Лабораторная работа 4 Анализ диаграмм состояния двухкомпонентных металлических сплавов

• Название: Лабораторная работа 4 Анализ диаграмм состояния двухкомпонентных металлических сплавов
• Дата: 23.01.2023
• Размер: 58.66 Kb.
• Имя файла: Laba_4.docx
• Тип: Лабораторная работа; #900169

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 t_СОЛ 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:

1. 
   Определяют тип диаграммы, описывают, где какие фазы расположены, какие линии, что характеризуют.
   
2. 
   Находят на оси концентрации заданный (или интересую­щий) состав сплава.
   
3. 
   Из точки, определяющей состав сплава, проводят верти­кальную линию, перпендикулярную оси концентраций до об­ласти жидкой фазы. Этот перпендикуляр является температур­ной осью ординат для данного состава.
   
4. 
   На температурной оси указывают характерные точки, оп­ределяющие состояние фаз.
   
5. 
   Строят кривую охлаждения заданного состава сплава в координатах t-т. Описывают последовательность фазовых пре­вращений по намеченным точкам, определяют число степеней свободы в каждой точке.
   
6. 
   При комнатной температуре делают структурный анализ заданного состава сплава, рисуют схему структуры.
   
7. 
   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:

I - доэвтектический, II - эвтектический, III - заэвтектический; проводятся перпендикулярные линии до области жидкой фазы и обозначаются I-I, II-II, III-III. Строятся кривые охлаждения сплавов в координатах t—x, используя намеченные точки на оси ординат каждого сплава.

Описание кривых охлаждения. Кривая охлаждения сплава I-I (см. рис. 4.1).

В точке 1 сплав находится в жидкой фазе.

Согласно правилу фаз с = k - Ф + 1; Ф = 1; k=2(А и В); С₁=2-1 + 1= 2. В точке 1 можем изменить и температуру, и концентрацию без изменения числа фаз.

Точка 2 - критическая, ниже этой точки начинается фазовое превращение, т.е. кристаллизация; из жидкости начинают выделяться кристаллы А, часть сплава остается в жидком состоянии; таким образом, в этой точке в равновесии находятся фазы Ж и А;

Ф = 2; k=2; C₂ = 2-2 + 1 = 1. В этой точке можем изменить только один параметр - температуру без изменения числа фаз.

От точки 2 до точки 3 в связи с выделением из сплава кристаллов А состав жидкой фазы по мере снижения температуры изменяется согласно кривой ab; на этом участке идет превращение Ж —> А + Ж'.

Точка 3 - критическая, начинается кристаллизация оставшейся части жидкости с одновременным выделением кристаллов А и В, образуя механическую (эвтектическую) смесь; в равновесии находятся три фазы: Ж' + А + В; фаза В (кристаллы В) появляется в составе эвтектической смеси;

k = 2; Ф = 3; C₃ = 2 - 3 + 1 = 0, т.е. без изменения числа фаз ни температуру, ни концентрацию изменить нельзя; ровная горизонтальная площадка - результат выделения скрытой теплоты от кристаллизации одновременно двух фаз - А и В.

В точке 3' кристаллизация заканчивается, исчезает жидкая фаза, остаются: фаза А - в виде свободных первичных кристаллов и в виде кристаллов, входящих в механическую смесь; фаза В, входящая в механическую смесь, т.е. остаются две фазы: А + В;

k= 2; Ф = 2; C = 2 – 2 + 1 = 1, значит, можно изменить температуру (дальше охлаждать затвердевший сплав) без изменения числа фаз.

Описание схемы структуры (структурный анализ). Под кривой охлаждения приводится схема структуры. Зерна чистых компонентов, химических соединений и твердых однородных растворов принято рисовать однотонными, а эвтектическую смесь - чередующимися полосками (черно-белыми), как бы показывая смесь двух фаз. Структура зависит от состава и фазовых превращений (рис. 4.1, 4.2, 4.3, 4.4).

Рассмотрим процесс формирования структуры сплава I-I (см. рис. 4.1).

От точки 2 до точки 3 выделяются свободные кристаллы А и после охлаждения в структуре сплава располагаются в виде чистых зерен. От точки 3 до точки 3' происходит образование зерен с эвтектической смесью фаз А + В (на рис. 4.1 показаны с чередующимися полосками). Таким образом, структура этого сплава состоит из зерен А и эвтектики Э(А + В).

Структурный анализ других сплавов производится аналогично.

Определение (раз, их составов и количественного соот­ношения в двухфазной области при заданной температуре. Допустим, заданная температура - точка i на температурной оси сплава I-I. Через точку i до пересечения с линиями, огра­ничивающими двухфазную область (точки пересечения обо­значены l и k), проводится горизонтальная линия. В данном случае это область, состоящая из жидкой фазы и твердой фазы А. В точке / эти две фазы и находятся в равновесии. Проекция точки l на ось концентрации l’ показывает состав жидкой фазы, а проекция точки k - (k ') - состав фазы А, т.е. в данном случае 100 % А. За общую массу заданного состава сплава принимается отрезок kl.

Долю жидкой фазы в массе сплава определяет отрезок ki (противоположный по отношению к этой фазе); долю фазы А определяет отрезок il. Долю каждой фазы в массе сплава, %, оп­ределяют по формулам:







Порядок анализа сплавов II-II и III-III аналогичен анализу сплава I-I. В отличие от сплава I-I сплав II-II кристаллизуется сразу с образованием эвтектической смеси А + В; а сплав Ш-Ш кристаллизуется вначале от точки 2 до точки 3 с образо­ванием свободных кристаллов В, далее - аналогично кристал­лизации сплава I-I. Соответственны и изменения в структурах (см. рис. 4.1).
4. Анализ диаграммы состояния сплавов II типа

Компоненты А и В полностью растворимы.

