В. Д. ПарфеновТермический анализ и
 Скачать 0.76 Mb.
|
|
29 4 О - п МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ _____________ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ) Кафедра «Строительные материалы и технологии» В.Д. Парфенов Термический анализ и диаграммы состояния сплавов методические указания к лабораторным работам Москва - 2009 Кафедра «Строительные материалы и технологии» В. Д. Парфенов Термический анализ и диаграммы состояния сплавов Рекомендовано редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний для студентов специальностей СЖД, МТ и СГС Москва - 2009 УДК 669 1 П-18 Парфенов В Д Термический анализ и диаграммы состояния сплавов Методические указания - М МИ ИТ, 2009 -2 4 с В методических указаниях описывается метод изучения процесса за твердевания сплавов-термический анализ Рассматриваются принципы по строения на его основе диаграмм состояния фазового равновесия сплавов Анализируются различные типы диаграмм На примере сплавов систем сви нец-сурьма и олово-цинк студенты выполняют экспериментальное по строение диаграмм и работают с ними при решении практических задач Методические указания предназначены для лабораторной занятий по разделу «Металлические материалы в строительстве» и разработаны в соответствии с планом и программой по дисциплине «Материаловедение Технология конструкционных материалов» для студентов строительных спе циальностей (СЖД, МТ и СГС) ©Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), 2009 Подписано к печати- iB. 0S, OB. Формат 60x84x1/16 Уел -печ - / В Тираж 100 экз Заказ № 3,55, 127994, Москва, ул Образцова, д 9 гтр 9 Типография МИИТа Содержание Введение 4 1 Основные теоретические сведения 4 2 Диаграмма состояния фазового равновесия сплавов 8 3 Типы диаграмм состояния сплавов 10 4 Термический анализ и принципы построения диаграмм состояния сплавов на примере системы свинец-сурьма 12 5 Задание для студентов и порядок выполнения лабораторной работы 17 6 Контрольные вопросы и задачи 21 Список литературы 25 3 Введение Всевозможные агрегатные и фазовые состояния сплавов в зави симости от их температуры и химического состава можно графически изобразить в виде диаграммы состояния фазового равновесия. Для сплава любого состава с помощью диаграммы можно про следить за фазовыми превращениями, происходящими в нём при ох лаждении и нагревании, и получить характеристику структурных со ставляющих и фаз в его микроструктуре для любой температуры. Цель работы—научиться самостоятельно экспериментально оп ределять температуры фазовых превращений металлов и сплавов с помощью метода термического анализа, строить кривые охлажде ния и диаграмму состояния. В процессе работы студенты вырабатывают навыки анализа по виду диаграмм фазового и структурного составов сплавов, харак тера взаимодействия компонентов в твёрдом состоянии а также вы явления последовательности фазовых превращений в сплавах. 1. Основные теоретические сведения Металлические сплавы - это сложные вещества, получаемые сплавлением металлов {нап р . дуралюмины Al-Cu) или металлов с неметаллами (стали Fe-C). Простые вещества, образующие сплав, называют компонентами сплава. Компоненты могут друг в друге 4 растворяться (ограниченно или неограниченно) или не растворяться, а также образовывать новые химические соединения. Взаимодейст вуя между собой, они образуют различные по химическому составу, типу связи и строению кристаллические фазы. Фазой называют однородную часть системы, ограниченную от другой части системы поверхностью раздела, при переходе через которую состав и свойства сплава меняются скачкообразно. Как пра вило, в жидком состоянии компоненты сплавов хорошо растворяются друг в друге. При понижении температуры и кристаллизации из жид кого сплава выделяются твердые фазы, которые могут быть твердыми растворами, чистыми элементами и химическими соединениями Твёрдыми растворами называют кристаллические фазы пере менного состава, в которых атомы одного элемента размещаются в пространственной решетке другого элемента, не