Лабораторная работа №5 изучение равновесной микроструктуры двухкомпонентных сплавов
5.1. Цель работы: изучить строение основных фазовых и структурных составляющих типовых систем двухкомпонентных сплавов в равновесном состоянии.
5.2. Краткие теоретические сведения
Ведущее место в машиностроении и других отраслях промышленности занимают сплавы различных металлов. Сплавами называются материалы, образующиеся в результате затвердевания расплавов, состоящих из двух и более компонентов. Понимание процессов формирования их физико-механических и эксплуатационных свойств, происходящих, прежде всего на стадии выплавки и кристаллизации возможно на основе анализа структурообразования в равновесных условиях. Формирование структуры при этом анализируют по диаграммам фазового равновесия, построенных в координатах температура - состав (при постоянном давления). Рассмотрим строение характерных фазовых и структурных составляющих типовых двухкомпонентных систем.
5.2.1 Сплавы с неограниченной растворимостью в жидком и твердом состояниях
Полная растворимость таких сплавов возможна только при изоморфности компонентов (с одинаковой кристаллической решеткой). В твердом состоянии таких систем при любых концентрациях компонентов структура сплавов представляет α-твердый раствор, например в системе медь-никель (рис.5.1, а), висмут-сурьма и др. В результате равновесного затвердевания формируется микроструктура, состоящая из кристаллов однородного твердого раствора, которую под микроскопом трудно отличить от структуры чистого металла. Однако в реальных условиях охлаждения с некоторой скоростью при затвердевании сплавов равновесия не наблюдается. Диффузия развивается, и состав во всем объеме жидкой и твердой фаз не выравнивается. При этом внутренняя часть каждого дендрита в системе Cu-Ni обогащена никелем, поскольку вначале кристаллизации выпадают кристаллы, обогащенные более тугоплавким компонентом. И наоборот, в наружных слоях оказывается меньше никеля и больше меди (по сравнению со средней концентрацией в сплаве). Такая химическая неоднородность в пределах каждого зерна (дендрита) называется внутризеренной или дендритной ликвацией.
Ликвационную неоднородность можно устранить отжигом при высокой температуре. Состав твердой фазы при отжиге выравнивается диффузией. Процесс устранения ликвационной неоднородности в практике термообработки называют гомогенизацией. В результате из дендритов образуются светлые полиэдрические (равновесные) зерна.
5.2.2 Сплавы с эвтектикой и полной нерастворимостью в твердом состоянии
Все сплавы этой системы в твердом состоянии не обладают растворимостью компонентов друг в друге. К ним относятся сплавы Pb-Sb, Sn-Zn (рис. 5.1, б) и некоторые другие.
При охлаждении сплава эвтектического состава (I)при постоянной температуре (называемой эвтектической) в соответствии с реакцией:
Жв Sn +Zn
кристаллизируется эвтектика, представляющая механическую смесь кристаллов олова и цинка.
Кристаллизация доэвтектических (II) и заэвтектических (III) сплавов начинается с выпадения кристаллов одного из компонентов (Sn или Zn). При этом жидкость изменяет свой состав по линиям ab (для сплава II) и bc (для сплава III), приближаясь к эвтектическому. Затем оставшаяся жидкость эвтектического состава распадается на эвтектическую смесь (Sn +Zn) согласно реакции (I).
После полного затвердевания и охлаждения до комнатной температуры структура сплава I эвтектического состава состоит из однородной смеси двух фаз (Sn +Zn) и (Pb + Sb). Впервые в 1929г. А.А. Бочвар ввел представление об эвтектической колонии. В двухкомпонентных системах эвтектическая колония – это структурная составляющая, состоящая из двух фаз, которые растут совместно при их определенном кристаллоориентационном соответствии. Эти колонии под микроскопом легко различимы, каждая из них просматривается отдельно. В одной и той же системе могут образовываться эвтектики и различного типа в зависимости, главным образом, от условий охлаждения и от различия пространственных решеток соприкасающихся твердых фаз. Существуют эвтектики сотового, пластинчатого строения.
В структуре доэвтектических (II) и заэвтектических (III) сплавов кроме эвтектики наблюдаются первичные кристаллы одного из металлов, закристаллизовавшиеся до эвтектической реакции. Они могут иметь форму сфероидов (кристаллы Pb) или иметь огранку (кристаллы Sb). Размеры и объем первичных кристаллов зависят от состава сплава и условий кристаллизации. Чем ближе по составу сплав находится к чистым металлам, тем больше доля первичных кристаллов и, соответственно, чем ближе состав сплава к эвтектическому, тем больше доля эвтектики.
а б
Рисунок 5.1 - Диаграммы состояния Cu-Ni (а) и Sn-Zn (б)
Рисунок 5.2 – Диаграммы состояния Pb-Sn (а) и Cu-Zn (б)