Описание диаграммы и кривой охлаждения (рис. 4.2). Ли­ния аbс - ликвидус, линия adc - cолидус, между ними находится двухфазная область Ж + α_ТВ.Р


Рис. 4.2. Диаграмма состояния сплавов II типа (а) и кривые охлаждения сплава I-I (б)
В этом типе нет равновесия трех фаз, нет и эвтектики. Соот­ветственно отличаются и виды кривой охлаждения и схемы структуры (пример: сплав I-I). В двухфазной области в равнове­сии находятся фазы Ж + α. Фазовый и структурный анализы сплава I-I производятся аналогично анализу сплава I типа.

Составы и соотношения массовых долей указанных фаз при температуре i определяются так же, как и для I типа диаграммы (см. рис. 4.1). Здесь k' показывает состав жидкой фазы; l’ - фазы твердого раствора α при данной температуре:







5. Анализ диаграммы состояния сплавов III типа

Компоненты А и В, показанные на диаграмме (рис. 4.3), частично растворимы друг в друге


Рис. 4.3. Диаграмма состояния сплавов III типа (а) и кривые охлаждения сплавов (б)

Описание диаграммы. Линия abc - линия ликвидуса, выше этой линии существует только жидкая фаза.

Линия adbec - линия солидуса, ниже которой существуют только твердые фазы.

В этой системе не образуются фазы, представляющие собой чистые компоненты. Из жидкости могут выделяться только кри­сталлы твердого раствора α и β. Со стороны чистых компонен­тов А и В имеются ограниченные области существования твер­дых растворов аир. Поэтому в областях между линиями лик­видуса и солидуса находятся в равновесии Ж + β со стороны компонента А и Ж + β - со стороны компонента В.

Аналогично I типу диаграммы, кристаллизация жидкой фа­зы заканчивается образованием эвтектики, но в отличие от I ти­па в этой системе эвтектику образуют не чистые компоненты А и В, а их твердые растворы α и β.

Весь остальной процесс анализа диаграммы проводится аналогично анализу диаграммы I типа (см. рис. 4.1).

6. Анализ диаграммы состояния сплавов IV типа

Компоненты А и В на диаграмме (рис. 4.4) при определен­ном соотношении создают устойчивое химическое соединение.


Рис. 4.4. Диаграмма состояния сплавов IV типа (а) и кривые охлаждения сплавов (б)
Описание диаграммы. Линия abcde - линия ликвидуса, линия jbkldm - линия солидуса.

Характерно то, что в этой системе сплавов при определенном соотношении атомов компонентов образуется химическое соединение, которое условно можно обозначить А_n В_m

Вертикальная линия, проходящая через точку на оси абсцисс, показывающая состав химического соединения, является температурной осью ординат для этого соединения. Компонентами являются только А и В, а твердыми фазами - А, В и А_n В_m

Химическое соединение А_n В_m взаимодействует с компонентами А и В как самостоятельный компонент и может образовать различные фазы: твердые растворы, эвтектику. От характера взаимодействия зависит и общий вид диаграммы IV типа. Она представляет собой сдвоенную, состоящую из двух частей диаграмму. Части могут быть диаграммами любого типа, в частности диаграммой I типа с эвтектическими точками и линиями (рис. 4.4).

Описание кривых охлаждения различных составов сплавов и схем структур аналогично описанию таковых в предыдущих типах диаграмм, но с учетом особенностей образования фаз до состава химического соединения и после.

В качестве примера на рис. 4.4 даны описания кривых охлаждения двух сплавов: I—I и II—II, из которых видна идентичность анализа диаграммы IV типа и других.

Аналогична также методика определения фаз в двухфазных областях, их составов и массового соотношения.

7. Контрольное задание

1. Перечертить диаграмму состояния, описать области диаграммы, охарактеризовать линии

2. На линии концентрации показать точку - заданный состав сплава (задается преподавателем).

3. Построить кривую охлаждения и описать ее в последовательности, указанной в методике фазового и структурного анализа диаграмм состояния данной лабораторной работы.

4. Нарисовать и описать схему структуры заданного сплава при комнатной температуре.

5. Указать температуру (задается) на оси ординат для выбранного сплава в двухфазной области диаграммы. Определить виды фаз, находящихся в равновесии при заданной температуре.

6. По правилу отрезков определить составы этих фаз, количественное соотношение их масс.
8. Содержание отчета

1. Тема, цель работы.

2. Результаты выполненной контрольной работы согласно заданию — с описанием диаграммы, образующихся фаз при построении кривой охлаждения, структуры при комнатной температуре (применение правил фаз и отрезков обязательно).

9. Контрольные вопросы

1. Почему металлические сплавы являются основными конструкционными материалами?

2. Какие фазы в твердом состоянии могут образовать компоненты сплавов?

3. Что называется диаграммой состояния сплавов? Какие бывают типы диаграмм? От чего зависит вид диаграммы?

4. Описать фазы и линии на диаграммах I, II, III, IV типов.

5. Как строятся кривые охлаждения сплавов с помощью диаграммы состояния? Почему на них появляются точки перегибов и горизонтальные площадки?

6. Как формируется структура сплавов в результате фазовых превращений? Рассказать на конкретном примере.

7. Как определяются составы фаз и количественное соотношение их масс в заданных составах сплава и температуре?