Главная Случайная страница


Полезное:

Как сделать разговор полезным и приятным Как сделать объемную звезду своими руками Как сделать то, что делать не хочется? Как сделать погремушку Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами Как сделать идею коммерческой Как сделать хорошую растяжку ног? Как сделать наш разум здоровым? Как сделать, чтобы люди обманывали меньше Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили? Как сделать лучше себе и другим людям Как сделать свидание интересным?


Категории:

АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника






Анализ диаграмм состояния двойных





СПЛАВОВ

Цель работы: установить связь между диаграммами со­стояния, структурой и свойствами сплавов.

План работы

1. Выполнить анализ диаграмм состояния сплавов Рb - Sb и Сu-Ni.

2. Построить кривые охлаждения заданных сплавов.

3. Исследовать микроструктуры сплавов.

 

Пояснении к работе

Диаграмма состояния системы сплавов представляет собой графическое изображение состояния сплава в зависимос­ти от температуры и концентрации.

Диаграммы состояния строятся экспериментальным путем в координатах состав сплава - температура, Для их построения используется ряд анализов, основные из которых: терми­ческий, химический, микроструктурный, рентгеноструктурный. При термическом анализе получают кривые охлаждения в координатах температура - время (рис. 1). Если при охлаждении в исследуемой системе не происходит изменений в стро­ении, то кривая получается плавной, без перегибов (рис. 1,а), В случае охлаждения чистого металла (рис. 1,б) происходя­щая кристаллизация сопровождается выделением скрытой теплоты, которая полностью компенсирует теплоотвод в ок­ружающее пространство, и температура остается постоянной в течение времени кристаллизации, т. е. чистый металл кри­сталлизуется при постоянной температуре. Такой же вид име­ет кривая охлаждения сплава—смеси эвтектического соста­ва. После завершения кристаллизации температура понижа­ется.

Двойные сплавы в отличие от чистых металлов кристал­лизуются в интервале температур. При кристаллизации твердого раствора на кривой охлаждения имеются точки пе­региба (рис. 1,в). Кривая охлаждения

сплава—механическая смесь (рис. 1,г) имеет горизонтальный участок,

что соответ­ствует кристаллизации эвтектики.

t, 0С
τ
tос
t, 0С
τ
tкр

 


t, 0С
τ
tнк
tкк
t, 0С
τ
tнк
tкк
а) б)

 

 

в) г)

Рис. 1 Кривые охлаждения

Точки перегиба на кривых охлаждения соответствуют критическим точкам. Критическая точка - это температура, соответствующая структурным превращениям и сплаве. В обоих случаях верхние критические точки соответствуют началу кристаллизации, а нижние — концу.

Пример построения диаграммы состояния приведен на рис. 2. На кривых охлаждения (рис. 2, а), построенных для сплавов с различной концентрацией компонентов, отмечают критические точки. Эти точки переносят на координатную сетку диаграммы состояния (рис. 5,б). Соединив точки нача­ла и конца кристаллизации, получают линии ликвидус и солидус.

Таким образом, линия ликвидус - геометрическое место точек начала кристаллизации при охлаждении и конца плав­ления при

нагреве. Линия солидус —геометрическое место точек конца кристаллизации при охлаждении и начала плавления при нагреве.

Выше линии ликвидус сплав нахо­дится в жидком состоянии Ж, ниже линии солидус—в твер­дом (αтв). Между линиями ликвидус и солидус сплав на­ходится в полужидком состоянии (имеются жидкая и твер­дая фазы).

Анализ диаграммы состояния сплава проводится с по­мощью правил фаз и отрезков. Для проведения анализа не­обходимо изучить следующие понятия и определения.

Сплав — сложное вещество, полученное в результате сплавления двух или более компонентов.

а) б)

Рис. 2. Построение диаграммы состояния по кривым охлаждениям

Компонент— составляющая сплава, им могут быть химические элементы или устойчивые химические соединения.

Система — совокупность веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях, при известных условиях (темпера­тура, давление), занимающая определенный объем. Систе­мы, состоящие из одного химического элемента или соеди­нения. называют простыми, а из нескольких — сложными.

Эвтектика — мелкозернистая смесь, состоящая из двух или более

 

фаз, кристаллизующихся одновременно при пос­тоянной температуре из жидкой фазы, имеющая определен­ный состав и наименьшую для данного сплава температуру плавления.

Фаза — однородная внутри тебя часть системы, отделен­ная от других частей (фаз) поверхностью раздела, при пе­реходе через которую строение и свойства меняются скач­ками.

Число степеней свободы (вариантность) системы — число внешних (температура, давление) и внутренних (концентра­ция) факторов, которое можно изменять без изменения чис­ла равновесных фаз в системе.

