РОБОТА 5
АНАЛІЗ діаграм стану подвійних СПЛАВІВ
Мета роботи: вивчення основних типів діаграм стану подвійних систем, придбання практичних навичок вивчення перетворень, що протікають при кристалізації сплавів, аналіз отриманих даних і визначення можливості їх використання па практиці.
Знання діаграм стану різних систем, що характеризують перетворення в сплавах, і вміння аналізувати ці перетворення дозволяють оцінити властивості сплавів і в кінцевому підсумку раціонально вибрати матеріал для тих чи інших виробів залежно від пропонованих до них вимог.
Діаграми стану зображуються в координатах температура - вміст компонентів. Лінії, що з'єднують критичні точки аналогічних перетворень у системі, розмежовують області існування рівноважних фаз. Будь-яка точка на діаграмі визначає фазовий та хімічний склади сплаву, а також його структуру при даній температурі. Вертикальна лінія відповідає певному хімічному складу сплаву. У залежності від того, як взаємодіють компоненти сплавів між собою в твердому стані (володіють різною взаємною розчинністю і утворюють тверді розчини; утворюють евтектики або хімічні сполуки), розрізняють кілька типів діаграм.
Розглянемо, наприклад, перетворення, що відбуваються в сплавах Al - Са (рис. 5.1). Вище лінії ликвидус ABCDEF обидва компоненти знаходяться в рідкому стані і в будь-яких співвідношеннях необмежено розчиняються один в одному. Нижче лінії солидус AMBNPQKEH сплави системи перебувають у твердому стані. Фналіз діаграми показує, що при затвердінні відбуваються такі перетворення.
1. Утворюється α-твердий розчин Са в А1. Область існування твердого розчину - AMS 1 прилягає до лінії чистої А1. Точка М показує максимальну розчинність Са в А1, точка S 1 - мінімальну, лінія MS 1 - обмеження розчинності Са в Al. Отже, з пониженням температури спостерігається зменшення розчинності Са в Al відповідно до лінії MS 1. Надмірна кальцій, який не може бути розчинений у α - твердому розчині, виділяється при охолодженні нижче лінії MS 1 у вигляді вторинних кристалів СаAl 3 листопада на відміну від первинних СаAl 3, що утворюються при наявності рідкої фази в точці Р.
2. Утворюються хімічні сполуки СаAl 3 та СаAl 2, кристалізуються з рідкого сплаву при температурах, що відповідають точці D, і точці Р при взаємодії рідкої фази і хімічної сполуки СаAl 2 (відповідно).
Перетворення, що протікає при постійній температурі, коли з двох фаз, одна з яких є рідкою, утворюється третя і всі фази в момент перетворення мають певний склад, називається перитектичних і може бути записано у вигляді реакції
T = const
Ж c + CaAl 2 (Q) --- -> Саа1 3 (р),
де символи С, Q, Р показують вміст компонентів у відповідних фазах.
Рис. 5.1. Діаграма стану (в) і криві охолодження (а, б, г, д) сплавів системи Al - Са (структурний аналіз):
I. .. IV - номери сплавів
У процесі перитектического перетворення відповідно до правила фаз С = К - Ф + 1 = 2 - 3 + 1 = 0. Застосування правила відрізків (конод CPQ) показує, що при перитектической перетворенні маси взаємодіючих фаз суворо визначені. У доперітектіческіх сплавах, розташованих лівіше точки Р, в надлишку залишається рідка фаза, яка потім відчуває все перетворення, описані нижче для сплаву II. У заперітектіческіх сплавах, розташованих правіше точки Р, надлишкової є тверда фаза (в даному випадку СаAl 2). Хімічна сполука СаAl 3 є стійким при нагріванні до температури плавлення (точка D). Хімічна сполука СаAl 3 хитке і, будучи нагрітим до температури точки Р, розкладається на рідину і СаAl 2.
3. Формуються дві евтектики Е 1 і Е 2. Перша являє собою тонку механічну суміш кристалів α-твердого розчину і Саа1 3, що утворюється (при С = 0) з рідини по реакції
Друга евтектика являє собою тонку механічну суміш кристалів Са і СаAl 3 та утворюється але реакції
При цьому перетворенні, як і при першому евтектичному перетворенні, система нонваріантна (С = 0).
