диаграмма состояний

7.2.Материалы, приборы, оборудование

1. Набор сплавов Bi-Cd (см. табл. 1). Масса каждого сплава 100 г.

Таблица 1

2.Печь муфельная

3.Термопарные измерители температуры (цифровые)

4.Секундомеры

5.Интерактивные диаграммы состояний и микроструктуры

сплавов Bi–Cd и Sn-Bi. Источник: www.doitpoms.ac.uk University of Cambridge

6.Справочные данные: Tпл (Bi) = 271°С; Tпл (Cd) = 321°С.

7.3. Порядок выполнения работы

1.Включить муфельную печь и установить в ней температуру ~ 400°С, обеспечивающую плавление сплавов Bi–Cd с небольшим перегревом (~ 70°C)

2.Поместить в муфельную печь тигли со сплавами II, III, IV, выдержать в ней 15÷20 мин до полного плавления с перегревом

3.Для каждого сплава подготовить:

• штатив

• измеритель температуры

• таблицу 1 для записи данных температура – время

4.Каждый тигель с помощью специальных клещей поочередно

вынуть из печи; установить на основание штатива; конец термопары с защитным колпачком поместить в расплав; накрыть тигель крышкой (асбест)

5.Для каждого сплава данные температура – время занести в табл. 2.

Таблица 2

Первое измерение температуры (начало отсчета, t = 0) сделать в момент времени, когда температура достигнет максимума.

Интервал между измерениями 0.5 мин. Последнее измерение сделать, когда температура упадет до 80÷100°С (это соответствует 7÷10 измерениям после конца затвердевания)

6.Для каждого сплава по данным табл. 2 построить кривую охлаждения в координатах температура – время

7.На каждой кривой охлаждения определить точки остановки температуры и точки перегиба; это критические точки, соответствующие температурам начала (Тн) и конца кристаллизации (Тк)

8.Сопоставить полученные кривые охлаждения с аналогичными кривыми на рис. 12; на каждом участке каждой кривой охлаждения указать фазовые превращения в виде схем структур (см. рис. 12)

9.Проверить правильность построения кривых охлаждения с помощью правила фаз [п. 5.1, формула (8)]

10.Для каждого сплава критические точки Тн и Тк занести в табл. 3; для чистых металлов использовать справочные данные (см. п. 7.2)

11.По данным табл. 3 построить диаграмму состояния Bi-Cd. Для этого необходимо:

•на бумаге в клетку начертить систему координат температура (°С) – концентрация [Cd (вес. %)]

•на оси абсцисс (концентрация) отметить точки, соответствующие составу исследуемых сплавав и провести по этим точкам вертикальные линии

•на каждой вертикальной линии отметить критические

точки Тн и Тк

•соединить плавной линией точки Тн (линия ликвидус)

•соединить плавной линией точки Тк (линия солидус); следует учесть, что в сплавах данной системы всегда присутствует определенная доля эвтектики, поэтому горизонтальная линия солидус (эвтектическая линия) начинается практически при 0 и заканчивается при 100 вес. % Cd

12.На диаграмме состояния Bi-Cd указать все фазы и структурные составляющие

13.Полученную диаграмму состояния Bi-Cd сопоставить с диаграммой состояния данной системы, взятой из литературы (см. Приложение 1); кратко охарактеризовать отличие этих диаграмм и указать возможные причины такого отличия

14.Используя микрофотографии сплавов Bi-Cd (см. Приложение 1):

•зарисовать схемы микроструктур сплавов I, II и III

•указать структурные составляющие каждого сплава

•в сплавах I и II определить характерный размер зерен первичного Bi и глобул Bi и Cd в эвтектике

15.Используя правило отрезков (п. 5.5) определить концентра-

цию Cd в жидкой и твердой фазах при T = 200°C в сплавах:

•90 % Bi–10 %Cd

•20 % Bi–80 %Cd

16.Для этих же сплавов, используя правило рычага (п. 5.5), определить массовую долю твердой и жидкой фаз и отношение масс этих фаз.

17.Используя диаграммы состав – свойства (п. 6) построить примерную зависимость твердости сплава Bi-Cd от концентрации Cd.

