Лабораторная работа 5 построение диаграммы состояния свинец–сурьма. Анализ диаграмм состояния двойных сплавов

Порядок выполнения работы

4. Охлажденный до 180 °С сплав термопары перенести в печь и нагре- вать до 600 °С, затем опыт повторить.

5. После повторного охлаждения тигель с термопарой снова помес- тить в печь, нагревать до 400 °С, после чего извлечь из сплава термопару; ти- гель охладить до комнатной температуры.

 

 

Содержание отчета

1. Кратко описать ход работы, указать состав сплава из отчетов, при- вести данные, полученные при охлаждении сплавов (в виде таблицы).

2. По полученным результатам построить термические кривые охлаж- дения в масштабе: 10 °С – 5 мм; 15 °С – 5 мм.

3. По кривым охлаждения определить критические точки сплава, со- ответствующие началу его кристаллизации и образованию эвтектики.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5 ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СВИНЕЦ–СУРЬМА. АНАЛИЗ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ ДВОЙНЫХ СПЛАВОВ

Цель работы

1) на конкретном примере усвоить принцип построения диаграмм со- стояния, изучить простейшие типы диаграмм, изучить микроструктуру спла- вов систем Рb–Sb; 2) изучить основные типы диаграмм состояния двойных систем; приобрести практические навыки изучения превращений, протекаю- щих при кристаллизации сплавов; проанализировать полученные данные и определить возможности их использования на практике.

 

 

Приборы, материалы и инструмент

Микроскоп МИМ-7; комплект микрошлифов сплавов; диаграммы со- стояния.

 

 

Краткие теоретические сведения

Свойства сплава зависят от многих факторов, но прежде всего они оп- ределяются составом фаз и их количественным соотношением.

Эти сведения получают из анализа диаграмм состояния. По диаграмме состояния можно представить полную картину формирования структуры, определить оптимальную температуру заливки любого сплава в литейную форму, оценить жидкотекучесть выбранного сплава и возможности получе- ния химической неоднородности, выбрать сплавы и условия для их обработ- ки давлением.

Для построения диаграммы состояния необходимо взять несколько сплавов с разной концентрацией компонентов, а также сами компоненты.

Используя метод термического анализа, для каждого компонента и сплава, строятся кривые охлаждения. На них определяются положения кри- тических точек. Зная критические точки большого числа сплавов, приступа- ют к построению диаграммы состояния в координатах температура– химический состав сплава. Кривые охлаждения для двух компонентов и трех сплавов показаны в левой части рис. 5.1.

 

 

Рис. 5.1. Построение диаграммы состояния Pb–Sb по критическим точкам

 

Техника построения диаграммы состояния сплавов свинец–сурьма по критическим точкам показана на рис. 5.1.

На горизонтальной оси откладывают концентрацию одного из двух компонентов, образующих сплав. В нашем случае отложена концентрация Sb.

В точке, где 0 % Sb, сплав будет однокомпонентным – чистый свинец. Ордината, проведенная через точку 100 % Sb, также отвечает составу чистого компонента – сурьмы.

Затем на оси концентраций находят точки, соответствующие составу каждого сплава. Через эти точки проводят вертикальные прямые, на которых проектируют полученные значения критических температур. На диаграмме эти вертикали обозначены цифрами II, III, IV и т. д.

Экспериментально построенные диаграммы состояния проверяют по правилу фаз, дающему возможность теоретически обосновать направление процессов превращения для установления равновесного состояния системы.

Общие закономерности существования устойчивых фаз, отвечающих условиям равновесия, выражены в математической форме правилом фаз Гиб- бса. Правило фаз дает возможность предсказать и проверить процессы, про- исходящие в сплавах при нагреве и охлаждении. Оно показывает, происходит ли процесс кристаллизации при постоянной температуре или в интервале температур и какое число фаз может одновременно существовать в системе.

 

Диаграммы состояния обычно строят при постоянном атмосферном давлении, и правило фаз выражается уравнением

С = К + 1 – Ф,

где С – число степеней свободы (вариантность) системы, под которым пони- мают число внешних и внутренних факторов (температура, давление и кон- центрация), которое можно изменять без изменения числа фаз в системе; К – число компонентов в системе; Ф – число фаз.

Проанализируем построенные кривые охлаждения, чтобы установить фазовый состав на отдельных их участках.

