Файл: Лабораторная работа 4 Анализ диаграмм состояния двухкомпонентных металлических сплавов.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.04.2024
Просмотров: 8
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Лабораторная работа 4
Анализ диаграмм состояния двухкомпонентных металлических сплавов
Цель работы - ознакомление с методикой и приобретение навыков фазового и структурного анализа диаграмм состояния.
1. Необходимые исходные сведения
Чистые металлы имеют низкие механические свойства, поэтому в технике, промышленности в качестве конструкционных материалов в основном применяются сплавы Сплавом называют вещество, полученное сплавлением двух или более элементов, либо устойчивых химических соединений. Элементы или вещества, образующие сплавы, называются компонентами.
Сплавы, обладающие металлическими свойствами, называются металлическими.
Группа или ряд сплавов, образованных из одинаковых компонентов и находящихся в равновесии при любой температуре и концентрации, составляют систему.
Фаза - часть системы, имеющая однородные состав, строение, свойства и отделенная от других частей системы поверхностью раздела.
В жидком состоянии практически все сплавы представляют собой однородный жидкий раствор, т.е. одну жидкую фазу.
При кристаллизации из жидкого состояния компоненты могут взаимодействовать по-разному и образовать разные фазы либо механическую смесь компонентов или фаз.
Могут образоваться фазы, представляющие собой:
- твердый раствор замещения;
- твердый раствор внедрения;
- химическое соединение.
В случае образования твердого раствора один из компонентов является растворителем, другой - растворимым. Кристаллическая решетка растворителя является базой твердого раствора.
В твердом растворе замещения атомы
растворимого элемента в ряде узлов решетки замещают атомы растворителя, а в растворе внедрения они располагаются между узлами.
Химические соединения могут образоваться при строго определенном составе, т.е. определенном соотношении атомов компонентов. Эти соединения имеют кристаллическую решетку, структуру, свойства, отличающиеся от строения и свойств компонентов, образующих соединения.
Механическая смесь компонентов получается, когда компоненты нерастворимы друг в друге и не образуют химических соединений. При охлаждении до значения температуры солидуса tСОЛ компоненты одновременно кристаллизуются из жидкости
образуя тонкую механическую смесь, называемую эвтектикой. Механическую смесь могут образовывать также фазы, которые создаются при ограниченной растворимости компонентов.
При затвердевании в сплавах различные фазы располагаются в определенном порядке; они имеют разные размеры и формы. Это и называется строением или структурой сплава.
Диаграмма состояния сплавов. Графическое изображение состояния сплавов разных концентраций при разных температурах называется диаграммой состояния сплавов.
Диаграмма показывает равновесное, устойчивое состояние фаз различных концентраций при изменении температуры, так как строится при очень медленном охлаждении. В реальных условиях невозможно обеспечивать столь небольшие скорости охлаждения сплавов из жидкого состояния, значит, в них и нет полного равновесия фаз. Однако изучение диаграмм состояния сплавов, построенных в «идеальных» условиях, необходимо, так как по ним возможно прогнозировать формирование структур и свойств.
В зависимости от характера взаимодействия компонентов в твердом состоянии различают четыре основных типа диаграмм состояния двухкомпонентных сплавов.
Все диаграммы состояния сплавов строятся в координатах температура-концентрация в основном экспериментальным путем. Любая точка на оси концентрации (ось абсцисс) соответствует сплаву, состоящему из компонентов А и В, которые в сумме составляют 100 %. Левая ордината соответствует температурным превращениям чистого компонента А, правая - компонента В (напр., рис. 4.1).
Все линии диаграммы являются геометрическим местом точек (критических точек), соответствующих температурам фазовых превращений конкретных составов сплава данной системы. Критические точки выявляются при построении кривой охлаждения каждого сплава в координатах температура-время (t-τ). Правильность построения диаграмм экспериментальным путем проверяется с помощью математического уравнения, которое называется правилом фаз.
