К выполнению контрольной работы №1

по дисциплине «Материаловедение и технология материалов»

т,°с

А) Вычертить диаграмму состояния сплавов системы «свинец Pb – олово Sn» (рис. П.5). Указать основные линии, точки, а также структурно-фазовый состав всех областей диаграммы. Для сплава, содержащего 20% олова Sn, построить кривую охлаждения и описать происходящие при охлаждении фазовые превращения. Для данного сплава оп­ределить количественное соотношение структурно-фазовых составляющих и их состав при температуре 250ºC и схематично изобразить его структуру.

327°С

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100% Sn

РЬ 100% 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Рис. 1. Диаграмма состояния сплавов системы «свинец Pb - олово Sn»

 

Диаграмма состояния сплавов системы «свинец Pb - олово Sn» (рис. 1) относится к разновидности диаграмм состояния двойных сплавов III типа, является диаграммой состоя­ния сплавов, испытывающих фазовые превращения в твёрдом состоянии (диаграмма состоя­ния сплавов с переменной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии). По внешнему виду диаграмма похожа на диаграмму состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии. Отличие только состоит в том, что линии предельной растворимости компонентов не перпендикулярны оси концентрации. На диаграмме имеются области, в которых из однородных твёрдых растворов при понижении температуры выделя­ются вторичные фазы. Поэтому данный тип диаграммы характерен для сплавов, образующих при сплавлении компонентов твёрдые растворы, имеющих ограниченную взаимную раство­римость друг в друге, изменяющуюся с изменением температуры.

Основные линии диаграммы:

ACB — линия ликвидус, линия начала процесса кристаллизации;

ADCEB — линия солидус, линия конца процесса кристаллизации;

Dm — линия переменной предельной растворимости олова Sn в свинце Pb;

En — линия переменной предельной растворимости свинца Pb в олове Sn;

DCE — линия кристаллизации эвтектики (T = 183ºC).

Основные точки диаграммы:

A — температура кристаллизации чистого свинца Pb (T = 327ºC);

B — температура кристаллизации чистого олова Sn (T = 232ºC);

C — температура кристаллизации эвтектического сплава 62% Sn + 38% Pb (T = 183ºC);

D — максимальная предельная растворимость олова Sn в свинце Pb (13% олова Sn в 87% свинца Pb при T = 183ºC);

E — максимальная предельная растворимость свинца Pb в олове Sn (4% свинца Pb в 96% олова Sn при T = 183ºC).

На диаграмме условно обозначены следующие фазы:

α — твёрдый раствор олова Sn в основном компоненте-растворителе свинце Pb;

β — твёрдый раствор свинца Pb в основном компоненте-растворителе олове Sn.

Из данной диаграммы видно, что с понижением температуры растворимость олова Sn в свинце Pb и, соответственно, свинца Pb в олове Sn (линии Dm и En соответственно) умень­шаются. Вследствие этого из твёрдых растворов выделяются избыточные фазы, то есть в сплаве образуются равномерно распределённые зоны, содержащие избыточное количество растворённого компонента. Таким образом, из α -твёрдого раствора, например, выделяются вторичные кристаллы β -твёрдого раствора (β _II) переменного состава; из β -твёрдого раствора — вторичные кристаллы α -твёрдого раствора (α _II). Составы этих вторичных кристаллов оп­ределяются соответственно линиями Dm и En.

Причинами выделения вторичных фаз (α _II и β _II) в сплавах в твёрдом состоянии при понижении температуры являются:

1) изменение параметров кристаллических решёток основных компонентов-растворителей;

2) изменение типов кристаллических решёток сплавляемых компонентов при пониже­нии температуры (полиморфное превращение), что приводит к изменению растворяющей способности.

Сплавы составов левее точки m состоят из однородного α -твёрдого раствора — твёрдо­го раствора олова Sn в основном компоненте-растворителе свинце Pb, а сплавы стоящие пра­вее точки n — из однородного β -твёрдого раствора — твёрдого раствора свинца Pb в основ­ном компоненте-растворителе олове Sn.

