Металлографический анализ сплавов системы свинец-сурьма

Для проведения металлографического анализа студенту выдается коллекция из четырех незамаркированных микрошлифов сплавов системы свинец-сурьма, с содержанием в них сурьмы 5, 13, 20 и 40 % (соответственно, I, II, III и IV контрольный сплав). Просматривая поочередно структуру микрошлифов на микроскопе МИМ-7 и сопоставляя наблюдаемую картину с контрольными микроструктурами, приведенными на лабораторном стенде, необходимо идентифицировать микрошлифы с номерами контрольных сплавов, а затем сопоставить их наблюдаемую структуру с ожидаемой по диаграмме состояний сплавов системы свинец-сурьма (рис. 4.1).

Сплавы свинца с сурьмой относятся к эвтектическому типу, поскольку в твердом состоянии свинец и сурьма друг с другом химически не взаимодействуют и не образуют твердых растворов.

Соответственно, однофазные области располагаются на диаграмме Pb - Sb следующим образом:

– фаза L – выше линии АВС;

– фаза РЬ – линия ОА;

– фаза Sb – линия ЕС.

Характерной точкой этой диаграммы является тройная точка В, которой соответствует наиболее легкоплавкий эвтектический сплав этой системы, имеющий в своем составе 13% Sb.

Сплавы, содержащие менее 13% Sb, называются доэвтектическими, а содержащие более 13 % Sb – заэвтектическими сплавами.

Рис. 4.1. Диаграмма состояний сплавов системы свинец-сурьма

В общем случае кристаллизация сплавов эвтектического типа происходит последовательно в два этапа:

На первом этапе из жидкости L выделяются твердые кристаллы компонента, избыточного по отношению к эвтектическому составу. В течение этого этапа внутри сплава имеются твердые кристаллы указанного избыточного компонента и жидкость, химический состав которой по мере охлаждения постепенно приближается к эвтектическому составу.

Конкретно, в доэвтектических сплавах, где избыточным по отношению к эвтектике является свинец, ниже линии ликвидус АВ происходит выделение из жидкости сплава твердых кристаллов РЬ; сплавы имеют в это время фазовый состав L + Pb, причем по мере снижения температуры к уровню 240 °С (линия DE), постепенно количество твердых кристаллов Pb увеличивается, а химический состав остающейся в сплаве жидкости L изменяется по линии AB к точке B.

При достижении сплавом температуры 240 °С (линия DE) в нем имеются твердые кристаллы избыточного компонента Pb и жидкость эвтектического состава L _эвт.

Аналогичные процессы протекают и при кристаллизации заэвтектического сплава, с той разницей, что вместо кристаллов Pb будут выделяться кристаллы избыточного Sb; к моменту достижения сплавом температуры 240 °С (линия DE) в нем, как и в предыдущем случае, еще останется жидкость эвтектического состава.

Ясно, что при кристаллизации эвтектического сплава процессы первого этапа будут отсутствовать.

На втором этапе кристаллизации во всех без исключения сплавах этой системы при постоянной температуре 240 °С происходит затвердевание эвтектической жидкости с образованием твердых кристаллов эвтектики, то есть механической смеси мелких зерен свинца и сурьмы содержащей в среднем 13% Sb. По этой причине линия DE на диаграмме состояния называется линией эвтектического превращения:

L _эвт.→ эвт (Pb + Sb).

После завершения эвтектического превращения кристаллизация сплавов закончена, и они без каких-либо внутренних изменений охлаждаются до комнатной температуры.

Из изложенного следует, что структурными составляющими сплавов системы свинец-сурьма являются:

– кристаллы Pb;

– кристаллы Sb;

– кристаллы эвтектики эвт(Pb+Sb).

В структуре доэвтектических сплавов при комнатной температуре будут иметься кристаллы свинца и кристаллы эвтектики; в структуре заэвтектических сплавов – кристаллы сурьмы и кристаллы эвтектики, что и указано в обозначениях соответствующих областей диаграммы состояний.

Таким образом, в соответствии с диаграммой состояний, среди контрольных сплавов: № I – доэвтектический, №II – эвтектический, а №III и №IV – заэвтектические сплавы. Соответственно, структуры контрольных сплавов:

I. Pb+эвт(Pb+Sb);

II. эвт(Pb+Sb);

III. Sb+эвт(Pb+Sb);

IV. Sb+эвт(Рb+Sb).

На рис. 4.2 представлены микроструктуры сплавов системы Pb-Sb для идентификации студентами изучаемых контрольных сплавов.

Различие структур III и IV сплавов состоит в том, что в IV сплаве больше кристаллов Sb, так как в этом сплаве избыток сурьмы над эвтектическим составом больше, чем в III сплаве.

В заключение студентам рекомендуется самостоятельно убедиться в справедливости изложенных закономерностей кристаллизации сплавов эвтектического типа путем анализа диаграммы состояний Pb-Sb с помощью правила отрезков и правила фаз.

а)

б)

в)

Рис.4.2. Микроструктуры и схема зарисовки сплавов системы Pb-Sb, ^х500: а) доэвтектический, 95% Pb и 5% Sb; б) эвтектический 87% Pb и 13% Sb; в) заэвтектический 80% Pb и 20% Sb