Рис. 4.1. Диаграмма состояния I типа (а), кривые охлаждения характерных сплавов и структуры после охлаждения до комнатной температуры (б)
Это правило выражает зависимость между числом степеней свободы системы, числом компонентов и числом фаз, находящихся в равновесии. Уравнение имеет вид (при постоянном атмосферном давлении)
с=-Ф+1
где с - число степеней свобод ы; к - число компонентов; Ф - число фаз. Число степеней свободы показывает, сколько параметров можно изменить в данном состоянии сплава, не изменяя числа фаз.
В двухкомпонентной системе могут быть области диаграмм однофазного и двухфазного равновесия. Трехфазное равновесие возможно только на горизонтальных линиях диаграмм.
с-2 -1 + 1= 2. При 0 = 1 система бивариантная. Это означает, что можно изменить и температуру, и концентрацию, не изменяя числа фаз, т.е. это состояние может существовать в некоторой области диаграммы.
с = 2- 2+1 = 1. При Ф = 2 система моновариантная. Это означает, что в некоторой области можно изменить температуру, но при этом концентрация фаз будет изменяться.
с = 2- 3 + 1=0. При Ф = 3 система нонвариантная. Это значит, что ни один параметр невозможно изменить, не изменяя числа фаз. Этому равновесию отвечает определенная температура и состав фаз.
2.Методика фазового и структурного анализа диаграмм состояния
Принципы анализа состояния всех типов диаграмм одинаковы. Различаются диаграммы видом, порядком образования возможных фаз, структурой сплавов при комнатной температуре. Анализ проводится в следующем порядке:
-
Определяют тип диаграммы, описывают, где какие фазы расположены, какие линии, что характеризуют. -
Находят на оси концентрации заданный (или интересующий) состав сплава. -
Из точки, определяющей состав сплава, проводят вертикальную линию, перпендикулярную оси концентраций до области жидкой фазы. Этот перпендикуляр является температурной осью ординат для данного состава. -
На температурной оси указывают характерные точки, определяющие состояние фаз. -
Строят кривую охлаждения заданного состава сплава в координатах t-т. Описывают последовательность фазовых превращений по намеченным точкам, определяют число степеней свободы в каждой точке. -
При комнатной температуре делают структурный анализ заданного состава сплава, рисуют схему структуры. -
При заданной температуре в любой двухфазной области диаграммы для данного сплава определяют:
- фазы, находящиеся в равновесии;
- состав каждой фазы;
- соотношение фаз.
Для этого применяют правило отрезков.
Первая часть правила устанавливает порядок определения состава фаз, вторая - порядок определения их количественного соотношения.
На оси ординат для заданного состава сплава наносят точку при заданной температуре. Через эту точку до пересечения с линиями, ограничивающими данную двухфазную область, проводят горизонтальную линию.
Точки пересечения показывают виды фаз, находящихся в равновесии при заданной температуре. Проекции этих точек на ось концентрации означают составы этих фаз.
Массовые доли фаз обратно пропорциональны отрезкам горизонтальной линии, на которые делит ее точка пересечения этой линии с осью ординат сплава (подробное описание на примере сплава I-I).
3. Анализ диаграммы состояния сплавов I типа
Диаграмму состояния сплавов этого типа образуют компоненты А и В, нерастворимые друг в друге (рис. 4.1).
Описание диаграммы. Линия abc - линия ликвидуса, выше которой все сплавы находятся в жидком состоянии.
Линия аbе - линия солидуса, ниже которой все сплавы находятся в твердом состоянии.
Область dab - двухфазная, состоит из жидкой фазы и твердой - компонента А.
Область bсе также двухфазная, состоит из жидкой фазы и твердой - компонента В.
Точка b - эвтектическая при концентрации компонентов в точке b
Все сплавы, находящиеся левее точки b, называются доэвтектическими, в точке b - эвтектическими, правее точки b - заэвтектическими.
Компоненты А и В нерастворимы, образуют механическую смесь (эвтектику).
Для анализа в качестве примера задается три состава сплава: