Анализ состояния многокомпонентной системы Pb – Sn – Bi. КУРСЯК МОЙ. Анализ фазового состояния системы PbSnBi
 Скачать 0.59 Mb.
|
|
Тема работы: «Анализ фазового состояния системы Pb-Sn-Bi» Перечень вопросов, подлежащих рассмотрению: 1. На концентрационном треугольнике фазовой диаграммы трехкомпонентной системы определить фигуративную точку сплава следующей концентрации Pb – 10 % Sn – 70 % Bi – 20 %. 2. На концентрационном треугольнике фазовой диаграммы трехкомпонентной системы изобразить: а) совокупность сплавов, имеющих постоянную концентрацию компонента Pb – 45% 3. Написать фазовые превращения, соответствующие линиям двойных эвтектик, точкам эвтектики. 4. Определить при какой температуре начнет кристаллизоваться сплав Pb – 10%, Sn – 70 %, Bi – 20 %, если он охлаждается из жидкого состояния. 5. Определить состав первых кристаллов, выпадающих при температуре кристаллизации рассматриваемого сплава. Как будет изменяться состав жидкой фазы при дальнейшем охлаждении данного сплава. 6. Определить количество твердой фазы, которое выделится из 20 кг. рассматриваемого сплава при охлаждении его до температуры 120 °С. 7. При какой температуре в сплаве начнет выделяться второй компонент. Что это за компонент. Как будет при этом изменяться состав жидкой фазы. 8. При какой температуре закончится кристаллизация жидкой фазы рассматриваемого сплава. Какое фазовое превращение протекает при этой температуре. Каков состав последней капли расплава. 9. Определить число термодинамических степеней свободы рассматриваемой системы при температурах 125 и 150 °С. 10. По диаграмме состояния постройте политермический разрез системы с постоянным содержанием Pb – 45 %. 11. Используя политермический разрез построить кривые охлаждения для двух выбранных сплавов. 2 12. По диаграмме состояния постройте изотермический разрез при температуре 110 °С. Содержание Введение 1 Изображение тройных сплавов 1.1 Определение фигуративной точки тройного сплава системы 1.2 Определение сплавов с постоянным содержанием компонента 2 Фазовые превращения в рассматриваемой диаграмме состояния 3 Анализ диаграммы состояния трехкомпонентной системы Pb-Sn-Bi 3.1 Анализ сплава А 3.2 Определение количества твёрдой фазы 3.3 Определение числа термодинамических степеней свободы системы 4 Политермический и изотермический разрезы 4.1 Построение политермического разреза системы 4.1.1 Кривые охлаждения двух выбранных сплавов 4.2 Построение изотермического разреза системы при температуре 140 0 С 3 Заключение Список литературы 4 Введение В настоящее время во всем мире идут широкие исследования в области новых материалов, имеющих уникальные физические и механические свойства. Как правило, это сплавы, состоящие из нескольких компонентов. Для трехкомпонентной системы наглядное изображение фазового равновесия еще возможно. Но для сплавов, имеющих число компонентов более трех, это затруднительно. Диаграммы состояния тройных металлических систем являются базой для изучения фазового состава, структурных составляющих, механических, технологических и других свойств промышленных сплавов. 5 В данной курсовой работе предстоит полностью изучить тройную диаграмму Pb-Sn-Bi: разобраться с фазовыми превращениями, протекающими на определенных линиях и точках, провести полный анализ отдельного сплава при кристаллизации, научиться строить политермический и изотермический разрезы и кривые охлаждения. Также целью является выработка навыков в работе с концентрационным треугольником: построение фигуративных точек заданного состава, изображение совокупности сплавов. Целью курсовой работы является закрепление знаний, полученных на лекционных и практических занятиях по данному курсу. 1 Изображение составов тройных сплавов 1.1 Определение фигуративной точки сплава Для определения фигуративной точки сплава содержащего 10 % - Pb, 70 % - Sn и 20 % - Bi, на концентрационном треугольнике нанесём сетку, каждое деление которой соответствует 10 % компонента (процентное содержание каждого компонента увеличивается по ходу часовой стрелке, а вершины треугольника соответствуют 100 % компонента) .На стороне Pb-Sn отложим содержание Sn равное 70 %, через эту точку проведём прямую, параллельную стороне Pb-Bi. На стороне Sn-Bi отложим содержание Bi равное 20 %, через эту точку проведём прямую, параллельную стороне Pb-Sn. На стороне Bi-Pb отложим содержание Pb равное 10 %, через эту точку 6 проведем прямую, параллельную стороне Sn- Bi. Точкой пересечение этих прямых (точка А) и будет являться фигуративной точка сплава (рисунок 1). Рисунок 1 – Определение фигуративной точки 1.2 Определение сплавов, имеющих постоянную концентрацию компонента Pb 45 % Для построения совокупности сплавов, имеющих постоянную концентрацию компонента Pb (45%) необходимо на стороне концентрационного треугольника Pb-Bi отметить содержание Pb –45% (точка K). Через полученную точку провести прямую параллельную стороне Sn– Bi . Линия KL и будет отражать совокупность сплавов с постоянным содержанием Pb (45%) (рисунок 2). 7 Рисунок 2 - Определение сплавов с постоянным содержанием компонентов 2 Фазовые превращения на рассматриваемой диаграмме Описание фазовых превращений на рассматриваемой диаграмме ( рисунок 3). 8 Рисунок 3 – Описание фазовых превращений На линиях двойных эвтектик будут проходить следующие реакции: e 1 E : ж → Pb +Bi; e 2 E : ж → Pb + Sn; e 3 E : ж →Bi + Sn; Фазовые превращения, соответствующие точке тройной эвтектики E: ж → Pb + Sn + Bi. 9 3 Анализ диаграммы состояния трехкомпонентной системы Pb-Sn-Bi 3.1 Анализ сплава Рассматриваемый сплав (точка А) лежит на изотерме 210°С. Эта температура соответствует началу кристаллизации данного сплава из жидкого состояния. При этом первые кристаллы, выпавшие при температуре кристаллизации, будут состоять из Pb . При дальнейшем охлаждении данного сплава состав жидкости будет меняться вдоль каноды к точке с тройной эвтектикой. При температуре 96 °С начнет выделяться второй компанент, который соответствует точке тройной эвтектики: Е: ж → Pb+ Sn+ Bi. При температуре 96 °С закончится кристаллизация жидкой фазы сплава А (рисунок 4). Состав последней кали расплава: Е (Pb+ Sn+ Bi). Рисунок 4 – Анализ сплава А. Таким образом, превращения, протекающие в данном сплаве можно записать: на участке от Sn до Е будет происходить превращение : Ж →Sn. При достижении точки тройной эвтектики, т е точки Е, будет происходить 10 эвтектическое превращение: Ж →Sn+Pb+Bi. Затем происходит охлаждение Sn и Е. кривая охлаждения сплава А изображена на рисунке 6. Рисунок 5 – Структура сплава А Рисунок 6 – кривая охлаждения сплава А 3.2 Определение количества твёрдой фазы 11 Определим количество твёрдой фазы которая выделяется из 20 кг рассматриваемого сплава при охлаждении до температуры 120 °С. Так как рассматриваемый сплав является двухфазным, то можно воспользоваться правилом отрезков. Для этого проведём каноду выходящую из вершины треугольника и проходящую через точку А до изотермы 120 °С. Фигуративная точка сплава А будет делить эту каноду на отрезки (Sn – 1 и A – 1) обратно пропорционально массам фаз следовательно можно составит пропорцию: Sn – 1: 12.5 см – 20 кг А – 1: 8.5 см – х кг следовательно х = 13.6 кг – количество твёрдой фазы (рисунок 7). Рисунок 7 – Определение количества твёрдой фазы. 3.3 Определение термодинамических степеней свободы системы 12 Сплав А находится в области двух фаз в системе трех компонентов, следовательно, согласно правилу фаз Гиббса: С=К-Ф+1=3-2+1=2 (для 125°С). Аналогично и для 150 °С, так как сплав А находится на смежной линии, т е на линии пересечения двух поверхностей двойных эвтектик: С=К-Ф+1=3- 2+1=2. 