Сплавы составов от точки m до точки d имеют микроструктуру, состоящую из кристал­лов α -твёрдого раствора переменного состава и вторичных кристаллов β _II-твёрдого раствора, а от точки e до точки n — из кристаллов β -твёрдого раствора переменною состава и вторич­ных кристаллов α _II-твёрдого раствора.

На диаграмме также можно выделить следующие сплавы:

Эвтектический сплав (эвтектика). На диаграмме данный сплав соответствует проек­ции точки С на ось концентраций, содержит 62% олова Sn и 38% свинца Pb. Этот сплав на­чинает кристаллизоваться при самой низкой температуре 183ºC среди всех сплавов рассмат­риваемой системы; имеет при понижении температуры постоянный количественный состав компонентов; структура его в твёрдом состоянии представляет собой мелкодисперсную ме­ханическую смесь кристаллов α- и β -твёрдых растворов переменного состава.

 

Доэвтектические сплавы, имеющие состав от точки d до точки c состоят из первичных кристаллов α -твёрдого раствора, эвтектики (α + β) и мелких вторичных кристаллов β _II-твёрдого раствора, выделившихся из твёрдой фазы при понижении температуры. Первич­ные кристаллы α -твёрдого раствора равномерно распределены в эвтектике (α + β). Доэвтек­тические сплавы начинают кристаллизоваться с выделения из жидкой фазы кристаллов α -твёрдого раствора переменного состава (область диаграммы ADC, лежащая между линия­ми ликвидус и солидус).

Заэвтектические сплавы, имеющие состав от точки c до точки e, состоят из первичных кристаллов β -твёрдого раствора, эвтектики (а + β) и мелких вторичных кристаллов α _II-твёрдого раствора, выделившихся из твёрдой фазы при понижении температуры. Первич­ные кристаллы β -твёрдого раствора равномерно распределены в эвтектике (α + β). Заэвтектические сплавы начинают кристаллизоваться с выделения из жидкой фазы кристаллов β -твёрдого раствора переменного состава (область диаграммы CEB, лежащая между линиями ликвидус и солидус).

Таким образом, в структурно-фазовом составе сплавов рассматриваемой системы важ­ное место занимает эвтектика, представляющая собой смесь мелкодисперсных фаз α и β. Она имеет постоянный количественный состав компонентов (Pb и Sn) и кристаллизуется при наименьшей для данной системы сплавов температуре t_э = 183ºC, т. е. температуре, соответ­ствующей линии DCE. Ниже этой линии находится область двухфазных сплавов.

Выше линии ликвидус (линии ACB) сплавы представляют собой жидкие фазы — неог­раниченные растворы компонентов (свинца Pb и олова Sn) друг в друге в жидком состоянии.

Для диаграмм состояния сплавов III типа характерно то, что кристаллы сплавляемых компонентов в чистом виде ни в одном из сплавов системы не присутствуют.

Рассмотрим процесс кристаллизации сплава, содержащего 80% Pb и 20% Sn (рис. 2, 3).

Т,°С

327°С

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100% Sn РЬ 100% 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Кривая охлаждения двойного t, МИН

сплавa «80%Pb+20%Sn»

 

Рис. 2. Построение кривой охлаждения сплава «80% Pb + 20% Sn»

 

Рис. 3. Кривая охлаждения сплава «80% Pb + 20% Sn»

 

Построение кривой охлаждения сплава «80% Pb + 20%Sn» проводится в следующей последовательности:

а) через точку оси абсцисс, соответствующую составу сплава «80% Pb + 20%Sn», про­водится вертикаль — линия сплава (рис. 1, 2);

б) точки пересечения линии сплава с линиями диаграммы обозначаются цифрами (рис. 2). Это — критические точки, указывающие критические температуры начала и кон­ца процесса кристаллизации, перекристаллизации (если она имеется) данного сплава;

в) в соответствии с выявленными критическими температурами строится кривая охла­ждения сплава в координатах «температура - время» (рис. 2, 3).

Согласно представленной на рис. 3 кривой охлаждения при кристаллизации сплава «80% Pb + 20%Sn» происходят следующие структурно-фазовые превращения.

При температуре выше точки 1 (T = 295ºC) сплав находится в жидком состоянии (жид­кая фаза) и представляется собой неограниченный раствор компонентов (Pb и Sn) друг в дру­ге. Соответственно, точка 1, лежащая на линии ликвидус A C, — температура начала кри­сталлизации данного сплава.

