Задание по работе. 1 Изучить установку для исследования процесса кристаллиза­ции сплава термическим методом и зарисовать ее схему

1 Изучить установку для исследования процесса кристаллиза­ции сплава термическим методом и зарисовать ее схему.

2 Исследовать процесс кристаллизации заданного преподавате­лем сплава, внести данные по изменению температуры во времени в таблицу, построить кривую охлаждения (с примене­нием правила Гиббса и пояснением фазовых превращений).

3 После сведения результатов в таблицу по каждому иссле­дованному сплаву построить диаграмму состояния изучаемой си­стемы.

4 Определить с помощью правила отрезков фазы и их содер­жание для заданной преподавателем температуры сплава.

Лабораторная работа № 6. Анализ диаграмм состояния двойных сплавов

Цель работы: изучить основные типы диаграмм состояния двойных систем; приобрести практические навыки изучения превращений, протекающих при кристаллизации сплавов; проанализировать полученные данные и определить возможность их использования на практике.

Учение о равновесных диаграммах металлических систем, характеризующих различные состояния сплавов в зависимости от температуры и состава, имеет большое значение.

Умея читать диаграмму состояния, можно представить пол­ную картину образования сплава, его переход из жидкого со­стояния в твердое, процессы перекристаллизации в твердом состоянии; можно определить оптимальную температуру залив­ки сплава, оценить его жидкотекучесть, определить склонность к ликвации.

Еще большее значение диаграммы состояния имеют для термической обработки сплавов. В этом случае по ним можно определить какую тепловую обработку может воспринимать данный сплав и какие температурные режимы будут для него наиболее рациональными.

Таким образом, диаграммы состояния двойных и более сложных систем показывают графически, как с изменением химического состава и температуры изменяются структура, коли­чество и состав фаз, находящихся в равновесии.

а – фазовый анализ: б – структурный анализ

Рисунок 6.1 – Диаграмма состояния для металлов А и В

Любая точка диаграммы состояния сплавов показывает:

─ химический состав сплава;

─ температуру сплава;

─ фазовый состав сплава;

─ структуру сплава.

В качестве примера на рисунке 6.1 приведена диаграмма состоя­ния для металлов А и В.

Из диаграммы видно, что выше заштрихованных областей (выше линии ликвидуса) сплавы находятся в жидком состоя­нии; ниже заштрихованных областей (ниже линии солидуса) сплавы находятся в твердом состоянии.

В заштрихованных областях присутствуют две фазы (жид­кая и кристаллы твердой фазы).

Два металла А и В (компоненты) могут образовывать в рассматриваемой системе фазы, указанные по областям на рисунке 6.1, а:

- химическое соединение определенного состава, которое может быть выражено формулой А_тВ_п, где m и n простые целые числа;

- твердые растворы a и b, где a – твердый раствор на ос­нове компонента А – область 1 и b – твердый раствор на основе компонента В – область 6.

Перечисленные фазы могут находиться как в структурно-свободном состоянии, так и в различном сочетании друг с другом, образуя механические смеси.

Одинаковый фазовый состав имеют области 2, 3 и 4: a -твердый раствор и А_тВ_п; но структурно они сочетаются различно в за­висимости от химического сплава, как это показано на рисунке 6.1, б.

Предельная растворимость компонентов В и А определяется линией СН.

Из диаграммы видно, что с понижением температуры раст­воримость металлов В и А уменьшается.

На линии CED происходит эвтектическое превращение: жид­кий сплав (состава точки Е) превращается в механическую смесь – эвтектику (кристаллы a -твердого раствора точки С + кристаллы А_тВ_п точки D):

L_Е ® [a_C + А_mВ_n ].

Эвтектические сплавы являются более легкоплавкими, чем все остальные сплавы данной системы.

На горизонтальной линии KFP происходит перитектическое превращение. Оно заключается в том, что здесь кристаллы А_тВ_п путем взаимодействия с окружающей их жидкостью об­разуют кристаллы твердого раствора.

Это превращение можно выразить так:

А_mВ_n + L_P ® b_F.

В некоторых областях диаграммы структурный состав будет отличаться от фазового состава.

В области 2 сплавы состоят из кристалловa-твердого раствора и некоторого количества вторичных кристаллов А_тВ_п, выделившихся из a-твердого раствора.

Доэвтектические сплавы – область 3 – по структуре состоят из кристаллов a -твердого раствора + эвтектика + А_тВ_п (вторичные кристаллы).

Заэвтектические сплавы – область 4 – по структуре состоят из кристаллов А_тВ_п (первичные) + эвтектика.

Вследствие перитектического превращения сплавы в зависи­мости от их состава могут приобретать различную структуру. Если сплавы по составу находятся между точками К и F (об­ласть 5), структура состоит из кристаллов А_тВ_п + b -твердый раствор (механическая смесь). Если сплавы лежат между точками F и Р (область 6), будет образовываться одна фаза – b - твердый раствор.

Таким образом, структурный анализ этих областей не будет отличаться от фазового состава.

Применяя правило отрезков, можно количественно опреде­лить сколько имеется процентов той или другой фазы по отно­шению к общему весу сплава.

Для определения состава и количества фаз в заданном сплаве Х (см. рисунок 6.1, б) при заданной температуре (точка n) нужно провести горизонталь через точку n до пересечения с ближайшими линиями диаграммы; точки пересечения т и l бу­дут определять составы фаз, а длины отрезков на проведенной горизонтали дадут соотношения, пропорциональные количеству (весу) фаз.

Для сплава Х при заданной температуре – по линии mnl

количество жидкой фазы/ количество всего сплава = mn/ml.

Можно сказать, что отношение длины малого отрезка тп к большому ml таков же, как отношение веса жидкой фазы спла­ва к весу всего сплава.

Можно определить и количество выделившейся твердой фа­зы А_тВ_п. Оно составит такую часть всего сплава, какую часть большего отрезка ml составляет малый отрезок п1:

количество А_тВ_п / количество всего сплава = nl/ml

Таким образом, если в сплаве одновременно присутствуют две фазы, то с помощью правила отрезков можно определить процентное количество как одной, так и другой фазы.

Количественное отношение между весом твердой фазы А_тВ_п и весом жидкой фазы для сплава Х будет следующее:

вес жидкой фазы/ вес твердой фазы = mn/п1