Отчёт по работе

Наименование работы	ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ С НЕОГРАНИЧЕННОЙ РАСТВОРИМОСТЬЮ
Студент
Группа			Вариант
Компонент
Количество в сплаве, %
Температура плавления, ⁰С
Диаграмма состояния сплава
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Результаты вычислений
Параметр	Температура	Фаза	Компонент	Значения, вычисления
Химический состав, %		Ж
		Т
		Ж
		Т
		Ж
		Т
Весовой состав, %		Ж
		Т
		Ж
		Т
		Ж
		Т
Температура отжига		⁰С

4. Диаграммы состояния сплавов с ограниченной растворимостью и эвтектикой

Диаграмма состояния сплавов, когда компоненты в твердом состоянии растворяются ограниченно (см. п. 3) и образуют эвтектику, показана на рис. 4.1.

4

⁰С

c

3

1

2

5

t₁

Ж

a

o

n

t₂

Ж+кр _β

m

Ж+кр α

t_эвт

t₃

f

k

e

β

α

эвт.

кр β +эвт.(α +β )

+ α_II

кр α +эвт.(α +β )

+ β_II

α +β_II

β +α_II

q

d

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Рис. 4.1. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью и эвтектикой в твердом состоянии

Линия – ликвидус; линия – солидус. Точки и показывают температуры плавления, соответственно, компонентов и .

– ограниченный твердый раствор компонента в компоненте ; решётка будет такая же, как у ( – растворитель). Точка соответствует максимальной растворимости в .

– ограниченный твердый раствор в ; кристаллическая решетка такая же, как у ( – растворитель). Точка соответствует максимальной растворимости в .

Рассмотрим кристаллизацию сплава 1. Кристаллизация нач­нется при температуре . Исходя из правила коноды, из жидкости будут выпадать кристаллы . – конода при температуре . Химический состав жидкости определяется проекцией точки на ось концентраций, а химический состав кристаллов – проекцией на ось концентрации точки . В результате, при кристаллизации, химический состав жидкости меняется по линии ликвидус (от точки до точки ), а химический состав кри­сталлов – по линии солидус (от до ).

Весовое количество жидкости при температуре определяется отношением отрезков , а весомое количество кристаллов – из соотношения .

При температуре жидкость по составу приходит в точку и становится насыщенной одновременно как кристаллами , так и , и идёт эвтектическая реакция:

.

Продукты реакций называются эвтектикой.

Эвтектика – это механическая смесь кристаллов и . Теория кристаллизации эвтектик подробно изучена академиком А. А. Бочваром. Согласно этой теории сначала в жидкости, когда она по составу приходит в точку , зарождаются и растут кристаллы той фазы, которая обогащена более тугоплавким компонентом. В нашем случае это кристаллы , так как температура плавления у компонента выше, чем у (точка расположена выше точки ). При этом жидкость, окружающая кристалл будет обогащаться более легкоплавким компонентом , и в результате происходит выделение кристаллов . Жидкость, прилегающая к кристаллам , в свою очередь, обогащается компонентом , и поэтому вновь выделяются кристаллы -фазы. В результате переменного перенасыщения жидкости по отношению к кристаллам и образуется эвтектика. Микроструктура заэвтектического сплава 1 показана на рис. 4.2.

Эвтектика

( )

Кристаллы

( )

Рис. 4.2. Микроструктура заэвтектического сплава

В интервале температур образуются кристаллы , которые могут иметь форму дендрита, округлую форму или граненную в виде кубиков (рис. 4.2), треугольников и т.п. При образуется эвтектика, состоящая из кристаллов и .

Правило коноды и правило отрезков действует и при температуре ниже температуры эвтектики. По этим правилам можно определить химический состав твердых растворов и , а также их весовой состав.

Кристаллизация сплава 2 идет так же, как и сплава 1, но вместо кристаллов из жидкости будут выпадать кристаллы -фазы. На рис. 4.3 показана микроструктура этого сплава.

Кристаллизация сплава 3. При охлаждении жидкость по со­ставу сразу же приходит в точку и процесс кристаллизации сво­дится к эвтектической реакции. Поэтому структура этого сплава представляет собой чистую эвтектику (рис. 4.4).

Сплав 3 называется эвтектическим. Сплавы же, расположенные левее, то есть в интервале концентрации от до , называются доэвтектическими, а правее, то есть в интервале , называются заэвтектическими.