У ряді систем можлива подібна реакція, але суміш двох різних фаз утворюється не з рідини, а з твердого розчину. Така реакція називається евтектоїдних.
Розглянемо криві охолодження декількох сплавів (див. рис. 5.1) і проведемо їх докладний структурний аналіз.
Сплав I. При охолодженні від точки 0 до точки 1 (див. рис. 5.1, а) сплав знаходиться в рідкому стані (С = 2). При температурі t 1, яка відповідає точці 1, починається кристалізація сплаву. Конод abc - відрізок ізотерми, проведений вліво і вправо від лінії сплаву до перетину з лініями діаграми, де розташовані шукані фази або структурні складові (див. рис. 5.1, в). Вона показує, що це кристали α - твердого розчину (точка а коіоди вказує на область α). Друга точка конод з вказує на наявність рідкої фази. Користуючись правилом відрізків, можна визначити масову частку (Q,%) співіснуючих фаз. Наприклад, при температурі t 1 Q α = bc / ac * 100, Q ж = bc / ac * 100. Отже, для визначення змісту будь-якої з двох фаз необхідно взяти відношення довжини протилежного від шуканої фази відрізка конод до довжини всієї конод. Проекції точок а і з на вісь концентрацій покажуть, який зміст компонентів у кожній з фаз (точка а - в α - твердому розчині, крапка з - в рідкій частині сплаву).
При охолодженні сплаву I від t 1 до t 2 частка твердої фази зростає, а рідкої - відповідно зменшується, що підтверджується правилом відрізків.
До моменту охолодження сплаву до t 2 зміст компонентів в останніх порціях кристалів α - твердого розчину буде відповідати точці М, а в рідині - точці В. Як видно, рідина має евтектичних складу і тому вона кристалізується по першій евтектичної реакції (С = 0), протікає при постійній температурі (t 2 = t 2 ' ). Зі зникненням при t 2 ' рідини первинна кристалізація закінчується, а від t 2 ' до t 3 протікає вторинна кристалізація сплаву (з твердої α - фази виділяється СаAl березня 1911).
Сплав II. Від t 0 до t 1 (див. рис. 5.1, б) йде охолодження рідкої фази, від t 1 до t 2 - виділення з рідини кристалів СаAl 3. Потім протікає евтектична реакція при постійній температурі (лінія MBN на рис. 5.1, в) і рідка частина сплаву переходить в евтектику. Нижче t 2 ніяких перетворень в кристалах СаAl 3 і в евтектиці не відбувається.
Сплав III. Від t 0 До t 1 (див. рис. 5.1, г) йде охолодження рідкої фази, від t 1 до t 2 відбувається виділення з рідини кристалів CaAl 2. Після досягнення температури, відповідної лінії CPQ, протікає перитектическая реакція (С = 0)
Оскільки лінія сплаву III проходить правіше точки Р, т. тобто ближче до лінії CaAl 2, то в результаті перитектического перетворення утворюється СаAl 3 та деяка частина СаAl 2 залишається в надлишку. Нижче t 2 ніяких перетворень в сплаві не відбувається.
Кристалізацію сплаву IV (див. рис. 5.1, д) аналізують за аналогією з розглянутими вище сплавами.
Аналіз кривих охолодження чистих компонентів Al і Са і хімічної сполуки CaAl 2 показує, що вони мають однаковий характер (майданчик кристалізації в точках A, F і D відповідно) і відрізняються лише температурним рівнем майданчика кристалізації. Таким чином, стійкі хімічні сполуки поводяться подібно компонентів сплаву і, прийнявши CaAl 2 умовно за компонент, діаграму А1-Са (див. рис. 5.1, в)
Рис. 5.2. Діаграма стану сплавів системи Al - Са (фазовий аналіз)
Можна розглядати як що складається з двох самостійних діаграм А1-CaAl 2 і СаAl 2 - Са. При цьому діаграма CaAl 2 - Са є по суті елементарної діаграмою, коли обидва компоненти в твердому стані нерозчинні одне в одному і утворюють механічну суміш-евтектику. Аналогічна діаграма (Sn-Zn) була розглянута в роботі 4. Діаграма А1-CaAl 2 складається з частин елементарних діаграм стану з обмеженою розчинністю компонентів в твердому стані, з евтектичним і перитектичних перетвореннями.