изменяя ее типа. Если происходит замещение в узлах кристаллической решетки ато мов растворителя А атомами растворяемого элемента В, то образует ся твёрдый раствор замещения. В случае их внедрения между узлами в поровое пространство решетки образуется твёрдый раствор вне дрения Твердые растворы замещения могут обладать как ограничен ной растворимостью элементов друг в друге, так и неограниченной. Условиями неограниченной растворимости являются одинаковый тип кристаллической решетки, близкий радиус атомов и одинаковая 5 валентность элементов А и В. Способностью неограниченно раство ряться друг в друге в твёрдом состоянии , образуя твёрдые растворы замещения, обладают только металлы (напр., никель- медь, медь- золото, медь- никель, железо-никель, железо-хром.). Металлы в сплавах: свинец-сурьма, олово-цинк, олово алю миний, серебро-свинец - практически не растворимы друг в друге в твёрдом состоянии. Твёрдые растворы внедрения возникают при сплавлении ме таллов с неметаллами, имеющих малый атомный радиус (напр., с уг леродом, водородом, азотом, бором). В них растворимость неметал ла всегда ограничена.Твёрдые растворы обозначаются буквами грече ского алфавита а, (3,у. Кристаллы, образованные различными элементами, вступив шими в химическую связь, и имеющие собственный тип кристалличе ской решётки, отличающийся от решёток, составляющих их элемен тов, называются химическими соединениями. Строение металлических сплавов зависит от того, в какие взаи модействия вступают образующие их компоненты. Различают струк туру и фазовый состав сплава. Структура характеризует форму, разме ры и взаимное расположение фаз в сплаве и состоит из структурных составляющих. Фазовый состав состоит из фаз. При кристаллизации сплавов могут образоваться твёрдые рас 6 творы, химические соединения и механические смеси различных фаз, что наглядно демонстрируют диаграммы состояния фазового равно весия сплавов. Кривая охлаждения металла или сплава - это график уменьше ния температуры во времени. Она строится в координатах темпера тура -врем я (рис.1). Рис. 1 Кривые охлаждения сплава: а - доэвтектического и заэвтектического, б - с образованием твёрдого раствора Критическими температурами (точками) называют температу ры, соответствующие горизонтальным участкам (температурным ос тановкам) и перегибам на кривой изменения температур во времени, указывающие на превращения в металлах или сплавах. 7 Диаграмма состояния фазового равновесия сплавов представ ляет собой графическое изображение фазового состояния сплавов данной системы, т.е. зависимость температур фазовых превращений в сплавах от их состава. Она строится в координатах температура - концентрация одного из компонентов в сплаве (состав сплава). Каж дая точка диаграммы состояния соответствует определённому составу сплава при заданной температуре. Левая крайняя точка на оси концентраций соответствует100% содержанию компонента А. Процентное содержание второго компо нента В откладывается на этой оси слева направо Правая крайняя точка соответствует 100% содержанию второго компонента В. Линии на диаграмме состояния отмечают температуры изменения фазового состава, а поля, ограниченные этими линиями, характеризуют области существования различных фазовых состояний. Для экспериментального построения диаграммы состояний сплавов, образованных компонентами А и В, необходимо изготовить ряд сплавов, содержащих различные количества компонентов А и В. Для каждого состава сплава по результатам термического анализа строят кривую охлаждения и определяют критические точки, т.е тем пературы фазовых превращений. 