Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


Построение диаграмм состояния



Сущность термического метода построения диаграммы состояния сводится к определению критических температур при нагревании или охлаждении металлов и сплавов. Критическими называются температуры, при которых происходят фазовые превращения в сплаве (начало и конец кристаллизации, полиморфные превращения и другие).

В процессе охлаждения сплава (рис. 1) вначале скорость охлаждения велика, затем она уменьшается, т.к. происходит кристаллизация одной из фаз, при которой выделяется некоторое количество тепла. При кристаллизации эвтектики происходит остановка охлаж­дения (площадка на кривой охлаждения), так как выделяемое тепло, в связи с кристаллизацией двух и более фаз одновременно, полнос­тью компенсирует теплоотвод.

При охлаждении сплавов с различным содержанием компонентов получают ряд кривых, изображающих ход процесса охлаждения сплава.

Для двухкомпонентных систем при построении диаграмм по оси ординат откладывается температура, по оси абсцисс – концентрация элементов в сплаве (рис. 2).

Рис.1. График процесса кристаллизации сплавов Рис. 2. Координатные оси при построении диаграммы состояния сплавов олово-цинк

 

Общее содержание компонентов в сплаве 100%, и поэтому каж­дой точке на диаграмме соответствует определенное содержание ком­понентов.

Критические температуры начала и конца кристаллизации, полу­ченные при охлаждении сплавов, переносятся на координатные оси «температура–концентрация». Затем плавными линиями соединяются точки начала и конца кристаллизации сплавов. При наличии эвтекти­ки в сплаве точки конца кристаллизации сплавов располагаются на одной прямой при температуре кристаллизации эвтектики (рис.4).

Сплавы на, диаграмме состояния, располагающиеся до точки эв­тектики (слева направо), называются доэвтектическими, соответствующие точке эвтектики – эвтектическими, располагающиеся за точ­кой эвтектики – заэвтектическими. Структура этих сплавов на приме­ре системы Zn-Snпоказана на рис.3.

Рис. 3. Схематическое изображение структуры системы олово-цинк:

а) доэвтектический сплав, олово+эвтектика (Sn+Zn);

б) эвтектический сплав, эвтектика (Sn+Zn);

в) заэвтектический сплав цинк+эвтектика (Sn+Zn)

 

Рис. 4. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой неограниченно

растворимы в жидком состоянии, нерастворимы в твердом

и при кристаллизации образуют смесь (эвтектику)

 

Анализ диаграмм состояния

По диаграмме состояния можно определить критические точки сплава при нагревании и охлаждении и установить его структуру, выбрать сплав, обладающий наилучшими литейными свойствами, правильно назначить режим термической обработки.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой неограниченно растворимы в жидком состоянии, нерастворимы в твердом и при кристаллизации образуют эвтектику (рис. 4):

АЕС – ликвидус, начало кристаллизации сплавов.

ВЕF – солидус, конец кристаллизации сплавов; на этой линии происходит одновременная эвтектическая кристаллизация компонентов А и В при постоянной температуре. Линия называется эвтектической.

АЕ – начало кристаллизации компонента А.

ЕС – начало кристаллизации компонента В.

Точка Е называется эвтектической, в ней происходит одновре-
менная кристаллизация компонентов при самой низкой и постоянной
температуре.

 

Кристаллизация и структурообразование сплавов (I–III)

Сплав I – доэвтектический. Критическая точка 1 – начало кристаллизации компонента А, две фазы: жидкость и зародыши зерен компонента А.

Критическая точка 2 – кристаллизация эвтектики, т. е. из оставшейся к этой температуре жидкости одновременно кристаллизуютсякомпоненты А и В:

 

.

 

На кривой охлаждения образуется площадка 2-2. Структура сплавапосле охлаждения состоит из зерен компонента А и эвтектики.

По мере охлаждения сплава между точками I и 2 жидкость меняет свою концентрацию по линии AЕ. Чтобы определить состав твердой и жидкой фаз при заданной температуре t1 сплава I (рис.4), необходи­мо через точку t1провести коноду, т. е. прямую линию, параллельную оси концентрации, до пересечения с линиями диаграммы и точки пересечения спроектировать на ось концентрации. Точка пересечения l c линией ликвидус покажет концентрацию компонентов А и В в жидкой фазе, точка S – в твердой (чистый компонент А).

Соотношение масс фаз при заданной температуре можно определить по правилу отрезков.

Правило отрезков. Массы фаз относятся между собой как обрат­ная пропорция отрезков коноды. Например, при температуре t1 сплав I имеет 2 фазы: жидкую и твердую с количеством масс QЖ и QТВ, соотношение фаз определится выражением (I), а количество жидкой и твердой фаз – соотношениями (2) и (3):

 

; (1)

; (2)

, (3)

где Р – общая масса сплава.

