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 Q_Ж и Q_ТВ, 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 А_тВ_n;

II часть диаграммы – компоненты В и А_тВ_n.

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 α и 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 β _II(α _II) 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 β _II(α _II). 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

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. DFD - диаграмма потоков данных
2. I. Методика оценки финансового состояния заемщиков – юридических лиц.
3. III. 1. Построение беседы с родителями (учителем)
4. III. Помощь при неотложных состояниях.
5. А - структурная схема; б - условное обозначение в - временные диаграммы
6. А. Построение кривой производственных возможностей
7. Агрегатные состояния и превращения вещества
8. Анализ и оценка финансового состояния предприятия.
9. Анализ состояния безопасности движения на железных дорогах
10. Анализ технического состояния основных средств предприятия
11. Анализ финансового состояния ГУП РО «Шолоховское ДРСУ»
12. АНАЛИЗ ФИНАНСОВОГО СОСТОЯНИЯ ОРГАНИЗАЦИИ