2. Диаграмма состояния фазового равновесия сплавов 8 Полученные значения критических точек исследуемых сплавов откладывают на вертикальных линиях, соответствующих химическому составу этих сплавов. Затем соединяют критические точки, соответст вующие определённым фазовым превращениям, и получают линии диаграммы состояний. Линия, представляющая собой геометрическое место всех верх них критических точек, которые определяют температуры начала кри сталлизации, называется линией ликвидуса, а геометрическое место всех нижних критических точек, определяющих температуры конца кристаллизации, это -линия солидуса. Эти линии разделяют диа грамму состояний на области определённого фазового состава. Все сплавы системы выше линии ликвидуса находятся в жидком состоянии, а ниже линии солидуса - в твёрдом. В диапазоне темпера тур между линиями ликвидуса и солидуса сплавы являются частично жидкими и частично твёрдыми. Диаграммы состояния показывают изменения фазового состоя ния сплавов при изменении их состава и температуры, а также позво ляют предсказывать свойства сплавов. Связь между составом сплава и его свойствами для различных типов диаграмм состояния впервые была установлена Курнаковым Н.С. и получила название закономер ностей Курнакова. 9 3. Типы диаграмм состояния сплавов И первому типу (рис.2) относят диаграммы состояния сплавов, компоненты которых неограниченно растворяются друг в друге в жидком состоянии и практически не растворяются в твёрдом(РЬ-5Ь, Sn-Zn). Рис. 2. Диаграмма состояния сплавов первого типа для системы А—В (с распределением фаз, L-жидкий сплав) Сплавы, компоненты которых неограниченно взаимно раство ряются как в жидком, так и в твёрдом состоянии, создают диаграммы второго типа (Ni-Cu, Fe-Ni, Ag-Au). (рис.З). Особенностью диаграммы второго типа является отсутствие эвтектического сплава. 10 Рис. 3. Диаграмма состояния сплавов второго типа ( на примере сис темы медь-никель) По третьему типу (Fe-C) (рис.4) затвердевают сплавы, компо ненты которых неограниченно растворяются друг в друге в жидком состоянии и ограниченно в твёрдом. Рис. 4. Диаграмма состояния сплавов третьего типа для сплава системы A-В (ж.с. - жидкий сплав, э - эвтектика) 11 4. Термический анализ и принципы построе ния диаграммы состояния сплавов на при мере системы свинец-сурьма Термический анализ - это метод изучения процесса затверде вания металлов и сплавов Для построения диаграмм состояния поль зуются результатами термического анализа, т е строят кривые охлаж дения и по остановкам и перегибам на этих кривых, вызванных тепло вых эффектом превращений, определяют температуры, при которых происходят превращения в металлах в процессе охлаждения t t t i f O > s Рис 5 Схема установки для исследования ме таллов термическим методом 1-электропечь, 2 - нагреватель, 3-термопара, 4 гальванометр, 5-постоянный магнит, 6-катушка 12 Температуру металлов измеряют обычно при помощи термопа ры или термометра. На рис.5 приведена схема такой установки. Тем пературу кристаллизации определяют следующим образом. В печь 1 помещают тигелек 2, в котором расплавляют исследуемый сплав. Затем в расплав погружают горячий спай 4 термопарыБ и выключают печь. Начинается охлаждение и температуру отмечают через опреде лённые промежутки времени (напр.30 сек). Появление изменений в агрегатном состоянии е $ связи с выделением скрытой теплоты пре вращения отражается на кривой температура-время. Имея достаточ ное количество сплавов (напр 5-7} разного состава и определив в каждом сплаве температуры превращений, можно построить диа грамму состояния. юо%рь ЗЗХРЬ т%рь 87% РЪ 73% РЬ Рис. 6. Кривые охлаждения сплава Pb-Sb Рассмотрим подробнее на примере системы Pb-Sb. На кривых охлаждения свинца и сурьмы (чистых металлов) имеется по одной 13 критической точке, соответствующей переходу металла из жидкого состояния в твёрдое (для свинца 327°С и сурьмы 631°С). На кривых же охлаждения сплавов свинец-сурьма имеются не одна, а две критиче ские точки, соответствующие началу и концу их затвердевания (рис.