На рис. 5.2 наведені результати фазового аналізу діаграми Al - Са.
Фазовий склад сплавів в будь-якій області легко визначити за допомогою конод, кінці якої вказують на рівноважні співіснуючі фази і вміст у них компонентів. Лінія ликвидус показує не тільки температуру початку кристалізації відповідних сплавів, а й зміст компонентів в рідкій фазі будь-якого сплаву в залежності від температури. Солідус визначає температуру закінчення кристалізації і зміст компонентів у твердій кристаллизующейся фазі.
У випадку, якщо необхідно визначити масову частку структурних складових, наприклад, в сплаві IV для температури t 2 - евтектики і СаАl 2, проводять конод fpk (див. рис. 5.1) до ліній, відповідних складовими, і користуються співвідношеннями Q CaAl 2 = ph / (fh) * 100 і Q е. 2 = fh / 9fk) * 100. Структурна складова сплаву має під мікроскопом своєрідний вид.
Завдання
1. Накреслити задану викладачем діаграму стану подвійних сплавів (див. дод. 2.1-2.24).
2. Окреслити всі лінії діаграми, зазначивши лінії ликвидус і солидус.
3. Провести структурний і фазовий аналіз діаграми і описати всі нонваріантние перетворення в сплавах.
4. Побудувати криву охолодження для заданого викладачем сплаву з поясненням всіх перетворень і замальовкою мікроструктур, з застосуванням правила фаз і правила відрізків (для двох різних фазових областей).
5. Зробити висновки і написати звіт по роботі відповідно до пунктів завдань.
Заняття в підгрупі доцільно присвятити розбору декількох реальних характерних діаграм стану, а індивідуальне завдання рекомендувати виконати будинку.
Процес структуроутворення в сплаві IV студенту рекомендується описати самостійно, використовуючи криву охолодження цього сплаву, наведену на рис. 5.1.
АНАЛІЗ діаграм стану подвійних СПЛАВІВ
Мета роботи: вивчення основних типів діаграм стану подвійних систем, придбання практичних навичок вивчення перетворень, що протікають при кристалізації сплавів, аналіз отриманих даних і визначення можливості їх використання па практиці.
Знання діаграм стану різних систем, що характеризують перетворення в сплавах, і вміння аналізувати ці перетворення дозволяють оцінити властивості сплавів і в кінцевому підсумку раціонально вибрати матеріал для тих чи інших виробів залежно від пропонованих до них вимог.
Діаграми стану зображуються в координатах температура - вміст компонентів. Лінії, що з'єднують критичні точки аналогічних перетворень у системі, розмежовують області існування рівноважних фаз. Будь-яка точка на діаграмі визначає фазовий та хімічний склади сплаву, а також його структуру при даній температурі. Вертикальна лінія відповідає певному хімічному складу сплаву. У залежності від того, як взаємодіють компоненти сплавів між собою в твердому стані (володіють різною взаємною розчинністю і утворюють тверді розчини; утворюють евтектики або хімічні сполуки), розрізняють кілька типів діаграм.
Розглянемо, наприклад, перетворення, що відбуваються в сплавах Al - Са (рис. 5.1). Вище лінії ликвидус ABCDEF обидва компоненти знаходяться в рідкому стані і в будь-яких співвідношеннях необмежено розчиняються один в одному. Нижче лінії солидус AMBNPQKEH сплави системи перебувають у твердому стані. Фналіз діаграми показує, що при затвердінні відбуваються такі перетворення.
1. Утворюється α-твердий розчин Са в А1. Область існування твердого розчину - AMS 1 прилягає до лінії чистої А1. Точка М показує максимальну розчинність Са в А1, точка S 1 - мінімальну, лінія MS 1 - обмеження розчинності Са в Al. Отже, з пониженням температури спостерігається зменшення розчинності Са в Al відповідно до лінії MS 1. Надмірна кальцій, який не може бути розчинений у α - твердому розчині, виділяється при охолодженні нижче лінії MS 1 у вигляді вторинних кристалів СаAl 3 листопада на відміну від первинних СаAl 3, що утворюються при наявності рідкої фази в точці Р.
