Теоретические сведения. Лабораторная работа №4

Лабораторная работа №4

Анализ фазовых превращений сплавов при охлаждении с использованием диаграмм состояния

Цель работы: построить кривые термического анализа для сплавов данного состава, идентифицировать типы превращений, записать их реакции и схематически показать характер изменения структуры сплава.

Теоретические сведения

Свойства сплава зависят от многих факторов, но прежде всего они определяются составом фаз и их количественным соотношением. Для решения ряда практических задач важно знать, как изменяются строение и свойства сплавов различного состава при их охлаждении и нагреве. С этой целью строят так называемые диаграммы состояния.

Диаграммой состояния называют графическое изображение равновесных фазовых состояний сплавов в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Они характеризуют процессы затвердевания и структурных превращений любых сплавов данной системы при всех охватываемых диаграммой температурах.

Диаграммы состояния изображаются в координатах температура - содержание компонентов. Линии, соединяющие критические точки аналогичных превращений в системе, разграничивают области существования равно-весных фаз. Любая точка на диаграмме определяет фазовый и химический составы сплава, а также его структуру при данной температуре. Вертикальная линия соответствует определенному химическому составу сплава. В зависимости от того, как взаимодействуют компоненты сплавов между собой в твердом состоянии (обладают различной взаимной растворимостью и образуют твердые растворы; образуют эвтектики или химические соединения), различают несколько типов диаграмм.

По диаграмме состояния можно определить температуры плавления, кристаллизации и аллотропических превращений в сплавах, примерно оценить физико-механические свойства сплава, правильно выбрать технологические режимы термической обработки, обработки давлением; с её помощью можно определить оптимальную температуру заливки жидкого металла при получении деталей методом литья и др.

Диаграммы состояния строятся на основании результатов экспериментальных исследований структуры и свойств сплавов различного состава.

Знание диаграмм состояния различных систем, характеризующих превращения в сплавах, и умение анализировать эти превращения позволяют оценить свойства сплавов и в конечном итоге рационально выбрать материал для тех или иных изделий в зависимости от предъявляемых к ним требований.

В сплаве в процессе кристаллизации могут присутствовать следующие твердые фазы исходные компоненты; твердые растворы; химические соединения.

Исходные компоненты, образующие сплав, могут не вступать в соединения и химические реакции друг с другом в твердом состоянии. В этом случае каждый компонент после кристаллизации сохраняет свою кристаллическую решетку. Структура сплава представляет собой смесь из зерен отдельных компонентов с пренебрежимо ничтожной взаимной растворимостью.

Твердые растворы – это кристаллы, образовавшиеся в результате распределения атомов одного компонента в кристаллической решетке другого компонента. У твердого раствора кристаллическая решетка одного из компонентов (растворителя) сохраняется, а атомы растворенного компонента располагаются в его решетке, изменяя только ее параметры. Кристаллическая решетка твердых растворов может состоять из атомов двух или нескольких компонентов. Различают твердые растворы замещения, когда атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в узлах кристаллической решетки, и твердые растворы внедрения, когда атомы растворенного компонента располагаются в междоузлиях решетки растворителя.

Твердые растворы замещения бывают неограниченные и ограниченные, а твердые растворы внедрения, как правило, с ограниченной растворимостью.

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_mВ_n , где А и В – компоненты сплава, а m и n – простые числа;

– постоянную температуру плавления (диссоциации).

В отличие от твердых растворов, химические соединения обычно образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток.

Основой термического анализа является построение кривых охлаждения. Кривые охлаждения – графические зависимости температуры охлаждающейся смеси от времени охлаждения.

Микроструктура сплава определяется процессами, происходящими при охлаждении сплава при его кристаллизации из расплава. Исследования этих процессов основаны на таких классических методах материаловедения, как термический анализ, позволяющий получать кривые охлаждения с построением на их основе диаграммы состояния данной системы сплавов и микроскопический анализ, дающий возможность изучить и получить точные количественные оценки его микроструктуры.

Термический анализ основан на измерении теплового эффекта, сопровождающего все превращения (перестройки в расположении атомов, молекул) вещества при соответствующих температурах. Переход из одного агрегатного состояния в другое, изменение кристаллического строения или структурных составляющих сплава происходят с выделением тепла при охлаждении или поглощением его при нагревании. Например, при охлаждении, когда пар конденсируется в жидкости, жидкость переходит в твёрдое состояние, процессы сопровождаются выделением тепла. И, наоборот, при нагреве процессы таяния льда, испарения жидкости сопровождаются поглощением тепла.

Сущность метода термического анализа заключается в следующем: если вещество нагревать или охлаждать с заданной скоростью, изменяя непрерывно его температуру, то к моменту выделения или поглощения тепла температура вещества будет изменяться со скоростью, отличной от заданной.

