M04027 (1) / M04027

11

1.3, в. Евтектика має характерну будову, чітко виділяється у загальній структурі і тому є структурною складовою.

Стопи, що знаходяться між точками Е та С називають доевтектичними, а ті, що лежать між точками С і F - заевтектичними.

Розглянемо кристалізацію стопу Х3. Перші кристали β-твердого розчину мають склад точки d. При охолодженні в інтервалі температур t1-t2 їх склад змінюється вздовж лінії солідусу dF, а склад рідкої фази - за лінією ліквідує від точки 1 до точки С. Кількісне співвідношення за масою первинних β-кристалів і евтектичної рідини при температурі tе визначається за правилом відрізків:

Qβ = C2

QP 2F

Ця рідина буде мати склад точки С і кристалізується із утворенням евтектики (α+β). Структура стопу, а також крива охолодження показані на рис. 1.3, б ,в. Слід сказати, що евтектику, як складну структурну складову, спостерігаємо в структурі всіх стопів концентраційного інтервалу ЕСF.

На кривій охолодження стопу Х1 критичні точки 1 і 2 відповідають температурам початку і кінця кристалізації α-твердого розчину. В інтервалі t2-t3 існує однофазна область α-твердого розчину, охолодження відбувається без зміни складу фази. Нижче температури t3 внаслідок зменшення розчинності компонента В в гратці метала А, охолодження твердого розчину супроводжується його частковим розпадом з виділенням надлишкової вторинної фази βІІ. Точка 3 відповідає початку вторинної кристалізації, яка вже відбувається в твердому стані.

На рис. 1.4 наведено фазову діаграму, на якій вказано фазовий склад структурних складових. Область KECFSК є двофазною. У стопі X1 при кімнатній температурі склад α-фази визначає точка К, склад β- фази – точка S, кількісне співвідношення вторинних кристалів βІІ та первинної α- фази дорівнює:

QβII = K4

Qα 4S

Вторинна кристалізація спостерігається для усіх стопів у концентраційному інтервалі KS. Нижче лінії КЕ виділяються βІІ- кристали, на лінії FS - початок кристалізації αІІ- фази; нижче лінії ЕСF при охолодженні від tе до кімнатної із α та β кристалів виділяються

PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

12

відповідно βІІ та αІІ фази. У структурі їх можна спостерігати як на межах зерен, так і усередені зерна первинних кристалів.

Таким чином, при охолодженні стопів нижче температури tе відбувається постійна зміна складу α- та β-фаз за лініями ЕК та FS. Наприклад, при температурі t3 у стопі Х4 (фігуративна точка о) склад α-фази визначається точкою 3, а β-фази - точкою h (рис. 1.4). Долю β- фази, як первинну, так і в складі евтектики, знаходимо із

співвідношення: Qβ = 3h3o ×100%

Рисунок 1.4 - Фазова діаграма стану стопів системи А-В з обмеженою розчинністю компонентів

Для α- фази: Qα = oh3h ×100%

Якщо розчинність другого компонента з температурою практично не змінюється, сольвуси EK та FS будуть вертикальними (рис. 1.5, а) і нижче температури евтектики α- і β- фази мають постійний склад: αE та βF.

В металевих системах існують діаграми з дуже незначною розчинністю у твердому стані, що позначено пунктиром (рис. 1.5, б).

Особливістю такої діаграми є відсутність областей твердих розчинів. Треба зважити на те, що абсолютно чистих металів не існує, але умовно припускається при заповненні діаграми ставити чисті компоненти А і В замість твердих розчинів α і β, що підкреслює незначну взаємну розчинність компонентів А і В у твердому стані.

PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

Рисунок 1.5 - Діаграми стану з постійною розчинністю компонентів (а) та незначною розчинністю у твердому стані (б)

Нерівноважна кристалізація стопів. Розглянуті вище процеси кристалізації відносяться до умов, близьких до рівноважних, тобто відбуваються при дуже повільному охолодженні. В ливарній практиці будь-який стоп твердіє з відносно великою швидкістю і тому дійсна концентраційна рівновага фаз не досягається. Це призводить до утворення внутришньокристалітної ліквації, а також до значних змін в структурі стопів. В умовах нерівноважної кристалізації евтектика в структурі може з'являтися в стопах, які знаходяться ліворуч від точки Е, тобто гранична розчинність компоненту В як би зсувається вліво (рис.1.6). В стопі Х1 рівноважна кристалізація, починається при температурі t1 і повинна закінчитися при t2 .

Рисунок 1.6 – Діаграма стану з утворенням обмежених твердих розчинів (нерівноважна кристалізація)

PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

14

В реальних умовах кристалізації при прискореному охолодженні середній склад α-фази визначається нерівноважним солідусом n1n2E′, тому при температурі t2 залишиться рідина в кількості, яка відповідає відрізку n22. При температурі t3 разом з кристалами α-фази також буде присутня деяка кількість рідини, яка визначається за правилом відрізків:

QР = EE′¢OC ×100%

При цьому рідина має склад точки С і за евтектичною реакцією кристалізується у вигляді двофазної евтектичної суміші (α+ β). Якщо точка E′ співпадає з точкою О, евтектики не буде. Таким чином, структура стопу Х1 складається з первинних кристалів α-твердого розчину і евтектики. При рівноважній кристалізації евтектика в структурі такого стопу відсутня.

Стоп можна перевести в рівноважний стан шляхом гомогенізації

– тривалого нагрівання при температурах дещо нижче за температуру евтектики, коли β-фаза розчиняється в α-фазі і евтектика зникає.

Стопи, які за хімічним складом близькі до евтектичного і при рівноважній кристалізації мають надлишкові α- або β-фази, при підвищених швидкостях охолодження можуть мати чисто евтектичну структуру. В заштрихованій області РСD, яка утворена продовженням лінії ліквідус NС і МС, при швидкому охолодженні до температур ліній СР або СD рідина виявиться перенасиченою як компонентом А, так і В, тому з неї одночасно почнуть кристалізуватися α- і β-фази (див. рис.1.6). Склад такої евтектики відрізняється від рівноважної евтектики, і тому вона називається квазіевтектикою. Наприклад, стоп Х2, швидко охолоджений до температури t4, матиме структуру, що складається з евтектики (α+β), тоді як при повільному охолодженні в структурі крім евтектики завжди будуть кристали α-фази.

Якщо елементи, що утворюють стоп, значно відрізняються за густиною, то в таких стопах спостерігається ліквація за густиною. Так, густина свинцю складає 11,35 г/см3, сурми - 6,6 г/см3, тому тверді розчини, що утворюються в системі Pb-Sb при кристалізації значно відрізняються за густиною від рідкої частини стопу, що залишається, і внаслідок цього або спливають кристали α- або осідають на дно кристали β-фази,в результатізливок виходить неоднорідним за складом, структурою і властивостями. В повільно охолодженому

PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

15

доевтектичному стопі верхня частина зливка збагачується сурмою і складається тільки з евтектики, а нижня містить багато надмірних кристалів α-фази і невелику кількість евтектики.

Щоб попередити ліквацію за густиною, стоп швидко охолоджують, енергійно перемішують, а іноді додають третій компонент, який кристалізується першим у вигляді розгалужених дендритів, голок, пластин, що перешкоджають розшаруванню стопу.

Останній спосіб використовують при отриманні підшипників ковзання з бабітів. Наприклад, в бабіт марки Б83, який складається з олова і 11% сурми, вводять 6% міді. Кристали хімічної сполуки Cu3Sn мають вищу температуру кристалізації і при охолодженні утворюються першими і заважають спливати легким кристалам, багатим сурмою, і осідати важким кристалам, збагаченим оловом.

1.2Завдання на підготовку до лабораторної роботи

1.Замалювати і описати рівноважну діаграму стану системи CuNi, взаємодію компонентів у рідкому і твердому стані.