Кривая охлаждения I относится к чистому свинцу. При температурах выше точки 1 (327 °С) свинец находится в жидком состоянии. На горизон- тальном участке кривой 1–1¢ идет кристаллизация свинца. Ниже точки 1¢ (ниже 327 °С) идет охлаждение твердого слитка

Кривая II относится к сплаву с 94 % Pb и 6 % Sb. Кристаллизация на- чинается в точке 1 (296 °С), из жидкости выделяются кристаллы свинца. Это согласуется с правилом фаз, т. е. число степеней свободы в этом случае равно единице. В данном случае компонентов – два, фазы – две (жидкость и кри- сталлы свинца). Число степеней свободы в точке 1

С₁ = К – Ф + 1 = 2 – 2 + 1 = 1.

Так как на участке кривой 1–2 из жидкости с понижением температу- ры выделяются кристаллы свинца, жидкость обогащается сурьмой.

В момент начала выделения кристаллов свинца в точке 1 жидкость сплава содержала 6 % Sb, в точке 2 жидкость уже содержит 13 % Sb и 87 % Рb. Как только достигается это соотношение компонентов, выделение и рост кристаллов свинца прекращаются, а оставшаяся жидкость сплава кристалли- зуется в виде смеси мелких кристаллов Рb и Sb.

Реакция, в результате которой из жидкого сплава при постоянной температуре образуются кристаллы двух фаз, записывается и читается сле-

дующим образом:

Жс  ¾²¾⁴⁶¾®Э (Рb + Sb). Жидкая фаза сплава состава точки

С при t = 246 °С кристаллизуется в виде смеси кристаллов свинца и сурьмы – эвтектики. В период эвтектического превращения в равновесии находятся три фазы: жидкая, кристаллы свинца и кристаллы сурьмы, поэтому на участке 2–2¢ число степеней свободы

С = К – Ф + 1 = 2 – 3 + 1 = 0.

Система безвариантна (нонвариантна), т. е. температура и число фаз должны оставаться постоянными. Наличие горизонтального участка на кри- вой охлаждения отражает постоянство температуры. Температура остается постоянной до полного исчезновения одной из фаз – жидкости.

У сплава III, содержащего сурьмы 13 %, из жидкости при постоянной температуре 246 °С (на участке 1–1¢ кривой охлаждения) выделяются два ви- да кристаллов Рb и Sb в виде равномерной смеси. Сплав III называют эвтек-

тическим, он имеет самую низкую температуру кристаллизации (слово

эвтектика означает легкоплавкая).

В сплаве с содержанием сурьмы более 13 % (IV) в точке 1 начинают выделяться кристаллы сурьмы из жидкости (C = 2 – 2 + 1 = 1), а сплав обога- щается свинцом. Когда температура снизится до 246 °С (точка 2), жидкость будет содержать 13 % Sb, и при постоянной температуре образуется эвтектика:

С = К – Ф + 1 = 2 – 3 + 1 = 0.

У рассмотренных пяти сплавов значения точек начала и конца кри- сталлизации наносятся на диаграмму.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение фазового состава сплавов данной системы в функции температуры и химиче- ского состава сплавов.

На диаграмме состояния системы Рb-Sb линия АСВ – линия ликвиду- са, т. е. геометрическое место всех точек, которые определяют температуру начала кристаллизации сплавов. Линия солидуса DСЕ соответствует точкам, определяющим температуру конца кристаллизации сплавов.

Сплавы, расположенные левее точки С и имеющие концентрацию сурьмы менее 13 %, называются доэвтектическими. Процесс их кристаллиза- ции начинается с выделения кристаллов свинца, имеющего избыточную кон- центрацию по отношению к эвтектике.

Сплавы, содержащие более 13 % сурьмы и лежащие правее точки С на диаграмме состояния, называются заэвтектическими. Процесс их кристалли- зации начинается с выделения сурьмы. У всех сплавов системы Рb-Sb про- цесс кристаллизации заканчивается при постоянной температуре с образова- нием эвтектики. Поэтому диаграмма состояния, показанная на рис. 5.1, – од- на из простейших для сплавов, образующих эвтектические смеси из чистых компонентов^*.

Знание диаграмм состояния различных систем, характеризующих превращения в сплавах, и умение анализировать эти превращения позволяют оценить свойства сплавов и в конечном итоге рационально выбрать материал для тех или иных изделий в зависимости от предъявляемых к ним требований.

Диаграммы состояния изображаются в координатах температура– содержание компонентов. Линии, соединяющие критические точки анало- гичных превращений в системе, разграничивают области существования рав- новесных фаз. Любая точка на диаграмме определяет фазовый и химический составы сплава, а также его структуру при данной температуре. Вертикаль- ная линия соответствует определенному химическому составу сплава.

В сплаве в процессе кристаллизации могут присутствовать следую- щие твердые фазы: исходные компоненты; твердые растворы; химические соединения.