Сплав II – эвтектический. Критическая точка Е - компоненты А и В кристаллизуются одновременно при постоянной температуре:

 

.

 

Присутствуют 3 фазы: жидкость эвтектического состава, компо­ненты А и В. На кривой охлаждения образуется площадка 1-1.

Структура сплава после охлаждения состоит из эвтектики (смеси кристаллов компонентов А и В).

Сплав III – заэвтектический. Критическая точка 1 – начало крис­таллизации компонента В. Фазы две: жидкость, кристаллы компонента В. По мере охлаждения сплава жидкость меняет концентрацию по линии ликвидус ЕС. Например, при t2 состав жидкости определится точ­кой n ,спроектированной на ось концентраций, а состав твердой фазы – проекцией точки m.

Критическая точка 2 – кристаллизация эвтектики, т. е. из остав­шейся к этой температуре жидкости при постоянной температуре кристаллизуются оба компонента:

.

Структура сплава после охлаждения состоит из зерен компонента В и эвтектики.

Правило фаз Гиббса устанавливает зависимость между числами фаз системы, ее компонентов и степеней свободы:

 

, (4)

 

где С – число степеней свободы, или вариантность системы;

К – число компонентов системы;

Ф – число фаз, находящихся в равновесии в данной критической точке.

Под числом степеней свободы понимается число независимых па­раметров системы, которые можно изменить, не изменяя равновесия, например, температуру без изменения числа фаз. Так как степень свободы не может быть меньше нуля и дробным числом, то

 

, .

 

Следовательно, в двойной системе в равновесии может находиться не более трех фаз, в тройной – не более четырех и т. д.

Например, определим число степеней свободы у сплава I в 1-й критической точке (рис.4):

 

, ,

 

т. е. с изменением температуры между точками 1-2 число фаз не изме­няется, а происходит переход одной фазы (жидкости) в другую (ком­понент А). Во второй точке

 

, ,

т. е. процесс кристаллизации эвтектики идет при постоянной темпера­туре, система нонвариантна. Изменение температуры ведет к измене­нию количества фаз.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой растворимы
в жидком состоянии, нерастворимы в твердом и при кристаллизации
образуют устойчивое химическое соединение
(рис.5).

 

Рис. 5. Диаграмма состояний сплавов, компоненты которой неограниченно

растворимы в жидком состоянии, нерастворимы в твердом

и при кристаллизации образуют устойчивое химическое соединение

 

Диаграмма рассматривается как совокупность двух диаграмм состояния, где в роли компонента выступает химическое соединение:

I часть диаграммы – компоненты А и АтВn;

II часть диаграммы – компоненты В и АтВn.

Обе части диаграммы характеризуются неограниченной раствори­мостью в жидком состоянии. В твердом состоянии они нерастворимы, при кристал­лизации образуется эвтектическая смесь, состоящая из кристаллов компонента и химического соединения.

Диаграмма состояний сплавов, компоненты которой неограниченно растворимы друг в друге в жидком и твердом состояниях (рис.6):

 

Рис. 6. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой неограниченно

растворимы друг в друге в жидком и твердом состояниях

 

АnВ – ликвидус, начало кристаллизации твердого раствора;

АтВ – солидус, конец кристаллизации твердого раствора.

 

Кристаллизация и структурообразование сплавов (I)

Критическая точка 1 – начало кристаллизации твердого раство­ра α:

.

Критическая точка 2 – конец кристаллизации твердого раство­ра α.

При кристаллизации в интервале температур между точками 1-2 жидкая и твердая фазы изменяют состав. Изменение концентрации жид­кости определяется линией ликвидус АnВ, а концентрации твердого раствора – линией солидус АmВ. Например, в сплаве I при температу­ре t1 состав жидкой фазы соответствует точке c, твердой – точ­ке d, спроектированными на ось концентраций. По правилу отрезков количество твердой фазы

.

Структура сплава: зерна однородного твердого раствора α.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой неограничен­
но растворимы в жидком состоянии, ограниченно – в твердом, при
кристаллизации образуют эвтектическую смесь (эвтектику)
(рис.7):

 

Рис. 7. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой неограниченно

растворимы в жидком состоянии, ограниченно в твердом

и при кристаллизации образуют смесь (эвтектику)

 

АЕС – ликвидус;

АВЕFС – солидус;

АЕ – начало кристаллизации твердого раствора α;

АВ – конец кристаллизации твердого раствора α;

ЕС – начало кристаллизации твердого раствора β;

СF – конец кристаллизации твердого раствора β;

ВМ – ограничение растворимости компонента В в кристаллической решетке компонента А.

