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