Диаграмма состояния сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов

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).

Задание на занятие. Взять свой сплав (см. предыдущее занятие).

1. На его основе рассчитать по правилу фаз степень свободы на участках:

До линии ликвидус;

Между линиями ликвидус и солидус;

На линии солидус;

Ниже линии солидус.

Определить какой процесс (охлаждение, кристаллизация или изотермический процесс) и с какими изменениями фаз происходит на каждом участке кривой охлаждения.

2. Для температуры 300 градусов Цельсия опрределить по правилу отрезков состав и количество фаз (концентрации компонентов в фазах, количество жидкой и твердой фазы)

 

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).

 

 

Æ

Æ

~220

5

2   4     3   1

8

 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

Диаграмма состояния сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов

Рассмотрим порядок построения диаграмм состояния сплавов на примере сплава образующего механические смеси из чистых компонентов. Можно принять с некоторым приближением, что такой системой является сплав свинца с сурьмой ( Pb - Sb ).

Для построения диаграммы равновесия строят кривые охлаждения компонентов сплава и нескольких сплавов различного состава (рис. 2а). Кривая (а) относится к чистому свинцу. На кривой охлаждения отрезок ОА соответствует охлаждению жидкого свинца, на участке А-А¹ при температуре 327°С протекает кристаллизация свинца, участок А¹-1, соответствует охлаждению твердого свинца.

Кривая (б) относится к сплаву, содержащему 94% Р b и 6% Sb . На участке 0-2 протекает процесс охлаждения сплава в жидком состоянии, на участке 2-3 при переменной температуре происходит кристаллизация свинца. Процесс протекает при переменной температуре, так как число степеней свободы на этом участке равно единице. В данном случае К=2, Ф=2 (жидкость и кристаллы свинца) и, следовательно:

С=К-Ф+1=2-2+1=1.

На участке кривой охлаждения 3-3 ¹ происходит одновременная кристаллизация из жидкости кристаллов свинца и сурьмы. Процесс протекает при постоянной температуре, так как количество степеней свободы в данном случае равно нулю. Действительно, К=2, Ф=3 (жидкость, кристаллы свинца, кристаллы сурьмы): С=2-3+1=0. На участке 3 ¹ -4 протекает процесс охлаждения сплава в твердом состоянии.

Механическая смесь двух (или более) видов кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкости, называется эвтектикой ¹ .

 Если при охлаждении сплава отсутствует предварительное выделение из жидкости какого-либо из его компонентов, а кристаллизация осуществляется только путем выпадения эвтектики, то такой сплав называется эвтектическим. Сплав эвтектического состава имеет минимальную температуру плавления среди других сплавов данной системы.

На кривой охлаждения эвтектического сплава (в) отрезок 0-С соответствует охлаждению жидкого сплава, отрезок С-С ¹ – кристаллизации эвтектики, и С ¹ -5 – охлаждению твердого сплава. Кривые охлаждения (г) и (д) иллюстрируют процессы охлаждения сплава, содержащего 40% Pb и 60% Sb , и чистой сурьмы.

Температуры, соответствующие началу процесса кристаллизации компонентов и сплавов (точки А, 2, С, 7, В, кривых охлаждения) называются точками ликвидус ² , а температуры, отвечающие концу процесса

                                                           а)

                                                                                                                                                                         б)

        а       б           в           г         д

t,⁰С                                                                                                       t,^ОС а б в                                                                                                                                           г          к         д

       0            0            0          0       0                                  

700                                                                                                                     700                                                                                                              

                                                                                                                                                                          В

600                                                                        В В ¹                             600                                                                        f ¹

                                                                                                                                                               L

500                                                           6                                                   500                                                           6

                                                                                                                            t                                                                                                                            m                                      f                                                                                                                           n

400                                                                                                 L+ Pb^ТВ        

                                                                                                                        А 2     

300     А А ¹   2                                                                                                              L+ Sb^ТВ     7

                                                                                                                             D                                     E

200                                3 3 ¹  С С ¹      7 7 ¹                    200   3 С

                                                                                                                             Pb^ТВ+                 ( Pb^ТВ+ Sb^ТВ)_ЭВТ + Sb^ТВ

100                                                                                                            100 +эвт

                                1                  4          5                8     9                             (Pb ^ТВ + Sb ^ТВ )_ЭВт m ¹                                                       f ¹¹          n ¹

0                                                                                                                         0

                                                                                             время             0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Sb,%

                100% Pb    94% Pb   87% Pb   40% Pb         0% Pb

                  0% Sb      6% Sb  13% Sb   60% Sb 100% Sb     100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Pb,%

Рис.2. Кривые охлаждения (а) и диаграмма состояния (б) сплава свинец ( Pb ) – сурьма ( Sb )

кристаллизации (точки 3, 7) - точками солидус³. Указанные точки также называются критическими температурами. Для компонентов сплава и эвтектики температуры начала и конца кристаллизации совпадают. Критические температуры компонентов и сплавов приведены в табл. 1.

Таблица 1.

---

Дата добавления: 2019-02-13; просмотров: 694; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!