б). Затвердевание сплавов, содержащих мене 13% сурьмы, начина ется при температурах, соответствующих верхним критическим точ кам с выпадением кристаллов свинца. При дальнейшем снижении температуры количество кристаллов свинца увеличивается и остаю щаяся жидкость обогащается сурьмой. При температуре 245°С, соот ветствующей нижним критическим точкам, концентрация сурьмы в жидкости достигает 13%, и в этих условиях при дальнейшем охлаж дении начинается одновременная кристаллизация свинца и сурьмы с образованием эвтектики—сложной структурной составляющей сплавов, представляющей собой механическую смесь из мелких рав номерно распределённых кристаллов сурьмы и свинца. На кривой охлаждения сплава, содержащего 13% сурьмы, име ется только одна критическая точка, соответствующая 245°С. Такой сплав после затвердевания состоит только из эвтектики. Затвердева ние сплавов, содержащих более 13% сурьмы, начинается с выпадения кристаллов сурьмы, и при достижении концентрации сурьмы в жид кой фазе-13%, жидкость затвердевает, образуя эвтектику. 14 Рисунок 7 Диаграмма состояния микроструктуры сплавов Pb-Sb (ж. с.-жидкий сплав, э-эвтектика) Чтобы получить диаграмму состояния сплавов, верхние и ниж ние критические точки переносят на координатные оси температура — состав сплава, как э-го показано на рис.7. Линия АСВ, представляющая геометрическое место критиче ских точек начала затвэрдевания, называется линией ликвидуса; вы ше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии. Линия DCE, представляющая геометрическое место критических точек конца за твердевания, называется линией солидуса; ниже этой линии все сплавы находятся в твёрдом состоянии. Сплавы, содержащие менее 13% сурьмы, называют доэвтекти- ческими. В интервале температур между линиями ликвидуса и соли дуса они состоят из кристаллов свинца и жидкости, а ниже линии 15 солидуса ( в твердом состоянии) - из кристаллов свинца и эвтектики. Сплавы, содержащие больше 13% сурьмы назызаются заэвтектиче- скими и состоят из кристаллов сурьмы и жидкости между линиями ликвидуса и солидуса и из кристаллов сурьмы и эвтектики ниже линии солидуса Распределение структурных составляющих на диаграмме состояний сплавов Pb-Sb показана на рис 7 В твердом состоянии все сплавы состоят из двух фаз — кристаллов сурьмы и свинца, так как сложная структурная составляющая -эвтектика-состоит из тех же фаз Рис 8 Кривые охлаждения и диаграмма состояния сплавов олово-цинк На рис 8 приведена диаграмма состояния сплавов системы Sn-Zn, исследованию которой посвящена лабораторная работа 16 Б.Задание для студентов и порядок выполнения лабораторной работы Тема данной лабораторной работы - «Термический анализ и принципы построения диаграммы состояния сплавов на примере системы олово-цинк». Студенты знакомятся с методикой проведения термического анализа, приобретают практические навыки построения диаграмм двойных систем, изучают и распределяют структурные составляющие и фазы на исследуемых диаграммах. Для выполнения работы создаётся шесть бригад и использует ся шесть сплавов системы олово - цинк (Sn-Zn) с различным содер жанием компонентов. Каждой из бригад предоставляется установка для проведения термического анализа и выдаётся один из шести со ставов сплава, приведённых в табл.1. Табл. 1 Сплавы системы олово-цинк для термического анализа Номер сплава (бригады) 1 2 3 4 5 6 Состав в % по массе Sn 100 94 91 84 77 69 Zn 0 ; 6 1 9 16 23 31 17 Задание • изучить схему установки для проведения технического анализа; • провести исследование процесса кристаллизации сплава . олово—цинк (Sn-Zn); • изучить микроструктуру сплава и объяснить характер фа зовых превращений, происходящих при охлаждении; • определить критические точки сплава; • по полученным результатам построить кривые охлажде ния сплавов; • построить диаграмму состояния сплавов Sn-Zn. • распределить на диаграмме структурные составляющие и фазы II. Порядок проведения работы По результатам термического анализа каждой бригаде: 1) Определить критические точки сплава своей бригады: для этого произвести наблюдения за понижением температуры сплава при равномерном охлаждении. Замеры температур произ водить каждые 30 сек. и записывать в журнал наблюдений (табл.2). Запись заканчивается при температуре 160 0С; 18 Табл 2 Журнал наблюдений № отсчета 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Температура № отсчета 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 .24 ? % г $ Температура ? , -'а ] № отсчета 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 Температура № отсчета 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 т >61 Температура № отсчета 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 Температура № отсчета 65 6€ 67 68 69 70 71 72 73 74 7$ 76 77 Температура 2) По полученным данным: a) вычертить в крупном масштабе кривую охлаждения своего сплава, b ) составить таблицу критических точек всех шести исследован ных сплавов (по данным всех бригад) (табл 3) 19 Табл. 3. Крит учесние точна сплавов Состав сплава, % Температуры критических точек, °С Sn Zn верхней нижней 100 0 94 6 91 9 84 16 77 23 69 31 3) По результатам термического анализа всех бригад: a) вычертить шесть кривых охлаждения сплавов различного хи мического состава; b ) затем на их основе вычертить в масштабе две диаграммы со стояния сплавов Sn—Zn: i) на первой распределить структурнь е составляющие; ii) на второй распределить фазы. 20 5. Контрольные вопросы и задачи 1. Нарисуйте основные типы диаграмм состояния сплавов, со стоящих из компонентов А и В. Распределите на ней структур ные составляющие и фазы. 2. К какому типу относятся диаграммы состояния сплавов Pb-Sb, Ni-Cu, Fe-C, Sn-Zn? 3. Какова структура и фазовый состав доэвтектических, эвтекти ческих и заэвтектических сплавов системы Pb-Sb при темпера туре 20° С? 4. Какова температура затвердевания свинца, олова, цинка, сурьмы? 5. Перечислите компоненты, структурные составляющие и фазы сплава свинец-сурьма. 6. Дайте определение фазе сплава. 7. Какие сплавы считают металлическими? 8. Что представляет собой эвтектика сплава Pb-Sb? 9. Перечислите структурные составляющие и фазы сплавов Pb-Sb и Sn-Zn. 21 10. Какова структура и фазовый состав доэвтектических, эвтекти ческих и заэвтектических сплавов системы Sn-Zn при темпера туре 20° С? 11. Нарисуйте диаграмму состояния сплавов Pb-Sb. Распределите на ней структурные составляющие и фазы. 12. Нарисуйте диаграмму состояния сплавов Sn-Zn. Распределите на ней структурные составляющие и фазы. 13. Нарисуйте диаграмму состояния сплавсв Ni-Cu. 14. Каковы принципы построения диаграмм состояния сплавов? Охарактеризуйте их на примере сплавов системы свинец-сурьма. 15. При какой температуре и в сплавах какого состава происходит эвтектическое превращение в сплаве олово-цинк? 16. В каких координатах строится кривая охлаждения и диаграмма состояния сплавов? 17. Дайте определение эвтектике. 18. Перечислите структурные составляющие и фазы сплава олово- цинк. 22 19. При каких условиях сплавы образуют диаграммы первого, второго или третьего типа? 20. Охарактеризуйте строение свойства твёрдых растворов заме щения и внедрения. 21. Нарисуйте диаграмму состояния первого типа для сплава, со стоящего из компонентов А и В. Распределите на ней струк турные составляющие и фазы. 22. Нарисуйте диаграмму состояния второго типа для сплава, со стоящего из компонентов А и В. Распределите на ней струк турные составляющие и фазы. 23. Нарисуйте диаграмму состояния третьего типа для сплава, со стоящего из компонентов А и В. Распределите на ней струк турные составляющие и фазы. 24. Охарактеризуйте диаграммы состояния сплавов первого, вто рого и третьего типа. 25. Дайте определения линиям ликвидуса и солидуса диаграмм состояния сплавов. Покажите их на диаграмме сплава олово-цинк. 26. Сколько критических точек расположено на кривых охлажде ния железа, свинца, сурьмы? 23 Список литературы 1. Шейнин А.Е. Строительные материалы/ Учебник для вузов- М.: Стройиздат, 1978. 432 с. 2. Гуляев А.П. Металловедение./Учебник для вузов - М.: Метал лургия, 1977. 647 с. 3. Мозберг Р.К. Материаловедение./Учебное пособие.- Таллин, Изд-во «Валгус», 1976. 554 с. 4. Основы материаловедения./Учебник для вузов./под ред. Сидо рина И.И..- М.: .Машиностроение, 1976. 436 с. 5. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка ме таллов/ Учебник для вузов - М.: Металлургия, 1983. 360 с. 6. Технология металлов и сварка./Учебник для вузов / под общ. ред. Полухина И.И..- М. Высшая школа, 1977 464 с. 24 |