Правило фаз (закон Гиббса) дает количественную связь между степенью слободы системы и количеством фаз и компонентов для получения равновесного состояния. Правило фаз можно выразить уравнением С=К - Ф+2, где С — число степеней свободы; К — число компонентов; Ф — число фаз; 2 — внешние факторы равновесия (температура, давление). Если принять, что превращения в сплавах практиче­ски происходят при постоянном давлении, тогда правило фаз принимает вид

С=К - Ф+1

Если число степеней свободы С=0 — система безвариантна, при этом нельзя изменить внешний (температуру) или внутренний (концентрацию) факторы без того, чтобы это не вызвало изменения числа фаз. Кристаллизация в данном случае происходит при постоянной температуре.

Если число степеней свободы С=1 — система одновариантна, при этом изменение одного из факторов равновесия не вызывает изменения числа фаз. Процесс кристаллизации протекает при понижающейся температуре.

Если число степеней свободы С=2 — система двухвариантна, возможно изменение обоих факторов равновесия без изменения числа фаз.

Правило отрезков применяется в двух случаях: для на­хождения состава фаз и для определения их количественно­го соотношения.

 

 

В первом случае для нахождения состава фаз через точ­ку, характеризующую состояние системы, проводят горизон­тальную линию (каноду) до пересечения с линиями, огранивающими данную область диаграммы состояния. Проекции точек пересечения на ось концентрации показывают состав фаз.

 

Рис. 3. Определение состава и количественного соотношения фаз с помощью правила отрезков

В приведенном примере (рис. 3) для сплава в состоянии точки «с», проведя линию аb, получаем, что состав твердой фазы соответствует проекции точки b, состав жидкой фазы — проекции точки а.

Количественное соотношение фаз обратно пропорцио­нально отрезкам, прилегающим к точкам, определяющим со­став этих фаз. В данном примере отношение количества твердой фазы Qтв к количеству жидкой фазы Qж обратно пропорционально отношению отрезков bc и ca: Qтв/ Qж= ca/ bc.

Если требуется определить долю твердой (или жидкой) фазы во всем сплаве, то соотношение будет иметь следую­щий вид:

Qтв/ Qспл= ac/аb

Анализ диаграммы состояния системы свинец — сурьма

Сплав Рb — Sb относится к сплавам механическим сме­сям. Это сплавы, компоненты которых полностью раствори­мы в жидком состоянии и практически нерастворимы в твердом, т. е. рядом с зернами одного компонента находятся зерна другого.

 

t,0С
τ, мин
Ж, ф =1, с=2
Ж→Sb, ф =2, с=1
Ж→Э(Sb+Pb), ф =3, с=0
Э+Sb, ф =2, с=1
% Sb
D
Ж
Ж+Sb
Э+Sb
Ж+Pb
Э+Pb
Э
Pb 13%Sb 40% 100% Sb  
2460
6310
3270
t,0С
С
Е
F
G
Солидус
Ликвидус
 
 

 

 


Рис. 4. Диаграмма состояния системы свинец—сурьма

 

Линия СЕD — ликвидус, выше этой линии находит­ся область жидкого однофазного состояния. Линия FЕG – солидус, ниже которой сплав находится в твердом двухфазном состоянии—смесь кристаллов свинца и сурьмы.

При охлаждении сплавов различной концентрации по линии СЕ из жидкого расплава выделяются кристаллы свинца. По линии ЕD жидкого расплава выделяются кристаллы сурьмы.

На линии FЕG происходит образование эвтектики, т.е. из жидкой фазы состава точки Е(13%Sb)| одновременно при постоянной температуре выделяются дис­персные кристаллы свинца и сурьмы, поэтому линия FЕG называется линией эвтектического превращения. На ней в равновесии находятся три фазы: жидкая, кристаллы свинца и сурьмы. Точка Е называется эвтектической, сплав

состава точки Е—эвтектическим (Э). Сплавы с содержанием сурь­мы менее 13% называется доэвтектическими (Э+Pb), бо­лее 13% заэвектическими (Э+Pb).

Для выявления закономерности образования структуры рассмотрим процесс кристаллизации заэвтектического сплава 1 (рис. 4). При охлаждении его до температуры точки 1 сплав находится

в жидком состоянии. При температуре t1 начинается кристаллизация сурьмы, этот процесс продолжается до температуры t2, соответствующей линии эвтектического превращения. При охлаждении сплава в интервале t1-t2 происходит его качественное изменение: в результате выпадения кристаллов сурьмы жидкая фаза обедняется сурьмой (до 13%) и обогащается свинцом. Согласно правилу состав жидкой фазы меняется в соответствии с линией ликвидус от точки 1 при температуре t1 до точки Е при температуре t2..На линии FЕG кристаллизация сурьмы заканчивается, и затем из оставшейся жидкости состава точки Е происходит образование эвтектики Э.

Описанный процесс кристаллизации можно записать в следующем виде:

;

После кристаллизации сплав I будет состоять из двух структурных составляющих: крупных кристаллов сурьмы и эвтектики, представляющей мелкозернистую смесь кристал­лов сурьмы и свинца. Структурной составляющей называют обособленную часть структуры, имеющую при данном уве­личении микроскопа однообразное строение.