2. Утворюються хімічні сполуки СаAl 3 та СаAl 2, кристалізуються з рідкого сплаву при температурах, що відповідають точці D, і точці Р при взаємодії рідкої фази і хімічної сполуки СаAl 2 (відповідно).
Перетворення, що протікає при постійній температурі, коли з двох фаз, одна з яких є рідкою, утворюється третя і всі фази в момент перетворення мають певний склад, називається перитектичних і може бути записано у вигляді реакції
T = const
Ж c + CaAl 2 (Q) --- -> Саа1 3 (р),
де символи С, Q, Р показують вміст компонентів у відповідних фазах.
Рис. 5.1. Діаграма стану (в) і криві охолодження (а, б, г, д) сплавів системи Al - Са (структурний аналіз):
I. .. IV - номери сплавів
У процесі перитектического перетворення відповідно до правила фаз С = К - Ф + 1 = 2 - 3 + 1 = 0. Застосування правила відрізків (конод CPQ) показує, що при перитектической перетворенні маси взаємодіючих фаз суворо визначені. У доперітектіческіх сплавах, розташованих лівіше точки Р, в надлишку залишається рідка фаза, яка потім відчуває все перетворення, описані нижче для сплаву II. У заперітектіческіх сплавах, розташованих правіше точки Р, надлишкової є тверда фаза (в даному випадку СаAl 2). Хімічна сполука СаAl 3 є стійким при нагріванні до температури плавлення (точка D). Хімічна сполука СаAl 3 хитке і, будучи нагрітим до температури точки Р, розкладається на рідину і СаAl 2.
3. Формуються дві евтектики Е 1 і Е 2. Перша являє собою тонку механічну суміш кристалів α-твердого розчину і Саа1 3, що утворюється (при С = 0) з рідини по реакції
Друга евтектика являє собою тонку механічну суміш кристалів Са і СаAl 3 та утворюється але реакції
При цьому перетворенні, як і при першому евтектичному перетворенні, система нонваріантна (С = 0).
У ряді систем можлива подібна реакція, але суміш двох різних фаз утворюється не з рідини, а з твердого розчину. Така реакція називається евтектоїдних.
Розглянемо криві охолодження декількох сплавів (див. рис. 5.1) і проведемо їх докладний структурний аналіз.
Сплав I. При охолодженні від точки 0 до точки 1 (див. рис. 5.1, а) сплав знаходиться в рідкому стані (С = 2). При температурі t 1, яка відповідає точці 1, починається кристалізація сплаву. Конод abc - відрізок ізотерми, проведений вліво і вправо від лінії сплаву до перетину з лініями діаграми, де розташовані шукані фази або структурні складові (див. рис. 5.1, в). Вона показує, що це кристали α - твердого розчину (точка а коіоди вказує на область α). Друга точка конод з вказує на наявність рідкої фази. Користуючись правилом відрізків, можна визначити масову частку (Q,%) співіснуючих фаз. Наприклад, при температурі t 1 Q α = bc / ac * 100, Q ж = bc / ac * 100. Отже, для визначення змісту будь-якої з двох фаз необхідно взяти відношення довжини протилежного від шуканої фази відрізка конод до довжини всієї конод. Проекції точок а і з на вісь концентрацій покажуть, який зміст компонентів у кожній з фаз (точка а - в α - твердому розчині, крапка з - в рідкій частині сплаву).
При охолодженні сплаву I від t 1 до t 2 частка твердої фази зростає, а рідкої - відповідно зменшується, що підтверджується правилом відрізків.