При охлаждении сплава ниже температуры точки 1 из жидкой фазы начинают выде­ляться кристаллы α -твёрдого раствора — кристаллы твёрдого раствора олова Sn в основном компоненте-растворителе свинце Pb состава, соответствующему абсциссе точки a, лежащей на линии солидус (линии ADCEB) диаграммы. Таким образом, при понижении температуры количественный состав выделяющихся из жидкой фазы первичных кристаллов α -твёрдого раствора изменяется по линии AD от точки A до D. При этом характер хода кривой охлажде­ния изменяется, процесс охлаждения замедляется,

что вызвано выделением скрытой теплоты кристаллизации при образовании кристаллов α -твёрдого раствора из жидкой фазы. Поэтому на кривой охлаждения наблюдается излом (участок 1 - 2). Фазовый состав сплава

на участке 1 - 2 кривой охлаждения — жидкая фаза + первичные кристаллы α -твёрдого раствора.

При достижении температуры точки 2 (T = 183ºC, линия DCE диаграммы) возникает нонвариантная система (количество степеней свободы системы C = 0). То есть количество независимых внутренних и внешних параметров системы (температура, давление, концен­трация), которые можно произвольно изменять без изменения количества фаз (равновесия) в системе, равно нулю. В данном случае при T = 183ºC (точка 2) в равновесии находятся одно­временно три фазы:

1) жидкая фаза, соответствующая количественному составу точки C диаграммы (62% Sn + 38% Pb);

2) кристаллы α -твёрдого раствора, количественного состава, соответствующего точке D диаграммы (13% Sn + 87% Pb);

3) кристаллы β -твёрдого раствора, количественного состава, соответствующего точке E диаграммы (96% Sn + 4% Pb)

При температуре, соответствующей линии DCE — линии кристаллизации эвтектики (T = 183ºC), возникает эвтектическое превращение

LC → α d + β_E.

Трём фазам соответствуют определённые количественные составы компонентов, ха­рактеризующиеся проекциями точек D, C и E, хотя температура их превращения постоян­на.

При кристаллизации сплава между точками 2 и 2′ (T = 183ºC) кроме первичных кри­сталлов α -твёрдого раствора, образуется также эвтектика (α + β) — мелкодисперсная меха­ническая смесь кристаллов α - и β -твёрдого раствора, количественного состава (62%Sn + 38% Pb). Температура кристаллизации эвтектики постоянна, независимо оттого, что допол­нительной теплоты от внешней среды не поступает. Причиной постоянства температуры кристаллизации эвтектики также является выделение скрытой теплоты кристаллизации. В точке 2 эвтектика полностью находится ещё в жидком состоянии, между точками 2 и 2′ — в жидком и твёрдом состояниях, в точке 2′ — полностью в твёрдом состоянии. На участке 2 - 2′ кривой охлаждения фазовый состав сплава — первичные кристаллы α -твёрдого рас­твора, эвтектика (α + β) и жидкая фаза. В точке 2′ сплав полностью переходит в твёрдое со­стояние.

При дальнейшем охлаждении сплава ниже точки 2′ из первичных кристаллов α -твёрдого раствора выделяются вторичные кристаллы β _II-твёрдого раствора. При обычных температурах кристаллы α -твёрдого раствора сплава имеют количественный состав компо­нентов, соответствующий точке m диаграммы (2,5%Sn + 97,5% Pb), а кристаллы β _II-твёрдого раствора — соответствующий точке n диаграммы (99%Sn + 1% Pb). Причиной выделения вторичных кристаллов β _II-твёрдого раствора из α -твёрдого раствора являются: 1) изменение параметров кристаллической решётки компонента-растворителя (свинца Pb), что приводит к снижению его растворяющей способности; 2) структурно-фазовые (полиморфные) превра­щения кристаллических решёток сплавляемых компонентов, что также приводит к сниже­нию их взаимной растворимости друг в друге.