 

*Для практического пользования диаграммой удобней выделить сплавы, малорастворимые в твердом состоянии, в отдельную группу и принять растворимость равной нулю.

 

Исходные компоненты, образующие сплав, могут не вступать в со- единения и химические реакции друг с другом в твердом состоянии. В этом случае каждый компонент после кристаллизации сохраняет свою кристалли- ческую решетку. Структура сплава представляет собой смесь из зерен от- дельных компонентов с пренебрежимо ничтожной взаимной растворимо- стью.

Твердые растворы – это кристаллы, образовавшиеся в результате рас- пределения атомов одного компонента в кристаллической решетке другого компонента. У твердого раствора кристаллическая решетка одного из компо- нентов (растворителя) сохраняется, а атомы растворенного компонента рас- полагаются в его решетке, изменяя только ее параметры. Кристаллическая решетка твердых растворов может состоять из атомов двух или нескольких компонентов. Различают твердые растворы замещения, когда атомы раство- ренного компонента замещают часть атомов растворителя в узлах кристал- лической решетки, и твердые растворы внедрения, когда атомы растворенно- го компонента располагаются в междоузлиях решетки растворителя.

Твердые растворы замещения бывают неограниченные и ограничен- ные, а твердые растворы внедрения, как правило, с ограниченной раствори- мостью (рис. 5.2).

Химические соединения – это соединения, которые имеют:

– свою кристаллическую решетку, отличную от решеток исходных компонентов;

– кратное массовое соотношение элементов, что позволяет выразить их состав формулой А_тВ_п, где А и В – компоненты сплава, а т и п – простые чис- ла;

– постоянную температуру плавления (диссоциации).

В отличие от твердых растворов, химические соединения обычно об- разуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток.

 

Рис. 5.2. Атомно-кристаллическая структура твердого раствора: а – твердый раствор заме-

щения; б – твердый раствор внедрения                     а                               б

Если образующиеся в сплавах химические соединения оказываются стойкими веществами, не диссоциирующими при нагреве вплоть до темпера- туры плавления, то их принято рассматривать в качестве самостоятельных компонентов, способных образовывать сплавы с химическими элементами.

Большое число химических соединений, образующихся в металличе- ских сплавах, отличается по некоторым особенностям от типичных химиче-

 

ских соединений, так как не подчиняется законам валентности и не имеет по- стоянного состава.

В зависимости от того, как взаимодействуют компоненты сплавов между собой в твердом состоянии (обладают различной взаимной раствори- мостью и образуют твердые растворы, химические соединения, эвтектиче- ские смеси), различают несколько типов диаграмм состояния.

На рис. 5.3 представлена диаграмма состояния сплавов, компоненты которых ограниченно растворимы в твердом состоянии и образуют эвтекти- ку. Линия АСВ рассматриваемой диаграммы является линией ликвидуса. Ли- ния АDCFB – солидус. Ниже линии солидус в интервале концентрации от нуля до точки Е устойчив твердый раствор компонента В в А (α). В интерва- ле концентрации от точки Е до точки К в твердых сплавах присутствуют кри- сталлы двух фаз – α- и b-твердые растворы. При концентрации компонента В больше, чем в точке К устойчива одна фаза – раствор компонента А в В (b).

В доэвтектических сплавах при охлаждении от линии АС до темпера- туры Т_э из жидкости выделяются кристаллы α-твердого раствора. В сплавах, содержащих компонента В больше, чем в точке С, при охлаждении ниже ли- нии СВ до температуры Т_э выделяются кристаллы b-твердого раствора.

Точка D характеризует предельную растворимость компонента В в А, а точка F – компонента А в В при температуре Т_э, а точки Е и К характеризу- ют предельную растворимость, соответственно, компонентов В в А и А в В при комнатной температуре.

Линия DE определяет предельную растворимость компонента В в А, которая не изменяется с понижением температуры, также не изменяется рас- творимость компонента А в В, что показывает линия FK.

Сплав, соответствующий точке С (50 % В), затвердевает при постоянной температуре Т_э, при этом из жидкого раствора выделяются предельно насыщен- ные кристаллы твердых растворов a_D и b_F, образуя эвтектическую смесь.

Рассмотрим для доэвтектического сплава 1 (рис. 5.3) процесс форми- рования структуры. Построим кривую охлаждения для сплава 1 (35 % В) от жидкого состояния до комнатной температуры, учитывая, что в точках пере- сечения вертикали с любой линией фазового равновесия происходит превра- щение, сопровождающееся тепловым эффектом.

 

Т, °С

 

T_Ж

t₁ T_э

t₂