Эвтектика

( )

Кристаллы

( )

Рис. 4.3. Микроструктура доэвтектического сплава

Эвтектика

( )

Рис. 4.4. Микроструктура эвтектического сплава

Кристаллы сурьмы

С плавы до- и заэвтектические склонны к ликвации (неоднородности) по удельному весу: легкие кристаллы всплывают на поверхность расплава, а тяжелые оседают на дно, что резко снижает эксплуатационные свойства. На рис. 4.5 показана микроструктура такого сплава; компонентами являются свинец (Pb) и сурьма (Sb).

Для устранения ликвации:

• проводят быструю кристаллизацию, чтобы кристаллы не успели всплыть или осесть (рис. 4.6);

• когда быстрая кристаллизация невозможна (например, при охлаждении крупных отливок) в сплав добавляют специальные легирующие элементы, которые образуют тугоплавкие соединения в виде древовидных или игольчатых кристаллов, на ветвях которых задерживаются всплывающие кристаллы. К примеру, в сплав Pb – Sb добавляют медь (Cu), которая с сурьмой образует химическое соединение Cu₂Sb, имеющее игольчатую форму (рис. 4.7). Эти кристаллы, выделяясь первыми из жидкой фазы, механически препятствуют возникновению ликвации по удельному весу – кристаллы сурьмы задерживаются.

Рис. 4.5. Микроструктура слитка по высоте при медленном охлаждении сплава 80% Pb, 20% Sb

Линия (рис. 4.1) – это линия предельной или максимальной растворимости компонента в . Как видно из рисунка, с понижением температуры (сплав 4) растворимость уменьшается, и избыток компонента выпадает в осадок в виде вторичных кристаллов (сплав 4). Микроструктура сплава 4 будет состоять только из кристаллов (рис. 4.2), а эвтектика отсутствует.

Линия – это максимальная растворимость компонента в , избыток компонента выпадает в кристаллы (сплав 5). Микроструктура сплава 5 будет состоять только из кристаллов (рис. 3), эвтектика также отсутствует.

Сплавы 4 и 5 являются внеэвтектическими.

Рис. 4.6. Микроструктура быстро охлажденного сплава

80% Pb, 20% Sb

Рис. 4.7. Микроструктура сплава 80% Pb, 20% Sb,

легированного медью (Cu).

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Результаты измерений и вычислений внести в специальную форму (см. далее «Отчёт по работе»).

1. Согласно варианту заданий (Приложение 8, Задание №4) выписать наименование компонентов и их процентное содержание.

2. Выписать необходимые справочные данные из приложения 7.4. Перевести значения растворимости из атомного процента в весовой процент (весовую концентрацию).

3. Построить диаграмму двухкомпонентного сплава с ограниченной растворимостью и эвтектикой (см. рис 4.1) в координатах «температура – весовая концентрация». Сделать необходимые подписи и выноски.

4. Согласно варианту задания, рассмотреть кристаллизацию сплава, подробно описав происходящие процессы. С целью лучшей визуализации (если это целесообразно) требуемый участок диаграммы изобразить отдельно, увеличив при этом масштаб по оси абсцисс.

5. Определить весовой и химический состав фаз для трёх различных значений температур.

6. Выполнить эскизы микроструктуры сплава (от руки, карандашом), предварительно определив его вид в твердом стоянии – доэвтектический, заэвтектический, внеэвтектический или эвтектический (эвтектика):

• эскиз для сплава, находящего между линиями ликвидус и солидус;

• эскиз сплава в твердом состоянии.

Вопросы для самопроверки:

1. В каких случаях образуются твердые растворы с ограниченной растворимостью? (см. также работу 4)

2. Как на практике строится диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью и эвтектикой в твердом состоянии?

3. Покажите на диаграмме линии ликвидус и солидус. В каком состоянии находится сплавы в разных областях диаграммы?

4. Как определяется химический состав фаз при различных температурах?

5. Как можно определить весовой состав фаз?

6. Что такое эвтектика? Когда и как она образуется?

7. Расскажите об особенностях кристаллизации доэвтектических и заэвтектических сплавов. Какова их структура?

8. Каковы причины появления ликвации по удельному весу? Какие меры предпринимаются для ее устранения?

9. В чём причина выпадения вторичных кристаллов и ? Как изменяется предельная растворимость кристаллов друг в друге?

10. Как перевести атомную концентрацию в весовую?