Построение диаграмм состояния сплавов

Цель работы: освоить термический метод построения диаграмм состояния сплавов и научиться определять по диаграмме физическое состояние сплава, состав отдельных фаз, их количество и соотношение.

Оснащение рабочего места

1. Термоэлектрический пирометр – 5 шт.
2. Электрическая нагревательная печь – 2 шт.
3. Металлический тигель с исследуемым сплавом – 5 шт.
4. Градуировочная кривая для каждого пирометра – 5 шт.
5. Секундомер – 5 шт.
6. Учебно-методические пособия – 14 шт.

Основные положения

Сплав - это система, состоящая из нескольких компонентов.

Компоненты в сплаве могут группироваться, передвигаться, обмениваться энергией, но всегда стремятся занять равновесное (устойчивое) положение с минимальным запасом свободной энергии.

Компонентами сплава в большинстве случаев являются металлы, причем компонентами считаются только те из них и в таком количестве, когда они заметно влияют на свойства сплава. Таким образом, изменяя количество компонентов в сплаве, можно конструировать материал с необходимыми свойствами.

По взаимодействию компонентов сплавов в твёрдом состоянии они делятся на твердые растворы, механические смеси и химические на соединения.

В твёрдых растворах кристаллические решетки компонентов похожи и в узлах одной кристаллической решетки расположены атомы разных компонентов.

В механических смесях компоненты не взаимодействуют и каждый компонент образует свой кристалл (зерно) со своей кристаллической решеткой (получается механическая смесь зерен компонентов).

В химических соединениях компоненты взаимодействуют, образуя химическое соединение с новой кристаллической решеткой (не похожей на решетки компонентов).

В твёрдом состоянии сплавы состоят из одной или нескольких фаз (они разного строения, формы, химического состава и количества) и часто включают в себя химические соединения. Кристаллические решетки, т.е. расположение атомов и расстояние между ними определены для 150 тыс. фаз и химических соединений [1].

Фазой в сплаве называется однородная его часть, отделённая от других частей поверхностью раздела (границей), при переходе через которую скачкообразно изменяются свойства. От чего могут резко измениться свойства? Только оттого, что через границу совсем другое строение и химический состав соседней части сплава.

Для десятков тысяч сплавов построены диаграммы состояния. Они показывают физическое состояние и строение сплава в зависимости от концентрации компонентов (химического состава) и температуры.

Анализ диаграмм состояния сплавов позволяет судить об их технологических и физических свойствах.

Диаграммы состояния сплавов строятся разными методами. В данной работе для построения диаграммы состояния используют термический метод.

Рассмотрим диаграмму состояния сплавов системы Cu-Ni (твердые растворы), изображённую на рисунки 1.

Рисунок 1 - Диаграмма состояния сплавов системы Cu-Ni и графики охлаждения

Из рисунка 1 следует:

• резкие изломы на графике охлаждения сплава, состоящего из 50% Ni и 50% Cu, в точках 1 и 2 свидетельствуют о резком изменении скорости охлаждения, что возможно только при изменении свойств сплава, в результате изменения строения сплава. Следовательно, при температуре точки 1 и 2 изменится строение сплава. При его охлаждении при t_н появляется твёрдая фаза, т.е. начинается кристаллизация. При температуре точки 2 t_к затвердела последняя капля жидкого расплава и закончилась кристаллизация;
• чистые компоненты (см. график охлаждения чистой меди) начинают кристаллизацию (затвердевание) в точке 1 (t_н) и заканчивает в точке 2 (t_к) при постоянной температуре;
• твёрдые растворы (см. график охлаждения сплава (50% Cu + 50% Ni) затвердевают при переменной температуре.

Если взять 1000 сплавов с разным соотношением Cu и Ni, получим по 1000 точек 1 и 2. Соединяя точки 1, получим линию ликвидус – температуры начала кристаллизации сплавов при охлаждении и конца расплавления при нагревании. Точки 2 дадут нам линию солидус – температуры конца кристаллизации при охлаждении и начала расплавления при нагревании сплавов. В этом суть термического метода построения диаграмм состояния сплавов.

