавления и поли­
морфных превращений (если таковые имеются);

в) для кристаллов химических соединений (промежуточных фаз) указать формулу,
химический состав, температуры плавления;

г) для кристаллов каждого из твердых растворов указать, что в чем растворено, тип
раствора (ограниченный или неограниченный), определить и записать в отчете предельные концентрации твердых растворов и их изменения при изменении температуры:

5. Дать характеристику наиболее важных точек диаграммы таких как:

а) температура плавления чистых компонентов и химических соединений;

б) температура полиморфных превращений чистых компонентов;

в) эвтектические и эвтектоидные точки;

г) точки, характеризующие предельные концентрации твердых растворов и проме­жуточных фаз;

6. Дать характеристику важнейших линий диаграммы:

а) определить линии ликвидус и солидус (что они обозначают);

б) определить линии изотермических превращений (эвтектических, перитектических, эвтектоидных). Написать схемы этих превращений, указав буквами составы участ­вующих фаз;

в) определить линии полиморфных превращений и обозначить их схемы;

г) определить линии, характеризующие изменение концентраций твердых раство­ров при изменении температуры;

7. Обозначить на диаграмме заданный сплав, проведя соответствующую его соста­ву ординату (лучше цветным карандашом или фломастером) обозначить и пронумеровать его критические точки, построить в отчете кривую охлаждения в координатах "температура - время", обозначить на ней схематично происходящие превращения и описать их в тексте.

8. Зарисовать и описать структуру заданного сплава при комнатной температуре. Записать возможные варианты структур для других сплавов заданной диаграммы при комнатной температуре.

9. Провести фазовый анализ заданного сплава при заданных температурах, опреде­лив при этом:

а) концентрацию компонентов в каждой из присутствующих фаз;

 

б) относительное весовое количество присутствующих фаз; (с помощью правила отрезков");

Результаты анализа оформить в виде таблицы по прилагаемой форме:

 

Таблица 1.

Состав сплава	Темпера­тура °С	Фазовый состав сплава и химический состав фаз	Относительное весовое кол-во фаз

Значение диаграмм состояния.

Диаграмма состояния - это графическое изображение состояния сплавов в системе координат ''температура - концентрация". Она показывает, как с изменением температуры и химического состава изменяются структура, количество фаз и их концентрация.

Умея анализировать диаграмму состояния, можно представить полную картину кристаллизации сплава, процессы перекристаллизации сплава в твердом состоянии, а так­же определить оптимальную температуру заливки, оценить его жидкотекучесть, склон­ность к ликвации. Диаграмма позволяет установить виды и температурные режимы тер­мической обработки.

Основные понятия.

Вещества (элементы), образующие сплавы, называют компонентами. Их принято обозначать в общем случае буквами А, В, С и т.д. В сплавах компоненты различно взаи­модействуют друг с другом в твердом состоянии, образуя те или иные фазы. Фазой назы­вают однородную по составу и атомно-кристаллическому строению часть сплава.

При сплавлении двух компонентов могут образовываться твердые растворы, хими­ческие соединения и смеси.

Если атомы компонента В размещаются (растворяются) в кристаллической решет­ке компонента А, не изменяя ее типа, то это будет твердый раствор - , а при растворении компонента А в компоненте В - твердый раствор - . Растворимость компонентов А и В может быть неограниченной и ограниченной. Если компоненты образуют твердый огра­ниченный раствор, то его предельная концентрация как правило изменяется с изменением температуры.

Химические соединения - это фазы, имеющие более сложную кристаллическую решетку, чем сплавляемые компоненты. Они имеют постоянный химический состав, отве­чающий формуле А_m В_n.

Если в химическом соединении растворяется один из исходных компонентов А или В, то соответствующие твердые растворы на базе химического соединения также как обычные твердые растворы обозначают буквами греческого алфавита , ,,. и т.д. В сложных диаграммах образующиеся в системе химические соединения можно условно рассматривать как самостоятельные компоненты для оценки характера протекающих в сплавах превращений.

