Лабораторная работа № 5

ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ПО КРИВЫМ

ОХЛАЖДЕНИЯ СПЛАВОВ

Цель работы

Освоение методики построения диаграмм состояния с использованием метода термического анализа и экспериментальное построение диаграммы состояния системы свинец – олово по кривым охлаждения сплавов.

Основные термины и понятия, необходимые для освоения

данной работы

Фаза, фазовое превращение, диаграмма состояния, критические точки, кристалл, кристаллизация, твердый раствор, ликвидус, солидус.

Основные теоритические положения построения диаграммы состояния по кривым охлаждения

Диаграмма состояния сплавов какой-либо системы графически изображает изменения, происходящие в сплавах этой системы при изменении концентрации и температуры, и позволяет правильно назначать режимы их обработки: горячей обработки давлением, термической обработки, литья.

Диаграммы состояния строят на основании данных термического анализа, с помощью которого определяют температуры фазовых превра-щений, происходящих в сплавах, т.е. так называемые критические точки.

Критические точки металлов и сплавов определяют путем непрерывного наблюдения за изменением температуры сплава, охлаждаемого от состояния полного расплавления до комнатной температуры. График изменения температуры сплава во времени называют кривой охлаждения.

Фазовые превращения, происходящие в сплавах при охлаждении, сопровождаются выделением скрытой теплоты, кристаллизации,компенсирующей отвод тепла во внешнюю среду и замедляющей снижение температуры сплава. Превращения, происходящие при постоянной температуре, отмечаются на кривой охлаждения площадкой, а протекающие в интервале температурточками перегибов в начале и в конце превращения.

По найденным критическим точкам для большого числа сплавов различного состава строится диаграмма состояния. При ее построении по горизонтальной оси откладывается состав сплава в процентах, а по вертикальной температуры. Все критические точки переносятся на ординаты соответствующих сплавов. Одноименные критические точки соединяют плавными линиями и таким путем получают диаграмму состояния.

Тип диаграммы состояния определяется характером взаимодействия веществ (компонентов), образующих систему сплавов.

Настоящая работа состоит в построении диаграммы состояния системы Pb-Sn методом термического анализа. Оба компонента (свинец и олово) в жидком состоянии полностью взаимно растворимы в любых соотношениях. В твердом состоянии они отличаются ограниченной взаимной растворимостью, уменьшающейся при снижении температуры, и не образуют химических соединений.

Линии DF и EG (рис. 5.1) представляют собой линии предельной растворимости соответственно олова в свинце и свинца в олове. Максимальная растворимость олова в свинце соответствует точке D (19,5% Sn, остальное свинец), а свинца в олове в точке E (97,4% Sn, остальное свинец). Линия АСВ называется линией ликвидус: выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии. Линия ADCEBлиниясолидус, ниже нее все сплавы находятся в твердом состоянии.

Рис. 5.1. Диаграмма состояния системы свинец-олово. Схемы кривых охлаждения

и мезоструктур сплавов

Проследим за процессом кристаллизации сплавов, отличающихся по характеру протекающих в них превращений и структуре.

Кристаллизация сплава II начинается в точке 1 выделением из однородного жидкого раствора кристаллов α-твердого раствора замещения олова в свинце. В точке 2 последние капли жидкости переходят в твердое состояние, т.е. кристаллизация сплава заканчивается образованиемα-твердого раствора во всем объеме сплава. В интервале температур между точками 2 и 3 сплав охлаждается, не претерпевая никаких превращений. В точке 3 твердыйα-раствор становится насыщенным относительно олова. При дальнейшем медленном охлаждении сплава растворимость олова в свинце уменьшается (линия DF) и сплав становится пересыщенным оловом. Поэтому избыток олова выделяется с образованием кристаллов β_п-твердого раствора свинца в олове. При этом химический состав α-твердого раствора изменяется по линии DF и при 20С в нем содержится около 1%Sn(точка F).

Аналогичные превращения происходят в сплавах содержащих от 97,4 до 99% олова, но с той разницей, что в результате первичной кристаллизации выпадают кристаллы β-твердого раствора, а вторичная кристаллизация сопровождается образованием вторичных кристаллов α_п.

Таким образом, сплавы, содержащие от 1 до 19,5% Sn (остальное свинец) и более 97,4% (до 99%) Sn (остальное свинец), имеют три критические точки, выражающиеся на кривой охлаждения тремя перегибами (рис. 4.1).

Сплав IV состава точки С (61,9% Sn и 38,1% Рb) называется эвтектическим. Он затвердевает при постоянной эвтектической температуреt_э = 183 С с образованием тонкой механической смеси (эвтектики), состоящей из мелких кристалликов твердых растворов на основе свинца и олова состава точек D и Е.

Чистые металлы свинец и олово (сплавы I и VI на рис. 4.1), как и эвтектический сплав, начинают и заканчивают кристаллизацию при одной и той же температуре, и имеют на кривых охлаждения только горизонтальную площадку, т.е. одну критическую точку.

Все сплавы с концентрацией от 19,5 до 61,9% Sn (доэвтектические) и от 61,9 до 97,4% Sn (заэвтектические) заканчивают кристаллизацию при эвтектической температуре.

В доэвтектическом сплаве III кристаллизация начинается в точке I выделением из жидкости кристаллов -твердого раствора, а в заэвтектическом (сплав V)β-твердого раствора. В процессе охлаждения от точки 1 до точки 2 количество твердой фазы в сплаве увеличивается, а жидкойуменьшается. Состав твердой части сплава изменяется по линии солидус, а жидкой части – по линии ликвидус. По достижении эвтектической линии оставшаяся жидкость приобретает эвтектический состав и при постоянной температуреt_э= 183 С протекает эвтектическое превращение: из жидкости состава точки С одновременно выпадают кристаллы двух твердых растворовαи β, т.е. образуется эвтектика.

Таким образом, доэвтектические и заэвтектические сплавы имеют две критические точки: верхнюю, соответствующую началу кристаллизации (перегиб на кривой охлаждения), и нижнюю, соответствующую окончанию кристаллизации с образованием эвтектической смеси (площадка на кривой охлаждения).

Для определения критических точек на кривой охлаждения находят перегибы и (или) площадки и, учитывая масштаб записи, определяют значения соответствующих температур.