Рыбинская государственная авиационная технологическая академия

имени П. А. Соловьева

Кафедра «Материаловедение, литье и сварка» Методические указания к лабораторной работе «Диаграмма состояния сплава с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и эвтектикой»

Для дисциплины

«Материаловедение»

специальности 151001 «Технология машиностроения»

направления 150900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств»

Рассмотрены и утверждены на заседании кафедры МЛС

Протокол № 8 от 25.05.2010 г.

Разработал:

к. т. н., доцент Воздвиженская М. В.

Рыбинск, 2010

Диаграмма состояния сплава с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и эвтектикой

Цель работы: изучить двухкомпонентную диаграмму состояния сплава с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и эвтектикой и методику анализа фазового состава сплава по диаграмме состояния; познакомиться с типовыми микроструктурами двухкомпонентных сплавов.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Диаграммы фазового равновесия, или диаграммы состояния, строят для условий равновесия или условий, достаточно близких к ним. Построение диаграммы состояния можно осуществить различными экспериментальными методами. Для определения температур затвердевания используют термический анализ. Для изучения превращений в твердом состоянии используют методы физико-химического анализа: микроскопический, рентгеноструктурный, дилатометрический, магнитный. Эти методы позволяют зафиксировать фазовое состояние сплава при различных температурах. Диаграмма состояния для случая полной взаимной растворимости компонентов в жидком и твердом состоянии приведена на рис. 1. Это сплавы системы «Cu – Ni», образующие неограниченные твердые растворы в жидком и твердом состоянии.

Рис. 1. Диаграмма состояния «Cu – Ni»

Диаграмма состояния – это графическое изображение фазового состояния сплавов в зависимости от температуры нагрева и концентрации компонентов. По существу это наглядное изображение процесса кристаллизации и превращений в твердом состоянии в группе сплавов. Эту группу в металловедении называют система, например, система «А – В» или «Cu – Ni». На рис. 2 приведен пример двухкомпонентной системы «А – В» с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и эвтектикой.

При построении диаграммы состояния системы «А – В» по оси абсцисс изменяется содержание компонента В от 0 до 100%, а по оси ординат – температура (рис. 2.3, а). В системе образуются твердые растворы  и :  – раствор компонента В в А,  – раствор компонента А в В. Линии на диаграмме состояния соответствуют началу и концу фазовых превращений. Эти линии делят диаграмму на области, которые могут быть однофазными (ж, , ) или двухфазными (ж + ,  + ). Линии АЕ и ЕВ – две ветви линии ликвидуса. Они соответствуют началу кристаллизации сплавов. Линии AD и CB – две ветви линии солидуса. Они соответствуют окончанию кристаллизации сплавов. Линия DEC – эвтектическая горизонталь, она соответствует области кристаллизации эвтектики в сплавах: ж. фаза  ( + )_ЭВТ. Эвтектика – это особая структура. Она представляет собой смесь кристаллов твердых фаз, которые кристаллизуются совместно из расплава при постоянной температуре (эвтектика от греч. «легкоплавящийся»). Ниже солидуса и эвтектической горизонтали все сплавы системы находятся только в твердом состоянии.

Линии DF и CG – линии предельной растворимости. Кривая DF отражает изменение растворимости компонента В в ‑твердом растворе, кривая CG – растворимость компонента А в -твердом растворе. С повышением температуры растворимость компонентов друг в друге возрастает и достигает максимума при эвтектической температуре в точках D и C.

По диаграмме состояния можно анализировать процесс превращений в сплаве и указать какой вид будет иметь структура сплава после кристаллизации. Вертикаль на диаграмме соответствует концентрации компонентов рассматриваемого сплава. Анализ кристаллизации проводят по кривой охлаждения в координатах «температура-время». Перегибы на кривой охлаждения отмечают изменение фазового состава сплава. Чистые компоненты и эвтектики кристаллизуются при постоянной температуре, поэтому на кривой охлаждения образуется площадка. Точка Е разделяет сплавы на доэвтектические и заэвтектические, сплав концентрации в точке Е называют эвтектическим.