Между линиями ликвидус и солидус (температуры t_н и t_к) существуют две фазы - жидкая (ж) и твёрдая (a). Длина горизонтальных отрезков соответствует количеству этих фаз при данной температуре t, а перпендикуляр, опущенный из точки пересечения их с линиями диаграммы, - соответствует химическому составу этих фаз.

Определяют принадлежность какой-либо фазе по правилу «родился → растёт». Так, при охлаждении сплава 50% Cu + 50 %Ni в точке 1 «родилась» твёрдая фаза (a), следовательно, отрезок, который будет расти с понижением температуры, покажет количество твёрдой фазы a.

Итак, для сплава 50%Ni и 50%Cu:

• при температуре t длина отрезка ac характеризует количество всего сплава, aв – количество твёрдой фазы a, вc – количество жидкой фазы (ж), причем твёрдая фаза имеет концентрацию (химсостав) К_тв, жидкая – К_ж;

Количество жидкой фазы при температуре t

; (1)

количество твердой фазы при температуре t

; (2)

• при понижении температуры до t^! имеем: а^! с^!- количество всего сплава; а^! в^! – количество твердой фазы a (увеличилось); в^! с^! – количество жидкой фазы Ж (уменьшилось); изменилась и концентрация этих фаз (см. проекции точек а^!, с^! на ось концентраций);
• при понижении температуры до точки 2 (t_к): а^!! в^!! – количество всего сплава; a= а^!! в^!!; Ж = 0 (закристаллизировалась последняя капля Ж), т.е. сплав полностью твёрдый, и его состав соответствует точке в^!! (точке 2), т.е. (50% Cu + 50% Ni).

Рассмотрим диаграмму состояния сплавов системы Рb – Sb (эти металлы образуют сплав – механическую смесь чистых компонентов), изображённую на рис. 2.

Рисунок 2 - Диаграмма состояния сплавов системы Pb - Sb и график охлаждения сплавов I и II

• Имеется такая концентрация компонентов (см сплав I), которая называется эвтектической (К_э) и при которой кристаллизация начинается (точка 1) и заканчивается (точка 2) при постоянной и наименьшей температуре 246ºС для данной системы (см. график охлаждения сплава I). При этом одновременно образуется механическая смесь компонентов, которая называется эвтектикой (Э);
• при температурах выше линии ликвидус (верхняя линия на любой диаграмме) сплавы находятся в жидком состоянии (Ж), а при температурах ниже линии солидус (сверху вторая линия на любой диаграмме), - в твёрдом состоянии. При температурах между этими линиями есть твёрдая и жидкая фазы.
• при охлаждении сплава II имеем: при температуре точки 1 (t_н) начинается кристаллизация (родилась твёрдая фаза); при понижении температуры до t имеется ас – количество всего сплава, количество твёрдой фазы равно ав, жидкой – вc, причем концентрация жидкой фазы определяется проекцией точки а (К_ж), твёрдой фазы - проекцией точки с, т.е. твёрдая фаза Sb 100% = зерна чистого Sb; при температуре t^! – a^! в^! (родился → растёт) = количество зерен Sb (растет), в^! c^! – количество жидкой фазы Ж, причем концентрация Ж определяется проекцией точки а^!. При температуре точки 2 (t_к) концентрация остатка Ж будет равна К_э, и из неё будет образовываться эвтектика (Э) при постоянной температуре (см. на графике охлаждения сплава II участок 2’ – 2). Следовательно, при температурах ниже точки 2 (t_к) имеем структуру: зерна Sb, выделившиеся из жидкого расплава, + эвтектика (Э).

Задание студенту

Подгруппа делится на пять бригад (по числу сплавов), каждая из которых исследует только один сплав. Данные по другим сплавам берутся у других бригад.

Сплав
Sb,% Pb,%
Интервал записи времени, мин	1,0	0,5	0,5	0,5	1,0

До начала лабораторной работы готовятся чистые компоненты (сплав 1 и 5) и серия сплавов разного состава (сплав 2, 3, 4) по 150 – 200 г, которые помещают в металлические тигли лабораторной установки (рис. 3).

