Построение диаграмм состояния термическим методом
Практическая работа №2
ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ
Цель работы
1. Изучить основные положения теории фазового равновесия сплавов и методику построения диаграмм состояния с помощью метода термического анализа.
2. На основе результатов экспериментальных исследований построить диаграммы состояния сплава, образующего механические смеси из чистых компонентов (сплав свинец-сурьма),сплава с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (сплав медь - никель) и сплава с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (сплав свинец - олово).
Теоретические положения
Основные определения и правило фаз
Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния сплава в зависимости от его температуры и состава.
Диаграмма состояния показывает устойчивые (равновесные) состояния, то есть состояния сплава, которые при данных условиях обладают минимумом свободной энергии. Поэтому диаграмму состояния также называют диаграммой равновесия.
Фазой называется однородная часть сплава, отделенная от других частей поверхностью раздела. При переходе через поверхность раздела химический состав или структура сплава изменяются скачкообразно.
Однородная жидкость является однофазной системой, а механическая смесь двух видов кристаллов – двухфазной, так как каждый кристалл отличается от другого по составу или по строению и они отделены один от другого поверхностью раздела.
Компоненты сплава – простые вещества, образующие сплав. Чистый металл представляет собой однокомпонентную систему, сплавов из двух металлов – двухкомпонентную и т. д.
Число степеней свободы (вариантность системы) - число внешних и внутренних факторов, которые можно изменять без изменения числа фаз в системе.
Если число степеней свободы равно 0 (нонвариантная система), то нельзя изменить внешние и внутренние факторы системы без того, чтобы это не вызвало изменения числа фаз. Если число степеней свободы равно единице (моновариантная система), то возможно изменение в некоторых пределах температуры или концентрации и это не вызовет уменьшения или увеличения числа фаз.
Правило фаз или закон Гиббса представляет собой математическое выражение условия равновесия системы. Для металлов и сплавов, находящихся при постоянном давлении, закон Гиббса имеет вид:
С=К-Ф+1,
где С – количество степеней свободы,
К – количество компонентов сплава,
Ф – количество фаз сплава.
Степень свободы чистого однокомпонентного металла (К = 1) в процессе кристаллизации изменяется следующим образом. Когда металл находится в жидком состоянии, то есть Ф = 1 (одна фаза жидкость), С = 1(С = К-Ф+1=1-1+1=1). Температуру в данном случае можно изменять в некоторых пределах, не изменяя агрегатного состояния металла.
В момент кристаллизации Ф = 2 (две фазы – твердая и жидкая), С=0 (С=К-Ф+1=1-2+1=0). Это означает, что две фазы находятся в равновесии при строго определенной температуре (температуре кристаллизации). Увеличение или уменьшение температуры приведет к уменьшению количества фаз - одна из фаз пропадет и система станет моновариантной (С=1).
Таблица 1.
Правило отрезков
Правило отрезков позволяет определить состав и количество фаз в двухфазных областях диаграммы состояния.
а) б)
в)
Рис. 3. Диаграмма состояния сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов (а) и кривые охлаждения эвтектического I (б) и заэвтектического сплавов II (в)
Чтобы определить концентрации компонентов в фазах, через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз.
Например, для сплава К (см. рис. 2б) при температуре t (точка f) состав жидкой фазы определяется проекцией точки m на ось концентраций (точка. m1), а состав твердой фазы – проекцией точки n на ось концентраций (точка n1). Жидкая фаза имеет состав - 48% Sb и 52% Pb, твердой фазой является чистая сурьма (100% Sb).
В процессе кристаллизации состав жидкой фазы непрерывно изменяется по кривой f 1C. В начале процесса кристаллизации жидкость будет иметь состав соответствующий точке f11 (78% Sb и 22% Pb), а в конце процесса – состав точки С (13% Sb и 87% Pb). Таким образом, в процессе охлаждения сплава его жидкая фаза непрерывно обогащается свинцом.
Для того чтобы определить количество фаз, руководствуются следующим правилом: отрезки линии между точкой, характеризующей состояние сплава в двухфазной области, и точками, определяющими состав фаз, обратно пропорциональны количествам фаз.
Для сплава К при температуре t количество жидкой фазы определяется по выражению:
,
где nf и mn – длины отрезков на диаграмме состояния, мм;
а количество твердой фазы по формуле:
.
В процессе охлаждения сплава количество твердой фазы будет непрерывно увеличиваться, а количество жидкой фазы уменьшаться.
Таблица 2
Таблица 3
Содержание отчета по работе
Отчет по работе должен содержать следующие разделы.
1. Цель работы.
2. Теоретические положения.
Раздел должен содержать основные определения (диаграмма состояния, фаза, компоненты сплава, число степеней свободы, правило фаз, термический анализ, линии ликвидус и солидус, эвтектика, доэвтектические и заэвтектические сплавы, правило отрезков, вторичная кристаллизация, дендридная ликвация) и схему лабораторной установки (рис. 1).