Рентгеновский анализ твердых растворов или химических соединений показывает только один тип кристаллической решетки, и лишь спектральный или химический анали­зы могут зафиксировать наличие двух компонентов.

При кристаллизации многих сплавов, образуются структуры, состоящие из не­скольких фаз. Фазы, образующие эти структуры, обнаруживаются под микроскопом, а

 

рентгенограмма такого сплава показывает наличие разных кристаллических решеток. Та­кая структура представляет собой смесь фаз. Сплавы с неоднородной (гетерогенной) структурой могут образовываться, когда компоненты не обладают полной взаимной рас­творимостью в твердом состоянии, образуя структуры, состоящие из:

а) насыщенного твердого раствора и избыточных кристаллов чистого компонента;

б) двух насыщенных твердых растворов;

в) насыщенного твердого раствора и кристаллов химического соединения.

Так, избыточные кристаллы чистого компонента или химического соединения час­то присутствуют в структуре сплавов, располагаясь в виде обособленных включений по границам зерен твердого раствора или в объеме самих зерен.

В ряде случаев в процессе кристаллизации сплавов может образоваться смесь фаз эвтектического и эвтектоидного состава. Они могут быть образованны кристаллами чис­тых компонентов (при отсутствии взаимной растворимости), твердыми растворами или химическими соединениями, а также различными комбинациями этих трех фаз.

Типовые диаграммы двойных систем и кривые охлаждения сплавов.

Диаграммы состояния характеризуют превращения, протекающие при медленном охлаждении (нагревании) сплавов. В зависимости от состояния сплавов они протекают различно. Следовательно, разные сплавы могут иметь разные по характеру кривые охлаж­дения, построенные в системе координат "температура - время".

На рис. 1 - 4 приведены основные типы диаграмм состояния и кривые охлаждения сплавов.

Кристаллизация чистых металлов происходит при постоянной температуре с оп­ределенными тепловыми эффектами, вследствие чего на кривых охлаждения при темпера­туре затвердевания обнаруживается остановка (горизонтальный участок). На диаграммах состояния кристаллизация чистых компонентов происходит при температурах, которым соответствуют точки А и В на осях координат (рис. 1а). В двухкомпонентных системах первичная кристаллизация может протекать при постоянной температуре только в сплавах эвтектического состава (рис. 1а, сплав П). Кристаллизация всех остальных сплавов проис­ходит в интервале температур. Так как образование кристаллов из жидкости идет с выде­лением тепла, то этому процессу соответствует замедление охлаждения сплава и измене­ние наклона кривой охлаждения. Поэтому начало кристаллизации характеризуется пере­гибом на кривой охлаждения.

В сплавах, компоненты которых не растворимы друг в друге в твердом состоянии, сначала в интервале температур идет кристаллизация одного из чистых компонентов, из­быточного по отношению к эвтектическому составу. Затем при постоянной температуре кристаллизация заканчивается образованием из оставшейся жидкости эвтектической сме­си кристаллов по реакции:

Ж-->А + В (рис. 1а)

В сплавах с полной растворимостью компонентов кристаллизация во всех случаях идет в интервале температур с образованием структуры однородного твердого раствора (рис. 16).

В сплавах с ограниченной растворимостью компонентов (рис. 1в) кристаллизация начинается с выделения избыточных кристаллов твердого раствора а или |3 и протекает в интервале температур. Заканчивается этот процесс при постоянной температуре (линия дск) образованием эвтектики, состоящей из кристаллов твердых растворов по реакции:

Ж--> α+β

В системе с перитектическим превращением (рис. 1г) на кривой охлаждения сплава 1 в начале наблюдается перегиб, соответствующий началу кристаллизации а - раствора, а затем горизонтальный участок, отвечающий перитектическому превращению:

Ж + α-->β

Рис. 1.