Установка для эксперимента состоит из электрической печи, тигля с расплавом и термоэлектрического пирометра.

Термоэлектрический пирометр применяется для измерения температуры сплава. Он состоит из термопары ХК и гальванометра. Термопара ХK представляет собой две изолированные проволоки из разнородных сплавов: хромель + копель. Такая термопара позволяет измерять температуру от – 200ºС до + 600ºС.

Hа одном конце проволоки сварены. Этот конец называется горячим спаем и погружается в расплав. Противоположные концы, называемые холодным спаем, подключены к гальванометру.

При нагревании горячего спая в замкнутой электрической цепи возникает термоэлектродвижущая сила, прямо пропорциональная разности горячего и холодного спая. Величина ее измеряется по отклонению стрелки гальванометра.

Рисунок 3 - Схема лабораторной установки для определения температуры сплавов:

1 - электрическая печь; 2 - тигель со сплавом; 3 - термоэлектрический пирометр (термопара + соединительные провода + гальванометр)

Рисунок 4 - Тарировочный график для градуировки термоэлектрических пирометров сплавов

Для перевода показаний гальванометра в температуру пирометр градуируют. Для каждого пирометра должна быть своя градуировочная кривая (рис. 4).

Пирометр градуируют по эталонному пирометру или по критическим точкам чистых металлов и солей (их температуры известны, см. рис. 4).

Для проведения опыта каждый из пяти сплавов помещают в металлический тигель и нагревают до расплавления.

Затем тигель с расплавом извлекают из печи и в процессе охлаждения сплава записывают показания гальванометра через 0,5 или 1,0 мин.

По градуировочной кривой показания гальванометра переводят в температуру и заносят их в отчет по работе.

Для построения кривой охлаждения на графике в координатах «температура – время» наносят в виде точек все значения температур через заданный интервал времени: 0,5 или 1,0 мин.

Кривая проводится в направлении, на котором лежит наибольшее количество точек. По перегибам кривой и горизонтальным площадкам определяются критические точки: t_н и t_к – температура начала и конца кристаллизации сплава.

Содержание отчета

1. Записать основные положения.

2. Зарисовать схему лабораторной установки (рис. 3) с обозначением позиции и описать проведение эксперимента.

3. Построить кривую охлаждения «своего» сплава.

4. Зарисовать кривые охлаждения «других» сплавов.

5. На кривых охлаждения всех сплавов определить и обозначить температуры (критические точки) t_н, t_к.

1. По точкам t_н и t_к построить диаграмму состояния сплавов, обозначить на ней фазовый состав (строение) сплавов и зарисовать структуру сплавов в твёрдом состоянии.
2. По построенной диаграмме начертить график охлаждения сплава (20% Sb + 80% Pb).

Контрольные вопросы

1. Для чего нужна диаграмма состояния сплавов?

2. Как строят диаграммы состояния?

3. Что видно (что можно определить) по кривым охлаждения сплавов?

4. Какие материалы и оборудование нужны для построения кривых охлаждения сплавов?

5. Назовите линии диаграммы состояния сплавов.

6. Какие физические процессы начинаются или заканчиваются при температурах, соответствующих линиям диаграммы состояния?

7. Проведите анализ построенной диаграммы состояния: количество каждой из фаз, химический состав фаз.

8. Выберите по построенной диаграмме химический состав сплава, который будет наилучшим припоем.

9. Что называется эвтектикой? И какими особенностями строения и свойств она обладает?

Литература

1. Вестник Российской Академии наук, 1995, № 6, с. 557.

2. Геллер Ю.А. и др. Материаловедение М.: Металлургия, 1975.

3. Сидорин И.И. и др. Основы материаловедения. М.: Машиностроение, 1976.

4. Никифоров В.М. Технология металлов и конструкционные материалы. М.: Высшая школа, 1980.

5. В. Юн-Розери. Введение в физическое металловедение. М.: Металлургия, 1965.

6. Кан Р. Физическое металловедение. М.: Мир, 1968.

Лабораторная работа № 5