FN – ограничение растворимости компонента А в кристаллической решетке компонента В.

Точки В, F – максимальная растворимость компонентов друг в друге.

Диаграмма отличается от диаграммы (рис.4) наличием двух об­ластей граничных твердых растворов α и β. Компоненты в чистом виде в сплавах этой системы макроскопически не присутствуют, а находятся только в виде твердых растворов α и β.

Кристаллизация и структурообразование в сплавах, состав которых находится в интервале проекций точек В и F диаграммы (рис.7) на ось концентраций, происходят аналогично ранее рассмотренным примерам диаграммы с нерастворимыми в твердом состоянии компонентами, только вместо компонентов А и В присутствуют твердые растворы αи β.

 

Кристаллизация и структурообразование сплавов IV (V)

Критическая точка 1 – начало кристаллизации твердого раствора. α(β), две фазы: жидкость и α(β). В интервале темпера­тур между точками 1 и 2 идет кристаллизация:

.

Критическая точка 2 – конец кристаллизации α(β), в структуре сплава осталась одна фаза – α(β). В интервале температур меж­ду точками 2 и 3 – охлаждение твердого раствора α(β). За счет снижения растворимости твердый раствор становится насыщенным. Критическая точка 3 – начало выделения вторичного твердого раство­ра βIIII) из пересыщенного твердого раствора α(β) вследствие уменьшения растворимости компонентов при снижении температу­ры. В интервале температур между точкой 3 и комнатной выделяется вторичный твердый раствор βIIII). В структуре сплава две фазы:

IV – ; V – .

 

Порядок выполнения работы

 

Работа выполняется звеньями (по два-три студента в каждом звене).

1. Изучить учебное пособие.

2. Получить жидкий сплав одного из составов (разд.2), установить термопару в кварцевый наконечник, погруженный в сплав, записать показания температуры через 30 с. Замер прекратить при температуре 140°С.

3. Построить по полученным данным кривую охлаждения сплава в координатах температура-время (рис.1).

4. Определить критические точки по перегибам кривой охлаждения, т. е. температуру начала и конца кристаллизации, отметить их на графике.

5. Указать в таблице критические точки сплавов, определенные другими звеньями студентов.

6. Построить диаграмму состояния олово-цинк (рис.2):

а) отложить на левой вертикали температуру кристаллизации олова – 232°С;

б) отложить на правой вертикали температуру кристаллизации цинка – 419°С;

в) найти положение сплава эвтектического состава и отметить температуру его кристаллизации;

г) найти положение сплавов доэвтектического и заэвтектического составов и отметить точки начала и конца кристаллизации;

д) соединить плавной кривой все точки начала кристаллизации и прямой линией – точки конца кристаллизации.

7. Выполнить индивидуальное задание.

 

Содержание отчета

 

1. Цель работы.

2. Кривая охлаждения заданного сплава.

3. Диаграмма состояния олово-цинк, на которой указаны:

а) линии ликвидус и солидус данной системы;

б) линия начала кристаллизации олова и цинка;

в) линия кристаллизации эвтектики;

г) эвтектическая точка.

4. Структура сплавов доэвтектического, заэвтектического и эвтектического составов (рис. 3).

5. Индивидуальное задание:

а) зарисовать данную преподавателем диаграмму состояния;

б) установить тип данной диаграммы;

в) определить структурный и фазовый состав различных ее областей;

г) определить положение сплава, данного преподавателем, на диаграмме состояния;

д) определить его критические точки, число степеней свободы в каждой критической точке по правилу фаз Гиббса и построить кривую охлаждения в координатах температура-время;

е) определить концентрацию компонентов в твердой и жидкой фазах по правилу отрезков, а также весовое количество фаз при заданной температуре;

ж) определить структуру заданного сплава.

 

6. Контрольные вопросы

 

1. Что такое диаграмма состояния?

2. Какой метод положен в основу построения диаграммы олово-цинк?

3. Что называется компонентом, фазой?

4. Как определяется концентрация фаз?

5. Как определяется соотношение масс фаз?

6. Каковы особенности эвтектического сплава?

7. Нарисовать диаграмму состояния с ограниченной и неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и проставить все фазы.

8. Нарисовать диаграмму состояния, когда компоненты не растворяют­ся друг в друге, когда образуется устойчивое химическое соеди­нение, проставить все фазы.

9. Как определяется число степеней свободы в критических точках?

 

 

Лабораторная работа № 2






Читайте также:

Последнее изменение этой страницы: 2016-03-15; Просмотров: 310; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2017 год. Все права принадлежат их авторам! (0.097 с.) Главная | Обратная связь