Это отражается на форме кривых охлаждения или нагрева, построенных в координатах температура–время.

Задачи расчетно-графической работы включают: освоение методики построения кривых охлаждения по диаграмме состояния, использование правила отрезков для определения процентного соотношения фаз при определенной температуре, анализ микроструктуры и соответствующих свойств данного сплава

Практическая часть

Построение кривых термического анализа, идентификацию типов превращений, запись их реакции и характер изменения структуры проведем на примере для сплавов Pb-Sb различных составов.

Рисунок 4.1 – Диаграмма состояния Pb-Sb

Таблица 4.1 – Состав исследуемых сплавов

На диаграмме состояния системы Рb−Sb линия АСВ – линия ликвидуса, т. е. геометрическое место всех точек, которые определяют температуру начала кристаллизации сплавов. Линия солидуса DСЕ соответствует точкам, определяющим температуру конца кристаллизации сплавов.

Вид кривых охлаждения чистых металлов и сплавов различных концентраций для системы Pb, Sb показан на рис. 4.2.

Кривая охлаждения I относится к чистому свинцу. При температурах выше точки 1 (327 °С) свинец находится в жидком состоянии. На горизонтальном участке кривой 1–1′ идет кристаллизация свинца. Ниже точки 1′ (ниже 327 °С) идет охлаждение твердого слитка.

Кривая II относится к сплаву с 94 % Pb и 6 % Sb. Кристаллизация начинается в точке 1 (296 °С), из жидкости выделяются кристаллы свинца. В данном случае компонентов – два, фазы – две (жидкость и кристаллы свинца).

Так как на участке кривой 1–2 из жидкости с понижением температуры выделяются кристаллы свинца, жидкость обогащается сурьмой.

В момент начала выделения кристаллов свинца в точке 1 жидкость сплава содержала 6 % Sb, в точке 2 жидкость уже содержит 13 % Sb и 87 % Рb. Как только достигается это соотношение компонентов, выделение и рост кристаллов свинца прекращаются, а оставшаяся жидкость сплава кристаллизуется в виде смеси мелких кристаллов Рb и Sb.

Реакция, в результате которой из жидкого сплава при постоянной температуре образуются кристаллы двух фаз, записывается и читается следующим образом: . Жидкая фаза сплава состава точки С при t = 246 °С кристаллизуется в виде смеси кристаллов свинца и сурьмы – эвтектики. В период эвтектического превращения в равновесии находятся три фазы: жидкая, кристаллы свинца и кристаллы сурьмы.

Система безвариантна (нонвариантна), т. е. температура и число фаз должны оставаться постоянными. Наличие горизонтального участка на кривой охлаждения отражает постоянство температуры. Температура остается постоянной до полного исчезновения одной из фаз – жидкости.

У сплава III, содержащего сурьмы 13 %, из жидкости при постоянной температуре 246 °С (на участке 1–1′ кривой охлаждения) выделяются два вида кристаллов Рb и Sb в виде равномерной смеси. Сплав III называют эвтектическим, он имеет самую низкую температуру кристаллизации (слово эвтектика означает легкоплавкая).

В сплаве с содержанием сурьмы более 13 % (IV) в точке 1 начинают выделяться кристаллы сурьмы из жидкости, а сплав обогащается свинцом. Когда температура снизится до 246 °С (точка 2), жидкость будет содержать 13 % Sb, и при постоянной температуре образуется эвтектика.

В сплавах с содержанием сурьмы более 13 % (кривая IV на рис. 4.2) при кристаллизации в первую очередь выделяются избыточные зерна сурьмы (участок 1–2). На участке 2–2′ происходит кристаллизация эвтектики. Ниже точки 2′ идет охлаждение твердого сплава из эвтектической смеси и первичных кристаллов сурьмы (схема структур на рис. 4.2).

Сплавы, расположенные левее точки С и имеющие концентрацию сурьмы менее 13 %, называются доэвтектическими. Процесс их кристаллизации начинается с выделения кристаллов свинца, имеющего избыточную концентрацию по отношению к эвтектике.

Сплавы, содержащие более 13 % сурьмы и лежащие правее точки С на диаграмме состояния, называются заэвтектическими. Процесс их кристаллизации начинается с выделения сурьмы. У всех сплавов системы Рb−Sb процесс кристаллизации заканчивается при постоянной температуре с образованием эвтектики. Поэтому диаграмма состояния, показанная на рис. 5.1, – одна из простейших для сплавов, образующих эвтектические смеси из чистых компонентов.

Диаграмма состояния Sn-Sb

Диаграмма состояния Cu-Be

Диаграмма состояния Al-Cu

Диаграмма состояния Pb-Mg

Диаграмма состояния Mg-Ca

Диаграмма состояния Cu-As