2.Записати умови утворення необмежених твердих розчинів заміщення.

3.Вказати, які зміни відбуваються при нерівноважній кристалізації стопів з необмеженою розчинністю в твердому стані.

4.Замалювати і описати рівноважну діаграму з обмеженою розчинністю та утворенням евтектики ( в загальному вигляді компоненти А та В), описати взаємодію компонентів в рідкому та твердому станах).

5.Вказати, які зміни можуть відбутися при нерівноважній кристалізації стопів з обмеженою розчинністю в твердому стані та утворенням евтектики.

1.3Контрольні питання

1.Тверді розчини, їх позначення. Чим вони відрізняються від хімічних сполук ?

2.Які атоми знаходяться в кристалічній гратці при утворенні твердого розчину з необмеженою розчинністю ?

3.Умови утворення необмежених твердих розчинів.

4.Які фактори впливають на розчинність компонентів один в одному ?

PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

16

5.Правило відрізків. Як визначити склад і масу фази для заданої температури?

6.Правило фаз, його застосування для побудови кривих охолодження стопів.

7.Які зміни відбуваються при нерівноважній кристалізації стопів з необмеженою розчинністю в твердому стані ?

8.Що називається евтектикою ? Умови евтектичного перетворення ? Види евтектик.

9.Які стопи називаються евтектичними, доевтектичними і заевтектичними ? Які перетворення відбуваються в цих стопах при охолодженні із рідкого стану ?

10.Як зображається діаграма стану у випадку незначної взаємної розчинності компонентів ? Із яких фаз складається евтектика ?

11.В якому випадку сольвус є прямою лінією ?

12.Умови нерівноважної кристалізації стопів з обмеженою розчинністю в твердому стані та утворенням евтектики ?

1.4Порядок виконання роботи

1.Нарисувати одержану діаграму стану, в кожній області записати фази, вказати лінії ліквідусу і солідусу.

2.Провести лінію заданого стопу 1, визначити температури критичних точок. Побудувати криву охолодження за допомогою правила фаз і описати фазові перетворення при охолодженні.

3.Схематично замалювати структуру стопу після твердіння.

4.Визначити склад рідини в початкову і кінцеву мить кристалізації.

5.Вказати температурний інтервал кристалізації та зміну складу фаз у цьому інтервалі.

6.Для вказаної температури провести коноду і за правилом відрізків визначити хімічний склад кожної фази та її масу у процентах відносно маси усього стопу.

8.Для нерівноважної кристалізації показати відхилення кривої солідусу у позначеному стопі при швидкому охолодженні від рівноважного положення.

PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

17

1.5 Зміст звіту

Мета роботи, загальні відомості (рис.1.1, 1.2, 1.3, 1.6), задана діаграма стану, відповіді, необхідні пояснення та розрахунки, схеми мікроструктур відповідно до порядку виконання роботи (підроз. 1.4).

PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

18

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 2 Діаграми стану стопів із обмеженою розчинністю у

твердому стані та з перитектичною рівновагою і діаграми стану із проміжними фазами

Мета роботи: навчитися аналізувати характер фазових перетворень в стопах при рівноважній кристалізації; ознайомитися з типовими структурами стопів даних систем.

2.1Загальні відомості

2.1.1Діаграми стану з обмеженою розчинністю у твердому стані і перитектичною рівновагою. Діаграму стану з обмеженою розчинністю

утвердому стані і наявністю перитектики (рис. 2.1) утворюють метали, температури плавлення яких значно відрізняються (точки N і М), і в той же час вони мають близькі фізико-хімічні властивості. Останнє реалізується при невеликій відмінності в будові атомів та їх розмірах.

Один з компонентів, а саме В, знижує температури початку і

кінця кристалізації α-твердого розчину (відповідно криві NE та NF); компонент А підвищує ці температури для β - твердого розчину (лінії

МЕ та МР).