Сплав I после затвердевания состоит из однородного -твердого раствора (рис. 2.3, б). Сплав II непосредственно после затвердевания состоит из твердого раствора . Затем, при медленном охлаждении сплава до комнатной температуры, из-за уменьшения растворимости компонента В из -фазы выделяются частицы -фазы. Фазу _I называют первичной фазой, фазу _II – вторичной фазой. Вторичная фаза выделяется в виде дисперсных, т. е. очень мелких частиц (рис. 2.3, в). Структура сплава III состоит из первичных зерен -твердого раствора и эвтектики ( + )_ЭВТ (рис. 2.3, г). Эвтектический сплав IV состоит только из эвтектических колоний.

В большинстве промышленных сплавов, одна из фаз эвтектики является твердым раствором на базе металла, а вторая фаза – химическим соединением. По характеру микроструктуры на шлифе (на срезе), эвтектику называют пластинчатой, зернистой, игольчатой, т. к. фазы выглядят как отдельные структурные составляющие. Но специальные исследования позволили выяснить, что в пределах эвтектической колонии каждая из фаз является непрерывной: колония растет из одного центра и представляет собой сросток двух разветвленных кристаллов. Поэтому, по объемному строению эвтектики подразделяют только на два типа: матричные и каркасно-матричные.

б)

в)

а)

г)

Рис. 2. Диаграмма состояния эвтектического типа (а), кривые охлаждения и последовательность затвердевания для однофазного сплава (б), сплава

с вторичной фазой (в), и сплава с эвтектикой (г)

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ И ПОРЯДОК ВЫПОЛОНЕНИЯ

В системе «Al – Сu» образуется две фазы:  – это твердый раствор меди в алюминии и CuAl₂ – интерметаллид. Эти две фазы образуют разнообразные структуры. Проанализируем структуру и свойства сплавов в системе «Al – Сu».

Сплавы с очень небольшим содержанием меди (<0,5 %) представляют собой твердый раствор замещения на основе решетки Al. Это очень мягкие, пластичные сплавы, их применяют как деформируемые для проволоки и листов.

Образец 1. Доэвтектические сплавы, содержащие медь от 0,5 % до 5,65 % кристаллизуются в начале как однофазные a-сплавы. Затем, по мере снижения температуры металла растворимость меди в алюминии снижается и образуется дисперсная вторичная фаза, т. е. очень мелкие кристаллы CuAl_2 II. Это явление используют для термической обработки по схеме «закалка + старение» сплавов на основе цветных металлов: магния, алюминия, никеля. На первом этапе термической обработки сплав быстро охлаждают с высокой температуры, получается пересыщенный твердый раствор, он относительно малопрочный и пластичный. Затем металл нагревают и выдерживают при повышенной температуре для того, чтобы выделилась дисперсная вторичная фаза. Эта фаза придает сплаву конструкционную прочность, одновременно сохраняется запас пластичности. Такие сплавы применяют как деформируемые конструкционные упрочняемые термической обработкой сплавы.

Образец 2. Доэвтектические сплавы, содержащие медь от 5,65 % до 33 % кристаллизуются в начале как однофазные a-сплавы. Затем из расплава кристаллизуется эвтектика. Эвтектика – это особая структура, в которой две фазы,  и CuAl₂ одновременно кристаллизуются из расплава, причем температура расплава сохраняется постоянной до тех пор, пока не закристаллизуется вся эвтектика. Температура кристаллизации эвтектики во всех сплавах системы одинакова. В системе «Al – Cu» она составляет 548 °С. Сплавы, содержащие в структуре эвтектику, обладают хорошими литейными свойствами.

Образец 3. Эвтектический сплав, содержит 17 % меди, его структура на 100% состоит из эвтектики ( + CuAl₂)_ЭВТ. Эвтектические сплавы обладают очень хорошими литейными свойствами, например, серый чугун.

Сплавы 2 и 3 – это литейные сплавы, они обладают хорошим комплексом литейных свойств: хорошей жидкотекучестью, малой склонностью к ликвации и образованию горячих трещин, образуют очень плотные фасонные отливки. Но эти сплавы не применяют в качестве деформируемых. Термическую обработку для снятия внутренних напряжений проводят при относительно невысоких температурах нагрева.

Образец 4. Заэвтектический сплав. На первом этапе кристаллизации в сплаве образуются крупные кристаллы химического соединения, в данном случае это CuAl₂. Затем из расплава кристаллизуется эвтектика ( + CuAl₂)_ЭВТ.. Заэвтектический сплав, в котором первичная фаза представляет собой кристаллы химического соединения, это твердый и хрупкий сплав. Сплавы такого типа практически не применяют в промышленности.