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.

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 превращений, 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  линия солидус, ниже нее все сплавы находятся в твердом состоянии.

Рис. 5.1. Диаграмма состояния системы свинец-олово. Схемы кривых охлаждения и микроструктур 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 образованием α-твердого раствора во всем объеме сплава. В интервале температур между точками 2 и 3 сплав охлаждается, не претерпевая никаких превращений. В точке 3 твердый α-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 температуре t_э= 183Сс 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 температуре t_э = 183С протекает эвтектическое превращение: из жидкости состава точки С одновременно выпадают кристаллы двух твердых растворов  α и 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).

Кривую охлаждения сплава можно записать с помощью потенциометра, датчиком которого служит термопара, погружаемая в жидкий сплав.

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

Порядок выполнения работы

Для проведения работы студенты разбиваются на бригады по 2-3 человека. Две бригады получают чистые металлы (свинец и олово), остальные бригады – сплавы свинца и олова различной концентрации.

Каждой бригаде предоставляется тигельная печь, высокотемпературная термопара, тигель со сплавом, секундомер и специальная подставка.

Для выполнения работы необходимо:

1. Опустить тигель со сплавом в тигельную печь, расплавить металл, немного перегрев его выше температуры плавления;

2. Вынуть тигель с расплавленным сплавом из печи и установить на специальной подставке;

3. Через каждые 30 с в п. 4 бланка отчета записывать значения температуры. Запись прекратить, когда температура сплавов и чистого олова снизится до 140-150С, а чистого свинца  до 250 С;

4. На основании полученных данных в п. 5 бланка отчета построить кривую охлаждения сплава;

5. По кривым охлаждения определить критические точки начала и конца кристаллизации сплавов и записать их в таблицу на доске;

6. По результатам работы всех бригад заполнить п. 6 бланка отчета;

7. В п. 7 бланка отчета на оси абсцисс отметить точки, соответствующие составам исследованных сплавов, и из каждой точки восстановить перпендикуляр, т. е. провести линии сплавов. На каждой линии сплава отметить температуры критических точек. Соединить между собой плавными линиями точки, отвечающие одноименным фазовым превращениям. В каждой области построенной диаграммы указать фазовый и структурный состав;

8. В п. 3 бланка отчета дать схему установки, включающую вертикальный разрез тигельной печи с тиглем, сплавом и термопарой.

Контрольные вопросы:

1. Какой принцип построения диаграммы Fe-C?

2. Какие фазовые превращения происходят в сплавах при охлаждении и нагреве?

3.Для чего необходима диаграмма состояния сплавов?

4. Что такое критические точки превращения в сплавах?

5. Что определяет тип диаграммы состояния?

6. Что такое ликвидус и солидус?

7. Какие кривые охлаждения имеют чистые металлы?

8. Что такое эвтектика, перитектика и эвтектоида. Их отличие?

9. Что такое Fe₃C, его кристаллическая решетка и свойства?

10. Что называется сталью и чугуном? Показать на диаграмме Fe-C.

Литература

1. Арзамасов Б.Н. и др. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 2002. – 648 с.

2. Лахтин Ю.М. Леонтьева Б.Н. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1990. – 528с.

3. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учеб. пособие / под ред. В.С. Чередниченко. - 3-е изд., стер. - М.: Омега-Л, 2007. - 752 с.

4. Ржевская С.В. Материаловедение: Учеб. для вузов. – 4-е изд. – М.: Логос, 2004. – 424 с.

Лабораторная работа № 6

ДИАГРАММА Fe–С И СТРУКТУРА ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ

Цель работы

Изучить теорию процессов, происходящих в железоуглеродистых сплавах при охлаждении и нагреве; научиться определять по диаграмме состояния Fe – С фазовые и структурные состояния сталей и чугунов.

Основные термины и понятия, необходимые для освоения лабораторной работы

Аллотропная форма, аустенит, видманштеттова структура, диаграмма состояния, графит, зерно, изотерма, критическая точка, кривая охлаждения, кристаллизация, кристаллическая решетка, ликвидус, ледебурит, конода, мезоструктура, механическая смесь, перлит, полиморфное превращение, перитектика, перекристаллизация, парамагнетик, парамагнетизм, прочность, пластичность, предел текучести, правило фаз, правило отрезков, правило концентраций, равновесная структура, равновесное охлаждение, солидус, сольвус, сталь, структурная составляющая, твердый раствор внедрения, твердый раствор замещения, углерод, фаза, правило фаз, феррит, ферромагнетик, ферромагнетизм, химическое соединение, цементит, цементит первичный, цементит вторичный, цементит третичный, чугун, эвтектика, эвтектоид.