Слід відмітити такі характерні особливості: криві ліквідусу NE та EM перетиняються в точці Е, розташованої по один бік від точок найбільшої взаємної розчинності компонентів (для α- фази це точка F, для β-твердого розчину – точка Р). Нижче ізотерми FPE у стопах інтервалу Р-Е, праворуч від точки Р, ще існує рідка фаза.

Розглянемо кристалізацію стопу Х2. З рідини складу точки d при температурі t2 кристалізується α- тверда фаза складу точки с. В інтервалі температур t2-tn рідина збагачується компонентом В, її склад змінюється за ліквідусом dE і при температурі tn досягає точки Е:

Pd−E ¾¾¾®at2 −tn c−F

Кількісне співвідношення фаз (за масою) пропорційне відрізкам коноди FР і РЕ:

Qp = FP Qα PE

PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

19

При температурі tn у рівновазі знаходяться три фази: РЕ, αF, βP. Це нонваріантна перитектична рівновага: PE + aF ¬¾®btn P

Рисунок. 2.1 - Діаграма стану із обмеженою розчинністю компонентів

у твердому стані і перитектикою

На відміну від евтектичного перетворення, коли із рідини певного складу кристалізуються одночасно дві тверді фази, перитектичне перетворення характеризується послідовною кристалізацією спочатку α-фази, а потім β-твердого розчину. Відбувається це за такою схемою: кристали α-фази перетворюються в β-фазу із надлишком атомів В, рідина кристалізується в β-фазу, але із недостачею атомів В. Одночасно відбувається вирівнювання концентрації компонентів у β-фазі відповідно до точки Р. Обидві вихідні фази повністю використано при утворенні β-фази.

При подальшому охолодженні до кімнатної температури з β- фази виділяються вторинні кристали αІІ-фази внаслідок зменшення розчинності компонента А за сольвусом PQ і структура стопа стає двофазною. Наприклад, при температурі t4 (фігуративна точка О2) маємо таке кількісне співвідношення фаз за масою:

PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

20

Qα = O2b Qβ aO2

Криві сольвусу FL та PQ характеризують змінну розчинність компонентів А і В один в одному і виділення кристалів βІІ і αІІ .

У стопі Х1 перший етап кристалізації відбувається в інтервалі температур t1-tn і закінчується утворенням кристалів α-фази: Pk −E → αs−F . Масова кількість рідини і α-фази при температурі tn визначається із співвідношення відрізків:

Qp = FO1 Qα O1E

При переохолодженні, як і в стопі Х2, кристалізується β-фаза:

PE + αF → βP + (αF - залишок)

Але на відміну від стопу Х2, у стопі X1 α- фаза частково залишається і нижче температури tn Зародження кристалів β- фази з точки зору термодинаміки можливо, як у рідині, так і на поверхні кристалів α-фази. Обидві фази є самостійними структурними складовими на відміну від евтектичних α і β, які утворюють одну евтектичну суміш.

У стопі Х3 первинна кристалізація відбувається аналогічно стопам Х1 і Х2, але при перитектичному перетворенні залишається рідина

PE + αF → βP + (PE - залишок)

Ця частина рідини не вступає в реакцію і при подальшому охолодженні в інтервалі температур tn–t3 кристалізується у β–фазу:

PE-n → βP-m

Нижче t3 існує однофазна область β–фази із таким же вмістом компонентів, як і в стопі Х3.

Таким чином, перитектична реакція проходить до кінця без залишку фаз тільки тоді, коли їх маси відносяться, як відрізки FP і РЕ. Тільки у стопі Х2 кристалізація при температурі tn відбувається із зникненням як α-фази, так і рідини: у стопах, розташованих ліворуч від точки Р в інтервалі FР, залишається певна кількість α-фази; в стопах інтервалу РЕ у залишку буде рідка фаза. В стопах, склад яких більше або дорівнює точці Е а також менше, або дорівнює точці F,

PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com