Таблица 4
Таблица 5
Литература
1. Гуляев А. П. Материаловедение. Учебник для Вузов. М.: Металлургия, 1986, стр. 100-112.
2. Технология металлов и материаловедение / Под редакцией Усовой Л. Ф. М.: Металлургия, 1987, стр. 110-117.
3. Материаловедение / Под редакцией Арзамасова Б. Н. М.: Машиностроение, 1986, стр. 46-54.
4. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1980, стр. 48-75.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Варианты индивидуальных заданий
| № сплава | Состав сплава, % | № сплава | Состав сплава, % | № сплава | Состав сплава, % | |||
| Свинец | Сурьма | Медь | Никель | Свинец | Олово | |||
| 2,5 | 92,5 | |||||||
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Практическая работа №2
ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ
Цель работы
1. Изучить основные положения теории фазового равновесия сплавов и методику построения диаграмм состояния с помощью метода термического анализа.
2. На основе результатов экспериментальных исследований построить диаграммы состояния сплава, образующего механические смеси из чистых компонентов (сплав свинец-сурьма),сплава с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (сплав медь - никель) и сплава с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (сплав свинец - олово).
Теоретические положения
Основные определения и правило фаз
Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния сплава в зависимости от его температуры и состава.
Диаграмма состояния показывает устойчивые (равновесные) состояния, то есть состояния сплава, которые при данных условиях обладают минимумом свободной энергии. Поэтому диаграмму состояния также называют диаграммой равновесия.
Фазой называется однородная часть сплава, отделенная от других частей поверхностью раздела. При переходе через поверхность раздела химический состав или структура сплава изменяются скачкообразно.
Однородная жидкость является однофазной системой, а механическая смесь двух видов кристаллов – двухфазной, так как каждый кристалл отличается от другого по составу или по строению и они отделены один от другого поверхностью раздела.
Компоненты сплава – простые вещества, образующие сплав. Чистый металл представляет собой однокомпонентную систему, сплавов из двух металлов – двухкомпонентную и т. д.
Число степеней свободы (вариантность системы) - число внешних и внутренних факторов, которые можно изменять без изменения числа фаз в системе.
Если число степеней свободы равно 0 (нонвариантная система), то нельзя изменить внешние и внутренние факторы системы без того, чтобы это не вызвало изменения числа фаз. Если число степеней свободы равно единице (моновариантная система), то возможно изменение в некоторых пределах температуры или концентрации и это не вызовет уменьшения или увеличения числа фаз.
Правило фаз или закон Гиббса представляет собой математическое выражение условия равновесия системы. Для металлов и сплавов, находящихся при постоянном давлении, закон Гиббса имеет вид:
С=К-Ф+1,
где С – количество степеней свободы,
К – количество компонентов сплава,
Ф – количество фаз сплава.
Степень свободы чистого однокомпонентного металла (К = 1) в процессе кристаллизации изменяется следующим образом. Когда металл находится в жидком состоянии, то есть Ф = 1 (одна фаза жидкость), С = 1(С = К-Ф+1=1-1+1=1). Температуру в данном случае можно изменять в некоторых пределах, не изменяя агрегатного состояния металла.
В момент кристаллизации Ф = 2 (две фазы – твердая и жидкая), С=0 (С=К-Ф+1=1-2+1=0). Это означает, что две фазы находятся в равновесии при строго определенной температуре (температуре кристаллизации). Увеличение или уменьшение температуры приведет к уменьшению количества фаз - одна из фаз пропадет и система станет моновариантной (С=1).
Построение диаграмм состояния термическим методом
Для построения диаграмм состояния пользуются результатами термического анализа. Термический анализ заключается в наблюдении за изменением температуры расплавленного вещества в процессе его охлаждения и кристаллизации. По результатам наблюдений строят зависимости температуры сплава от времени, которые называются кривыми охлаждения. По остановкам и перегибам на кривых охлаждения, вызванных тепловыми эффектами превращений, определяют температуры превращений.
Схема установки для проведения термического анализа представлена на рис.1. Установка включает тигельную печь (1), которая нагревается с помощью электрического нагревательного элемента (3). В печь устанавливают стакан из термостойкого материала (11), в который помещают исследуемый сплав (12). Измерения температуры сплава проводят посредствам термоэлектрического термометра, включающего термопару (8), соединительные провода (9), и милливольтметр (7). Горячий спай термопары изолируют от сплава фарфоровым или кварцевым колпачком. Для измерения времени охлаждения сплава пользуются секундомером (10).
 | |||
 | |||
|
|
|
| |
| |
| |
Рис.1.3. Схема установки для проведения термического анализа: 1 – тигельная печь, 2 – тигель, 3 – электронагреватель, 4 – тепло-изоляционный материал, 5 – корпус, 6 – крышка, 7 – милливольтметр, термопара, 9 – соединительные провода, 10 – секундомер, 11 – стакан, 12 – сплав