Окончательно охлаждённый сплав содержит только две фазы — кристаллы

α -твёрдого раствора и кристаллы β -твёрдого раствора. Каждый из этих видов кристаллов содержится как в мелкодисперсном состоянии в составе эвтектики (α + β), так и в виде более крупных фаз — α и β, равномерно распределённых по объёму сплава.

Для определения количественного соотношения структурно-фазовых составляющих при температуре 250ºC для сплава, содержащего 20% Sn и 80%

 

Pb, надо воспользоваться «правилом отрезков».

Для этого в замкнутой области ADC диаграммы на уровне температуры 250ºC проведём горизонтальную линию — коноду abf (рис. 1). Данная линия пересекает вертикальную ли­нию, характеризующую состав сплава (линию сплава), в точке b.

Количество твёрдой фазы Q_тв. (количество выпавших кристаллов α -твёрдого раствора) при T = 250ºC определим из соотношения:

bf 18

Q _me = — х 100% = — х 100% = 58,06%.

af 31

Таким образом, количество твёрдой фазы Q_тв. определяется отношением длины отрезка горизонтали (коноды), прилегающего к линии ликвидус ACB, ко всей длине горизонтали.

Количество жидкой фазы Q_ж при T = 250ºC определим из соотношения:

bf 13

Q_ж = — х 100% = — х 100% = 41,94%.
af 31

Количество жидкой фазы Q_ж определяется отношением длины отрезка горизонтали (коноды), прилегающего к линии солидус ADCEB, ко всей длине горизонтали.

Количественный состав выделяющихся при кристаллизации сплава первичных кри­сталлов α -твёрдого раствора при T = 250ºC определяется абсциссой точки a — 8% Sn + 92% Pb.

Количественный состав жидкой фазы при T = 250ºC определяется абсциссой точки f — 38% Sn + 62% Pb.

Количество образующейся эвтектики при T = 183ºC в точке 2′ составит:

Dp 7

Q_эвт = — х 100% = — х 100% = 14,3%

DC 49

Количество образующихся первичных кристаллов α -твёрдого раствора при T = 183ºC составит:

PC 42

Q_тв.= — х 100% = — х 100% = 85,7%

DC 49

Рис. 4. Микроструктура сплава «80% Pb + 20% Sn»

Б) Вычертить диаграмму состояния сплавов системы «железо Fe-углерод C» (рис. П.7). Указать основные линии, точки и структурно-фазовый состав всех областей диаграм­мы. Для сплава, содержащего 1,2% углерода C, построить кривую охлаждения и опи­сать происходящие при охлаждении структурно-фазовые превращения. Схематично изобразить и описать структуру заданного сплава.

На диаграмме железоуглеродистых сплавов (рис. 5) нанесены сплошные и пунктирные линии. Это связано с тем, что углерод в сплавах может находиться как в свободном виде (в виде графита), так и в виде химического соединения (цементита Fe₃C). Поэтому, диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов может быть:

1) система «Fe-Fe₃C» (метастабильная);

2) система «Fe-C» (стабильная).

Характерные точки диаграммы:

А (Т= 1539ºC) — температура плавления чистого железа Fe;

В (Т= 1493ºC; 0,5%С) — состав жидкой фазы при перитектической реакции;

J (Т= 1493ºC; 0,18%С) — состав аустенита при перитектической реакции;

Н (Т= 1493ºC; 0,1%С) — состав феррита при перитектической реакции;

N (Т= 1392ºC) — температура полиморфного превращения железа Fe _α ↔ Fe _γ;

С (Т= 1147ºC; 4,3%С) — состав эвтектики (ледебурит = аустенит + цементит);

D (Т= 1600ºC; 6,67%С) — условная температура плавления цементита Fe3С;

Е (Т= 1147ºC; 2,14%С) — предельная растворимость углерода в γ -железе Fe;

G (Т= 911ºC) — температура полиморфного превращения железа Fe _γ ↔ Fe _α;

S (Т= 727ºC; 0,80%С) — состав эвтектоидного сплава (перлит = феррит + цементит);

Р (Т= 727ºC; 0,02%С) — предельная растворимость углерода в α -железе Fe_α;

К (Т= 727ºC; 6,67%С) — состав цементита;

Q (Т= 20ºC; 0,006%С) — минимальная растворимость углерода в железе.