4 Политермический и изотермический разрезы 4.1 Построение политермического разреза системы Для удобства построения кривых охлаждения сплавов, определения типов формирующейся структуры и фазового состава сплавов используют политермический разрез. В нашем случае необходимо построить сечение для сплавов, содержащих Pb (45%) (прямая параллельная стороне Bi – Sn). На рисунке 8 изображена секущая плоскость с обозначенными на ней точками пересечения с поверхностями ликвидуса, солидуса и смежными поверхностями. На рисунке 9 представлен получившийся политермический разрез VW с учётом температур всех точек и поверхностей (видны температуры начала и конца выпадения двойных и тройных эвтектических реакции). Разрез пересекает две поверхности ликвидус, образуя кривые V 1 K ,, , К ,, W 1 .Первая поверхность ликвидус определяет превращение Ж→Bi, вторая поверхность Ж→Pb. Так же разрез пересекает плоскость тройной эвтектики по прямой линии V 3 W 3 , что соответствует температуре тройного эвтектического превращения 96 0 С и реакции Ж→(Pb+Sn+Bi). Пересечение разреза поверхностей выпадения двойных эвтектик отражено кривыми V 3 K ,, , К ,, f , и f , W 2 и соответствующими превращениями Ж→(Pb+Bi), Ж→(Sn+Pb). 13 Рисунок 8 – Секущая плоскость Pb – 45% Рисунок 9 – Политермический разрез 14 4.1.1 Кривые охлаждения двух выбранных сплавов На рисунке 10 изображены две кривые охлаждения, соответствующие двум выбранным сплавам как линии I и II на политермическом разрезе (рисунок 10). Рисунок 10 – Кривые охлаждения Рассмотрим сплав I. В начале идет охлаждение жидкости, при достижении температуры 182 0 С начинает кристаллизоваться Pb из жидкости. При дальнейшем охлаждении масса этих кристаллов увеличивается. При достижении температуры 160 0 С начинается двойное эвтектическое превращение Ж→(Sn+Pb). При достижении температуры 96 0 С происходит тройное эвтектическое превращение Ж→(Pb+Sn+Bi). Этим заканчивается кристаллизация жидкой фазы и далее происходит охлаждение всех выпавших кристаллов. 15 Рассмотрим сплав II. В начале идёт охлаждение жидкого расплава, затем при достижении температуры в 138 0 С происходит выделение Bi, далее при температуре 120 0 С - двойная эвтектическая реакция Ж→(Bi+Pb),после- дальнейшее охлаждение и при достижении сплавом температуры в 96 0 С происходит тройное эвтектическое превращение Ж→(Pb+Sn+Bi). На этом заканчивается кристаллизация жидкой фазы и далее идёт охлаждение выпавших ранее кристаллов. 4.2 Построение изотермического разреза системы при температуре 110 0 С Разрез проводится при температуре 110 0 С. Изображение изотермического разреза приведено в рисунке 11. Рисунок 11 – Изотермический разрез при температуре 110 0 С 16 Имеем три двухфазные области – PbKF, SnFM и BiMK. Области PbFK, SnFM встречаются в точке F, которая лежит на линии двойной эвтектики Ee 2 и соответствует составу жидкости, находящейся в равновесии с Pb и Sn. Кроме того на изотермическом разрезе имеется трёхфазная область PbFSn, содержащую жидкость и компоненты Pb и Sn. Линии PbF и SnF прямые, они являются конодами а получившийся треуголник трехфазной области – конодный треугольник. Кривые MK, MF, KF лежат на поверхности ликвидус, являются также изотермами поверхности ликвидус. Так же имеется обширная однофазная область KFMS в которой находится жидкость. Содержание каждой из областей разреза отражено на рисунке 11. 17 Заключение В результате курсовой работы были получены знания для определения фигуративной точки заданного сплава, определения сплавов содержащих постоянное содержание и постоянное соотношение компонентов. Получены знания для определения фазовых превращений на тройной диаграмме состояния Te – Ge – As, а также для анализа конкретного сплава охлаждающегося из жидкого состояния. Закрепили практические навыки построения и описания политермического сечения и выбранных кривых охлаждения. Задание на курсовую работу выполнено в полном объеме. 18 Список литературы 1 Лившиц Б.Г. Металлография: учебник / Б.Г. Лившиц. – М.: Металлургия, – 1990. – 236 с. 2 Захаров А.В. Диаграммы состояния двойных и тройных систем: учебник / А.М. Захаров. – М: Металлургия, – 1978. – 296 с. 3 Арзамасов Б.Н. Материаловедение: учебник / Б.Н. Арзамасов. – М.:Альфа-пресс, - 2001. – 350 с. |