7.4. Порядок составления отчета

1.Указать цель работы

2.Нарисовать схему эксперимента

3.Оформить в виде таблиц, графиков и протоколов наблюдений результаты экспериментов и расчетов по пп. 5–17 (см. п. 7.3)

8.Литература

1.Гуляев, А. П. Материаловедение : учебник для вузов /

А.П. Гуляев. – 6-е изд., перераб. и доп. – М. : Металлургия, 1986. – 544 с.

2.Алаи, С. И., Технология конструкционных материалов : учебник для студентов пед. ин-тов / С. И. Алаи, П. М. Григорьев., А. Н. Ростовцев ; под ред. А. Н. Ростовцева – М. : Просвещение, 1986. – 304 с.

3.Материаловедение : учебник для вузов / Б. Н. Арзамасов и др.

– М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. – 648 с.

4.Callister, W. D. Materials Science and Engineering – An Introduction,

3rd edition / W. D. Callister. – John Wiley & Sons, 1994. – 808 р.

5.Мальцева, Л. А. Ликвация в сплавах : учебное электронное издание [Электронный ресурс] / Л. А. Мальцева, С. В. Гриб,

А.В. Столбовский ; ГОУ ВПО УГТУ−УПИ. – Режим доступа : http://study.ustu.ru/view/aid_view.aspx?aidId=406.

6.Электронный ресурс. – Режим доступа : www.doitpoms.ac.uk © DoITPoMS Micrograph Library, University of Cambridge.

7.Электронный ресурс. – Режим доступа : www-g.eng.cam.ac.uk/ mmg/teaching/phasediagrams.

Приложение 1

Диаграмма состояния и микроструктура сплавов Bi-Cd

Bi

Bi

Cd

Рис. 1. Диаграмма состояния и микроструктура сплавов Bi-Cd. Травление в спиртовом растворе FeCl3.

Источник: www.doitpoms.ac.uk University of Cambridge

Приложение 2

Контрольные вопросы

1.Дайте определение понятий: система, компонент, фаза. В чем отличие понятий «двухкомпонентный сплав» и «двухфазный сплав»?

2.Назовите и охарактеризуйте основные типы фаз в металлических сплавах

3.Объясните понятие «диаграмма состояния» и принцип ее построения

4.Запишите правило фаз Гиббса, объясните физический смысл входящих в него параметров и приведите пример использования этого правила для проверки правильности построения диаграммы состояния

5.Начертите и охарактеризуйте диаграмму состояния сплавов, образующих механические смеси

6.Что такое эвтектика, эвтектическая концентрация, эвтектическая температура?

7.Объясните смысл терминов: эвтектический, доэвтектические и заэвтектические сплавы

8.Объясните, как в процессе охлаждения формируется структура эвтектического, доэвтектических и заэвтектических сплавов

9.Начертите и охарактеризуйте диаграмму состояния сплавов,

образующих неограниченные твердые растворы

10.На примере данной диаграммы состояния объясните правило отрезков и правило рычага

11.На примере системы Cu-Ni объясните, что такое внутрикристаллитная (дендритная) ликвация

12.На примере системы Pb-Sb объясните, что такое ликвация по плотности.

13.Начертите и охарактеризуйте диаграмму состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы

14.Начертите и охарактеризуйте диаграмму состояния сплавов, образующих химические смеси

15.Начертите и охарактеризуйте диаграммы, изображающие взаимосвязь диаграмм состояния и свойств сплавов (диаграммы состав – свойства).

Приложение 3

Задания для самостоятельной работы

3.1. Начертите диаграмму состояния Pb-Sb (рис. 2).

Рис. 2.

Диаграмма состояния системы Pb-Sb

Обозначьте точки на этой диаграмме. Охарактеризуйте, в целом, данную диаграмму и кратко ответьте на следующие вопросы:

1.Укажите компоненты и фазы в данной системе

2.Каков физический смысл температур 327 и 631°С?

3.Укажите линии ликвидус и солидус и объясните их физический смысл

4.К какому типу сплавов относится данный сплав?

5.Укажите состав сплава, обладающего минимальной температурой плавления. Какова эта температура? Как называется такой сплав?

6.Заполните незаполненные области диаграммы состояния. Как называются сплавы, соответствующие этим областям?

