Лабораторная работа № 3
ИЗУЧЕНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
3.1 Цель работы
Изучить приемы анализа диаграммы состояния двухкомпонентных систем, получить навыки в использовании диаграмм состояния для описания кристаллизации твердых растворов и формирования их структуры.
3.2 Краткие теоретические сведения
Диаграммы состояния отражают фазовый состав сплавов в равновесных условиях в зависимости от температуры и состава. На рис. 3.1 представлена диаграмма состояния системы Cu – Ni. Линия кеал - линия «ликвидус», выше ее все сплавы находятся в жидком состоянии. Линия кбзл - линия «солидус», ниже ее все сплавы находятся в твердом состоянии и представляют собой твердые растворы . В области кеалзб сплавы находятся в двухфазном состоянии (ж + ).
Рисунок 3.1 – Диаграмма состояния сплава, компоненты которого полностью растворимы в твердом и жидком состояниях и кривая охлаждения сплава 1
Диаграммы состояния позволяют решить следующие задачи:
1. Определение температур критических точек. Для решения этой задачи необходимо к точке заданного сплава на концентрационной осе восстановить перпендикуляр до пересечению с линиями диаграммы. Точки пересечения являются критическими. Так, у сплава 1, содержащего 30% Cu и 70% Ni, температуры критических точек составляют 1400оС (точка а) и 1250оС (точка б).
2. Определение фазового состояния сплава при заданных температурах. Определим фазовое состояние сплава 1 при температурах t1=1500оС, t2=1350оС, t3=1100оС. При температуре t1 сплав состоит из одной фазы (ж), при температуре t2 - сплав состоит из двух фаз (ж+), и при температуре t3 - из одной фазы ().
3. Определение химического состава фаз в двухфазной области, находящихся в равновесии при заданной температуре t2. Для этого необходимо через точку, соответствующую заданной температуре, провести горизонтальную линию (коноду) до пересечения с линиями, ограничивающими рассматриваемую двухфазную область. Проекции точек пересечения на ось концентрации укажут состав фаз. Так, при температуре t2 проекция точки е на ось концентрации (е)' указывает химический состав жидкой фазы, а проекция (з') - твердой фазы. В рассмотренном сплаве при температуре 1350оС в равновесии находится жидкая фаза, которая содержит 57% Ni и 43% Сu (точка е') и твердая фаза, содержащая 86% Ni и 14% С (точка з').
4. Определения количественного соотношения между твердой и жидкой фазами при заданной температуре t2. Для этого пользуются правилом отрезков (рычага): весовые количества сосуществующих фаз обратно пропорциональные соответствующим отрезкам коноды, проведенной через точку t2. Обозначим: q - общую массу сплава; qж - масса жидкой фазы;
q - масса -твердого раствора.
Согласно правилу отрезков:
или
Подставляя в эти выражения координаты точек по концентрационной оси, получим:
( 55%
процентов от массы всего сплава
составляет жидкая фаза );
(45% от
массы всего сплава твердая
фаза) составляет
5. Анализ кристаллизации сплава и построение кривой охлаждения.
Построение кривой охлаждения производится в координатах «температура – время». Число степеней свободы определяем по формуле С =К - Ф + 1, (где К - число компонентов, Ф - число фаз)..
Рассмотрим процесс кристаллизации сплава 1 при медленном охлаждении от температуры 1500оС (точка в). При охлаждении до температуры, которая соответствует точке а, сплав находится в жидком состоянии, С=2, потому что К=2, а Ф=1. Линия в'а' на кривой охлаждения характеризует условия этого охлаждения. Кристаллизация начнется при некотором переохлаждении относительно температуры tа. Процесс кристаллизации будет продолжаться при охлаждении вплоть до температуры tб. Линия а'б' характеризует процесс охлаждения в этом температурном интервале. Скорость охлаждения уменьшится, потому что при кристаллизации выделяется скрытая теплота кристаллизации, соответственно, угол наклона кривой станет более пологим. В этом температурном интервале число степеней свободы С = 1. Ниже температуры tб завершается полная кристаллизация жидкости с образованием кристаллов -твердого раствора. Момент окончания кристаллизации изобразится точкой перегиба на кривой охлаждения.