До моменту охолодження сплаву до t 2 зміст компонентів в останніх порціях кристалів α - твердого розчину буде відповідати точці М, а в рідині - точці В. Як видно, рідина має евтектичних складу і тому вона кристалізується по першій евтектичної реакції (С = 0), протікає при постійній температурі (t 2 = t
Сплав II. Від t 0 до t 1 (див. рис. 5.1, б) йде охолодження рідкої фази, від t 1 до t 2 - виділення з рідини кристалів СаAl 3. Потім протікає евтектична реакція при постійній температурі (лінія MBN на рис. 5.1, в) і рідка частина сплаву переходить в евтектику. Нижче t 2 ніяких перетворень в кристалах СаAl 3 і в евтектиці не відбувається.
Сплав III. Від t 0 До t 1 (див. рис. 5.1, г) йде охолодження рідкої фази, від t 1 до t 2 відбувається виділення з рідини кристалів CaAl 2. Після досягнення температури, відповідної лінії CPQ, протікає перитектическая реакція (С = 0)
Оскільки лінія сплаву III проходить правіше точки Р, т. тобто ближче до лінії CaAl 2, то в результаті перитектического перетворення утворюється СаAl 3 та деяка частина СаAl 2 залишається в надлишку. Нижче t 2 ніяких перетворень в сплаві не відбувається.
Кристалізацію сплаву IV (див. рис. 5.1, д) аналізують за аналогією з розглянутими вище сплавами.
Аналіз кривих охолодження чистих компонентів Al і Са і хімічної сполуки CaAl 2 показує, що вони мають однаковий характер (майданчик кристалізації в точках A, F і D відповідно) і відрізняються лише температурним рівнем майданчика кристалізації. Таким чином, стійкі хімічні сполуки поводяться подібно компонентів сплаву і, прийнявши CaAl 2 умовно за компонент, діаграму А1-Са (див. рис. 5.1, в)
Рис. 5.2. Діаграма стану сплавів системи Al - Са (фазовий аналіз)
Можна розглядати як що складається з двох самостійних діаграм А1-CaAl 2 і СаAl 2 - Са. При цьому діаграма CaAl 2 - Са є по суті елементарної діаграмою, коли обидва компоненти в твердому стані нерозчинні одне в одному і утворюють механічну суміш-евтектику. Аналогічна діаграма (Sn-Zn) була розглянута в роботі 4. Діаграма А1-CaAl 2 складається з частин елементарних діаграм стану з обмеженою розчинністю компонентів в твердому стані, з евтектичним і перитектичних перетвореннями.
На рис. 5.2 наведені результати фазового аналізу діаграми Al - Са.
Фазовий склад сплавів в будь-якій області легко визначити за допомогою конод, кінці якої вказують на рівноважні співіснуючі фази і вміст у них компонентів. Лінія ликвидус показує не тільки температуру початку кристалізації відповідних сплавів, а й зміст компонентів в рідкій фазі будь-якого сплаву в залежності від температури. Солідус визначає температуру закінчення кристалізації і зміст компонентів у твердій кристаллизующейся фазі.
У випадку, якщо необхідно визначити масову частку структурних складових, наприклад, в сплаві IV для температури t 2 - евтектики і СаАl 2, проводять конод fpk (див. рис. 5.1) до ліній, відповідних складовими, і користуються співвідношеннями Q CaAl 2 = ph / (fh) * 100 і Q е. 2 = fh / 9fk) * 100. Структурна складова сплаву має під мікроскопом своєрідний вид.
Завдання
1. Накреслити задану викладачем діаграму стану подвійних сплавів (див. дод. 2.1-2.24).
2. Окреслити всі лінії діаграми, зазначивши лінії ликвидус і солидус.
3. Провести структурний і фазовий аналіз діаграми і описати всі нонваріантние перетворення в сплавах.
4. Побудувати криву охолодження для заданого викладачем сплаву з поясненням всіх перетворень і замальовкою мікроструктур, з застосуванням правила фаз і правила відрізків (для двох різних фазових областей).
5. Зробити висновки і написати звіт по роботі відповідно до пунктів завдань.
Заняття в підгрупі доцільно присвятити розбору декількох реальних характерних діаграм стану, а індивідуальне завдання рекомендувати виконати будинку.
Процес структуроутворення в сплаві IV студенту рекомендується описати самостійно, використовуючи криву охолодження цього сплаву, наведену на рис. 5.1.