7.Для сплава, содержащего 30, 50 или 70 % Sb, восстановите кривую охлаждения, начиная из жидкого состояния, и укажите фазовые превращения на каждом участке этой кривой

8.Используя правило фаз Гиббса, проверьте правильность построения данной кривой

9.Для сплава содержащего 30, 50 или 70 % Sb, найдите концентрацию Sb в жидкой фазе при 300°С и отношение масс жидкой и твердой фаз

10.С помощью диаграмм состав-свойства постройте и кратко объясните зависимость твердости сплава от концентрации Sb.

3.2. Начертите диаграмму состояния Sn-Zn (рис. 3).

Рис. 3.

Диаграмма состояния системы Sn-Zn

Обозначьте точки на этой диаграмме. Охарактеризуйте, в целом, данную диаграмму состояния. Кратко ответьте на следующие вопросы:

1.Каков физический смысл температур 232 и 419°С?

2.Укажите линии ликвидус и солидус и объясните их физический смысл

3.К какому типу сплавов относится данный сплав?

4.Укажите химический состав сплава, обладающего минимальной температурой плавления. Какова эта температура? Как называется такой сплав?

5.Заполните незаполненные области диаграммы состояния. Как называются сплавы, соответствующие этим областям?

6.Для сплава, содержащего 50, 70 или 90 %Zn, восстановите кривую охлаждения, начиная с жидкого состояния, и укажите фазовые превращения на каждом участке этой кривой

7.Используя закон Гиббса, проверьте правильность построения данной кривой

8.Для сплава, содержащего 50, 70 или 90 %Zn, найдите концентрацию Zn в жидкой фазе при 300°С и отношение масс жидкой и твердой фаз.

9.С помощью диаграмм состав – свойства постройте и кратко объясните зависимость твердости сплава от концентрации Zn.

3.3. Начертите диаграмму состояния Cu-Ni (рис. 4).

Рис. 4. Диаграмма состояния Cu-Ni

Обозначьте точки на этой диаграмме. Охарактеризуйте, в целом, данную диаграмму состояния. Кратко ответьте на следующие вопросы:

1.Каков физический смысл температур 1084 и 1451°С?

2.Укажите линии ликвидус и солидус и объясните их физический смысл

3.К какому типу сплавов относится данный сплав?

4.Как называется фаза a и каков ее физический смысл?

5.Чем отличаются неограниченные твердые растворы от ограниченных?

6.Для сплава, содержащего 40 или 70 %Ni восстановите кривую охлаждения, начиная с жидкого состояния, и укажите фазовые превращения на каждом участке этой кривой

7.Используя правило фаз Гиббса проверьте правильность построения данной кривой

8.Для сплава Cu -40 %Ni найдите концентрацию Ni в жидкой и твердой фазах при 1200°С и отношение масс этих фаз

9.Постройте зависимость твердости сплава от концентрации Ni, используя диаграммы состав – свойства.

3.4. Начертите диаграмму состояния Cd-Zn (рис. 5).

Рис. 5. Диаграмма состояния Cd-Zn

Обозначьте точки на этой диаграмме. Охарактеризуйте, в целом, данную диаграмму состояния. Кратко ответьте на следующие вопросы:

1.Каков физический смысл температур 321 и 419°С?

2.Укажите линии ликвидус и солидус и объясните их физический смысл

3.К какому типу сплавов относится данный сплав?

4.Как называются фазы α и β. Укажите пределы растворимости второго компонента в фазах α и β. При какой температуре достигаются эти пределы растворимости?

5.Укажите химический состав сплава, обладающего минимальной температурой плавления. Какова эта температура? Как называется такой сплав

6.Заполните незаполненные области диаграммы состояния.

7.Укажите интервал концентраций и фазовый состав доэвтектических, эвтектического и заэвтектических сплавов

8.Что обозначают фазы αII и βII? В чем их отличие от фаз α и β?

9.Для сплава, содержащего 40, 60 или 80 % Zn, восстановите

кривую охлаждения, начиная с жидкого состояния, и укажите фазовые превращения на каждом участке этой кривой.

10.Используя правило фаз Гиббса, проверьте правильность построения данной кривой.

11.Для сплава, содержащего 40, 60 или 80 % Zn, найдите концентрацию Zn в жидкой и твердой фазах при 300°С и отношение масс жидкой и твердой фаз.