Работа № 3. Построение диаграммы состояния системы олово-цинк методом термического анализа

Цель работы. Ознакомиться с термическим методом пост­роения диаграммы состояния системы олово-цинк и изу­чить микроструктуру сплавов этой системы.

Краткие сведения из теории.

Сплавом (системой) называется соединение двух или нескольких химических элементов

Элементы необходимые и достаточные для образования сплава (системы) называются компонентами Компонентами сплава могут быть металлы неметаллы а также химические соединения Компоненты сплава в зависимости от физико-химического взаимодействия могут образовывать различные фазы Фазой называется однородная по химическому составу и строению часть сплава (системы) отделенная от остальных частей сплава поверхностью раздела

Диаграмма состояния в графической форме показывает фазовый состав сплава в зависимости от температуры и концентрации компонентов

Диаграммы состояния строят для условий равновесия, которое может быть достигнуто только при очень малых скоростях охлаждения

Для построения диаграммы состояния подготавливается определенное количество сплавов олова и цинка различно­го состава. Затем сплавы нагреваются до полного расплавления и охлаждаются (рис.9). При охлаждении сплавов че­рез равные промежутки времени по показаниям термопары записывается температура (рис.10).

Рис. 9. Схема установки для термического анализа металли­ческих сплавов:

1 — печь; 2 — тигель; 3 — горя­чий спай термопары; 4—тер­мопара; 5—колпачок термопа­ры; 6 — гальванометр

По результатам наблюдений строятся кривые охлаждения, по которым определяются критические точки. Критические точки (температуры фазовых превращений) соответствуют точкам перегиба или температурным остановкам на термических кривых, что связано с изменением теплосодержания сплавов (рис. 10). Полученные температуры переносятся на соответствующие ординаты под­готовленного планшета диаграммы, как это показано на рис. 10. Затем все критические точки начала кристаллизации исследованных сплавов соединяют одной общей линией АВС. И все точки конца кристаллизации также соединяют одной общей линией ДВЕ. Построенная диаграмма состояния спла­вов системы олово-цинк охватывает все возможные сплавы данной системы, причем каждому сплаву соответствует своя единственная ордината.

Построенная диаграмма показывает изменение состояния сплавов свинец—сурьма в зависимости от их концентрации и температуры.

Линия АВС—линия ликвидуса (liguidus—жидкий) — это геометрическое место точек начала кристаллизации спла­вов. Выше этой линии -все сплавы данной системы находятся в жидком состоянии.

_Рис.10.Построение диаграммы состояния системы олово-цинк по критическим точкам кривых охлаждения: I – 100 % Sn ;

2 – 5 % Zn и 95 % Sn , 3 – 9 % Zn и 91 % Sn , 4 – 60 % Zn – и 40 % Sn , 5 – 100 % Zn.

Линия ДВЕ—линия солидуса (solidus—твердый)—это геометрическое место точек конца кристаллизации сплавов. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. Таким образом, все сплавы данной системы, за исключением эвтектического сплава, затвердевают в определенном интер­вале температур. При этом, каждый из сплавов в зависимости от состава имеет свою температуру начала затвердевания. Температура же конца затвердевания для всех сплавов одна и та же 198 °C.

Эвтектический сплав данной системы, содержащий 9 % Sn и 91 % Zn , затвердевает при постоянной температуре. При затвердевании он образует так называемую эвтектику. Эвтек­тика — это мелкодисперсная смесь, получаемая в результате од­новременного затвердевания свинца и сурьмы. Эвтектика име­ет постоянный химический состав 9 % Zn и 91 % Sn и затвердевает при самой низкой для данных сплавов температуре. Сплавы, содержащие цинка менее 9 %, называются доэвтек-тическими, а содержащие цинка более 9 %,—заэвтектическими.

Такой же вид диаграмм состояния имеют и другие систе­мы (А1—Sn, Pb — Sb, Ag—Pb и др.). У этих систем компо­ненты обладают неограниченной взаимной растворимостью в жидком состоянии и практически нераство­римы в твердом состоянии. Они образуют эвтектики, не дают химических соединений и не имеют аллотропических превра­щений.

Кристаллизация сплавов.

Рассмотрим процесс кристаллизации эвтектического, до-эвтектического и заэвтектического сплавов. Для указанных сплавов на диаграмме состояния Sn—Zn проведем ординаты и разметим на них отдельные периоды охлаждения (рис.11). Кристаллизацию отдельных сплавов будем рассматривать с построением кривых охлаждения.

Рис. 11. Диаграмма состояния (а) и кривые охлаждения сплавов системы олово-цинк (б): I – эвтектического; 11 – доэвтектического и

111 – заевтектического

1. Эвтектический сплав. Первый период охлаждения (1—2). Это однородный жидкий раствор—одна фаза. Второй период охлаждения (2—2') —процесс кристаллизации.

Процесс кристаллизации протекает при постоянной температуре. На кривой охлаждения площадка – температурная остановка (2-2 ). В этот период в сплаве одновременно присутствуют три фазы – жидкий раствор, кристаллы олова и кристаллы цинка.

Третий период (2'-3) – это охлаждение затвердевшего сплава, структура которого будет состоять из эвтектики (рис. 12). (две фазы – кристаллы Sn и Zn).

Рис. 12.Микроструктура эвтектического сплава.

2. Доэвтектический сплав. Первый период охлаждения (1—2) —это однородный жидкий раствор—одна фаза.

Второй период охлаждения (2—3). В точке 2—на линии ликвидуса начинается кристаллизация избыточной относительно эвтектического состава фазы. Такой фазой являются кристаллы олова, так как в любом доэвтектическом сплаве содержание его превышает 91%. В наличии имеются две фа­зы: жидкий раствор и кристаллы Sn.

Третий период {3—3'). При охлаждении сплава до точки 3, в оставшемся жидком растворе, концентрация олова снизит­ся до 91 %, Zn —возрастет до 9 %. Жидкая фаза достигнет эвтектической концентрации и в точке 3 начнет затвердевать, образуя эвтектику. Здесь три фазы—жидкий раствор, кри­сталлы Sn и Zn.

Четвертый период {3'—4). Происходит охлаждение уже затвердевшего сплава. Две фазы—кристаллы Sn и Zn. Структура этого сплава состоит из избыточных кристал­лов Sn и эвтектики (рис.13).

Рис.13. Микроструктура доэвтектического сплава олово-цинк, кристаллы олова и эвтектика

Подобную структуру будут иметь все доэвтектические сплавы. Различие между ними лишь в количественном соотношении структурных состав­ляющих, что обусловлено процентным содержанием компонен­тов.

3. Заэвтекгический сплав. Кристаллизация заэвтектических сплавов будет происходить подобно доэвтектическим. Ха­рактерной особенностью для них является наличие в ка­честве избыточной фазы — кристаллов Zn, подобно Sn — у доэвтектических. Кривые охлаждения, как и у доэвтектиче-ских сплавов, будут состоять из четырех участков. Структура заэвтектического сплава состоит из избыточных кристаллов Zn и эвтектики (рис. 14).

Рис. 14.Микроструктура заэвтектического сплава олово-цинк: кристаллы цинка и эвтектика