|
Цель работы: изучение методики оценки сплавов на основе двойных диаграмм состояния.
Необходимое оборудование, приспособления, инструмент, материалы: диаграммы состояния сплавов, термическая печь, набор сплавов-образцов
Теоретические сведения
Известно, что сплавы обладают лучшими механическими и технологическими свойствами по сравнению с чистыми металлами. Сплавы получают сплавлением различных металлов или металлов с металлоидами при этом однородный жидкий раствор при кристаллизации образует следующие типы сплавов: механические смеси, химические соединения, твердые растворы и промежуточные фазы.
Компонентами называются химические элементы или их устойчивое соединения, наименьшее число которых достаточно для образования всех фаз системы.
Фаза – структурно-однородная часть системы, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую резко изменяются свойства.
Из теории сплавов известно, что сплавы могут быть однородными (гомогенными) и многофазными (гетерогенными). Диаграммы состояния являются теоретической основой создания сплавов и показывают графически фазовое состояние сплавов в зависимости от температуры и концентрации.
Диаграммы, описывающие переход из жидкого состояния в твердое, называются первичными. Диаграммы, отображающие перекристаллизацию в твердом состоянии (переменная растворимость, полиморфное превращение), называются вторичными. Диаграммы состояния обычно строят экспериментально.
При построении диаграмм состояния по оси ординат откладывается температура, по оси абсцисс – концентрация компонентов (см. рис. 1.)
Рис. 1. Построение диаграммы состояния: а – кривые охлаждения; б – диаграммы состояний
Левая крайняя вертикаль соответствует 100%-ному содержанию компонента А (0% В), а правая – 100%-ному содержанию компонента В (0% А). Процентное содержание компонента В в сплавах возрастает слева направо, а компонента А, наоборот, справа налево. Например, сплав I имеет концентрацию 22% В и 78% А, сплав II – 50% В и 50% А, сплав III – 79% В и 22% А.
Для построения диаграмм состояния берут серию сплавов а различным содержанием компонентов. Для каждого сплава строят термограмму – кривую охлаждения с помощью метода термического анализа. Для этого исследуемые сплавы нагревают в печи до жидкого состояния, а затем медленно охлаждают. По данным изменений температуры во времени строят кривые охлаждения. По перегибам на кривых, либо температурным остановкам (горизонтальные площадки) определяются температуры фазовых превращений – критические точки 1, 2,…10. Полученные значения критических точек переносят на вертикальные линии соответствующих сплавов на диаграмме температура—концентрация. Соединив точки начала и конца кристаллизации, получают линии фазовых превращений – диаграмму состояния. На рис. 1 показаны кривые охлаждения для чистых компонентов А и В, а также для сплавов I, II, III. В данном случае компоненты близки по свойствам и неограниченно растворяются в жидком и твердом состоянии, при этом образуется непрерывный ряд твердых растворов.
Линия, соответствующая началу кристаллизации (А´ и В´), называется линией ликвидус(жидкий). Выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии.
Линия, соответствующая концу кристаллизации ( В´ и А´), называется солидус (твердый) и ниже ее сплавы находятся в твердом состоянии. Экспериментально построенные кривые охлаждения и диаграммы состояния проверяют по правилу фаз.
Правило фаз. Закон Гиббса.
Равновесное состояние сплава при атмосферном давлении определяется температурой (внешним фактором) и концентрацией (внутренним фактором) системы. Степень свободы системы – С – показывает число внешних внутренних факторов – В, которое можно изменить без нарушения числа фаз, находящихся в равновесии. В общем виде число степеней свободы зависит от числа компонентов – К, число фаз – Ф и определяется выражением
С = К – Ф + В
Для каждого конкретного сплава внутренний фактор К является постоянным, т. е. этот фактор в уравнении не учитывается. Остается лишь внешний изменяющийся фактор – температура. Поэтому в нашем случае В = 1 и уравнение примет вид
С = К – Ф + 1
Для чистых компонентов А и В степень свободы при температуре кристаллизации равна нулю, т. е. С – 1 -2 +1 = 0. и процесс кристаллизации должен проходить обязательно при постоянной температуре (горизонтальные площадки 1 - 2 и 9 – 10, см. рис. 1.).
В сплаве II в интервале температур 5 – 6 будут присутствовать две фазы (жидкая и твердый раствор ά. Число степеней свободы С = 2 – 2 +1 = 1. В этом случае кристаллизация сплава идет не при постоянной температуре, а в условиях непрерывного охлаждения в интервале температур. На термограмме в точках 5 и 6 наблюдается перегиб кривой, а горизонтальная площадка отсутствует.
Правило отрезков для двухфазовой области.
Это правило позволяет определить концентрацию (химический состав) фаз исследуемого сплава при заданной температуре. Для этого проводят коноду (изотерму) до пересечения с линиями диаграммы, ограничивающими данную двухфазовую область. Проекции точек пересечения на ось концентраций (ось абсцисс) показывает концентрацию фаз. Например, для сплава при температуре t2 проводится конода. Точки пересечения коноды обозначим а в с.
Проекция точки а ( т. а´) показывает концентрацию жидкой фазы, т. е. в жидкости количество компонентов В будет определяться отрезком А а´, компонента А – отрезком а´В. Проекция точки С (т. С´ ) показывает концентрацию твердого раствора, т. е. в ά твердом растворе содержится компонент В (отрезок АС) и компонент А (отрезок С´ В). Значит твердая фаза ά будет более богата компонентом В, чем жидкость. Такое распределение компонентов в фазах объясняется их разной температурой плавления. Компонент А будучи более легкоплавким, чем компонент В, сохранится в большем количестве в жидкости и меньшем количестве войдет в кристаллы твердого раствора ά. Таким образом, в процессе кристаллизации сплава концентрация твердого раствора ά будет изменяться по линии ликвидус. Значит, состав кристаллов будет при кристаллизации изменяться в сторону уменьшения содержания более тугоплавкого металла. Химическая неоднородность по объему кристаллов носит название внутрикристаллитной или дендритной ликвации. Она может быть кстранена последующим нагревом сплава и его выдержкой при температуре, близкой к линии солидус.
Это правило позволяет также определить количество (массу) фаз отношение противоположного отрезка ко всему отрезку – коноде. Так, если для сплава (см. рис. 1) отрезок ас (в миллиметрах) принять за общее количество – 100% (Qж + Qа ), то количество фаз в сплаве будет определяться соотношениями
Do'stlaringiz bilan baham: |