В доэвтектических сплавах в интервале температур от линии: ликвидус до линии солидус из жидкой фазы выпада­ют кристаллы свинца и жидкость, обогащается сурьмой (до 13%) и обедняется свинцом. Доэвтектические сплавы после затвердевания состоят также из двух структурных составля­ющих: крупных кристаллов свинца и эвтектики.

 

Сплав эвтектического состава кристаллизуется при пос­тоянной

температуре, без предварительного образования кристаллов сурьмы и свинца. После затвердевания он состо­ит из одной структурной составляющей—эвтектики.

Имея диаграмму состояния системы, можно, пользуясь правилом фаз, построить кривую охлаждения сплава любой заданной концентрации. На рис. 4 дан пример построении кривой охлаждения для сплава I.

Анализ диаграммы состояния системы медь—никель

Сплав Сu —Ni относится к сплавам—твердым раство­рам. Компоненты такого сплава имеют неограниченную растворимость как в жидком, так и твердом состояниях, т. е., смешиваясь между собой, образуют один тип кристалличе­ской решетки. Общий вид диаграммы приведен на рис. 5. Линия асв на диаграмме состояния Сu – Ni называется ликвидус. Выше этой линии все сплавы данной системы находятся в жидком состоянии. Линия адв называется солидус ﴿. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. Между ликвидусом и солидусом одновременно находятся две фазы: жидкий и твердый растворы. Чтобы охарактеризовать фазовое состояние конкретного сплава при заданной температуре, необходимо определить природу фаз, находящихся в равновесии при данной температуре, их химический состав и относительное количество. Для примера рассмотрим изменение фазового состояния, происходящее при снижении температуры в сплаве, содержащем 30 % Ni и 70 % Сu.

Рис. 5. Диаграмма состояния системы «медь – никель»

Для определения фазового состояния сплава в интервале кристаллизации применяют правило отрезков. Например, при произвольно выбранной температуре t 1 через точку, лежащую на ординате сплава, проводят горизонтальную линию - изотерму - до пересечения с ближайшими линиями диаграммы.

Точки пересечения укажут, какие фазы находятся в равновесии у данного сплава при t 1 : m – соответствует жидкому раствору, n – твердому раствору α. По проекциям точек пересечения на ось концентрации определяют химические составы равновесных фаз: в жидкой фазе содержится оm' % Ni (остальное – Сu); в α-фазе - оn ' % Ni (остальное – Сu).

Количественное соотношение равновесных фаз определяют по отрезкам: количество жидкой фазы пропорционально кn, аα-фазы - mk. Линию mn называют конодой.

При охлаждении сплава из жидкого состояния ниже точки 1, лежащей на линии ликвидус, начинается кристаллизация. При переходе через точку 2 на линии солидус кристаллизация заканчивается. В процессе кристаллизации концентрация компонентов в жидком растворе изменяется согласно ликвидусу от точки 1 до точки 2', а в растворе α – согласно солидусу от точки 1' до точки 2.

После окончания кристаллизации структура сплава состоит из зерен твердого раствора α, имеющих одинаковый состав. Поскольку сплав был выбран произвольно, то рассуждения о формировании его структуры применимы к любому сплаву этой системы, кроме чистых Cu и Ni.

Применение сплавов

Сплавы – смеси применяются в качестве:

1. Литейных, т.к. они обладают хорошей жидкотекучестью, из-за наличия в их составе эвтектики.

2. Припоев для пайки.

3. Тепловых предохранителей, т.к. сплавы при любой концентрации имеют одинаковую температуру начала плавления, что обеспечивает точность срабатывания предохранителей при повышении температуры в помещении до заданных значений.

4. Типографских шрифтов (доэвтектический сплав Pb-Sb)

5. Подшипников скольжения (баббиты), состоящие из

мягкой основы – эвтектики и твердых включений, мягкая основа обеспечивает хорошую прирабатываемость подшипника к валу, а твердые включения—высокую износостойкость.

Сплавы – твердые растворы применяются в качестве:

1. Коррозионностойких (нержавеющих), что обеспечива­ется их однофазной структурой;

2. Электросопротивлений, реостатной проволоки (Сu - Ni, Ni - Мn), нагревательных элементов электроприборов (Ni - Сr, Fе-Сr). Высокое электросопротивление имеет место из-за наличии в кристаллической решетке металла—растворителя чужеродных атомов растворенного металла.

Микроструктуры сплавов:

Pb – Sb

х135 х135 х135

доэвтектический (Pb+Э) эвтектический (Э) эвтектический (Pb+Э)

Сu – Ni

х135 х135

литой деформированный и отожженный

 

Задание. Построить кривую охлаждения для сплава Pb – Sb заданной концентрации

Вари- ант                                            
Sb, % 1,5                                     2,5    

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

Date: 2016-07-25; view: 1057; Нарушение авторских прав; Помощь в написании работы --> СЮДА...



mydocx.ru - 2015-2024 year. (0.008 sec.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав - Пожаловаться на публикацию