 |
|
Теоретическая часть
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №1
Построение диаграмм состояния двухкомпонентных сплавов. Определение фазового состава сплавов, построение кривых охлаждения
Цель работы: по температурам ликвидуса и солидуса и концентрации сплава построить диаграмму состояния двухкомпонентного сплава, для специально выбранных сплавов построить кривые охлаждения.
Теоретическая часть
Диаграмма двухкомпонентного сплава строится в двух измерениях: температура – концентрация (рис. 1). По оси ординат откладывается температура, а по оси абсцисс – концентрация. Общее содержание компонентов в любом сплаве составляет 100 %. Левая крайняя точка А по оси концентраций соответствует 100 % содержанию компонента А. Процентное содержание второго компонента откладывается по этой оси слева направо. Правая крайняя точка В соответствует 100 % содержанию второго компонента В. Каждая промежуточная точка на оси абсцисс соответствует определенному содержанию сплава. Например, в точке С сплав состоит из 40 % компонента В и 60 % компонента А. В точке Д – 80 % компонента В и 20 % компонента А, и т.д. Следовательно, по мере удаления от точки А увеличивается количество компонента В и наоборот.
Рисунок 1 – Координаты для изображения диаграммы состояний двухкомпонентной системы
Ось ординат показывает изменение температуры и каждая точка на оси (например, точка Е) соответствует определенному фазовому состоянию рассматриваемого сплава при определенной температуре (ТЕ).
Порядок построения диаграмм
Диаграммы состояния обычно строятся по экспериментальным данным термического анализа и исследованию структур сплавов в твердом состоянии.
Из исследуемых компонентов изготавливается серия сплавов разного химического состава и для каждого из них строится кривая охлаждения. Температура измеряется обычно термопарой (рис. 2). В нагревательное устройство 1 помещается тигель 2, в котором находится исследуемый сплав. После его расплавления в тигель погружается горячий спай термопары 3 и производится медленное охлаждение. Через определенные промежутки времени производится фиксация температуры и строится кривая охлаждения (рис. 3). Из рисунка видно, что на кривой имеется две характерные точки: t1 и t2. При t1 падение температуры сплава замедляется. Это свидетельствует о том, что начался процесс с выделением такого количество тепла, которое частично компенсирует тепло, отводимое в окружающую среду. При температуре t2 выделение тепла идет настолько интенсивно, что компенсирует потери в окружающее пространство полностью.
В данном случае при температуре t1 начинается кристаллизация сплава, а при температуре t2 заканчивается. Эти температуры называются критическими температурами или критическими точками.
Рисунок 2 – Схема установки для построения кривых охлаждения 1 – нагревательное устройство; 2 – тигель; 3- термопара; 4 - гальванометр
| 
Рисунок 3 – Кривая охлаждения сплава
|
По данным таблице 1 строятся кривые охлаждения каждого сплава (рис. 5). Верхние точки кривых (1,1') соответствуют температурам начала затвердевания сплавов и называются температурами ликвидуса. Нижние точки (2,2') соответствуют температурам конца затвердевания и носят название температур солидуса.
При построении диаграммы состояния сплавов на планшет в координатах «температура – концентрация» наносятся значения критических температур для каждого исследуемого сплава (рис. 20, б). Затем соединяя точки начала кристаллизации получают линию ликвидус (СДЕ), а при соединении точек конца кристаллизации – линию солидус (FДК). Таким образом, линии ликвидус и солидус представляют собой семейство точек соответствующих началу и концу кристаллизации многочисленных сплавов с различным содержанием компонентов. Выше температур, образующих линию ликвидус все сплавы данной системы находятся в жидком состоянии, а ниже линии солидус – в твердом. При температурах между этими линиями сплавы находятся в полужидком состоянии, т.е. в жидком расплаве находятся твердые фазы.
Таблица 1 – Температуры начала и конца кристаллизации сплавов
| Номер сплава | Состав сплава | Температура кристаллизации | |
| Начала t1,°C | Конца t2, °C | ||
| I | 100% А | ||
| II | 90% А +10% В | ||
| III | 70% А + 30% В | ||
| IV | 60% А + 40% В | ||
| V | 40% А + 60% В | ||
| VI | 10% А + 90% В | ||
| VII | 100% В |
Следовательно, диаграмма показывает состояние сплава при любом соотношении содержания компонентов А и В и при любой температуре.
Диаграммы дают возможность определять, какую структуру будут иметь медленно охлажденные сплавы, а также решать вопросы термической обработки, выясняя возможно ли при ее выполнении изменение микроструктуры.
Рисунок 5 – Порядок построения диаграмм состояния: а – кривые охлаждения сплавов; б – диаграмма состояния двухкомпонентного сплава
Правило отрезков
В процессе кристаллизации при понижении температуры количество и концентрация фаз постоянно изменяются. Так сплав Н (рис. 6) при температуре выше t1 находится в однофазном жидком состоянии. При температуре ниже t1 из жидкого расплава начинают выделяться твердые кристаллы компонента А и сплав переходит в двухфазное состояние. При дальнейшем понижении температуры количество твердой фазы увеличивается в результате чего концентрация компонента А в жидкой фазе уменьшается, а компонента В повышается. При температуре t0 концентрация компонента А в жидкой фазе определяется проекцией точки в, т.е. отрезок Вв/ показывает максимальное количество компонента А в жидкой фазе при температуре t0.
Рисунок 5 – Диаграмма состояний двухкомпонентного сплава
При понижении температуры до t2 (точка 2) оставшийся жидкий сплав достигает эвтектической концентрации. Таким образом, при охлаждении сплава Н жидкая фаза изменяет свою концентрацию по линии 1вД, а выделяющиеся кристаллы компонента А имеют постоянный состав с концентрацией соответствующей вертикальной оси АС.
Для характеристики сплава чаще всего требуется не только качественное определение, но и количество его структурных составляющих. Для решения подобных задач используется правило отрезков коноды. Конодой называется горизонтальная линия ав (рис. 23) параллельная оси концентраций, проведенная внутри исследуемой двухфазной области СДК до пере сечения ее границ (точки а и в). Точка в граничит с областью жидкой фазы (ж), а точка а находится на вертикальной оси АС, соответствующей чистому компоненту А .
Следовательно, рассматриваемая двухфазная система включает жидкую фазу, состоящую из атомов компонентов А и В, в которой находятся кристаллы компонента А. Спроектировав точку в на ось концентраций, можно определить состав жидкой фазы при данной температуре. Так в сплаве Н при t0 в жидкой составляющей имеется в наличии 60 % компонента А и 40 % компонента В.
Для определения количества твердой фазы необходимо взять отношение части коноды, примыкающей к области жидкой фазы, к длине всей коноды, а для определения количества жидкой части сплава – отношение отрезка коноды, примыкающей к твердой фазе, к длине всей коноды.
Правило отрезков применимо для любых температур и любых двухфазных областей диаграмм состояний. Например, сплав М, содержащий (точка м/) 20 % компонента А и
80 % компонента В при температуре tк состоит из эвтектики (точка m) и кристаллов компонента В (точка n). Количество эвтектики находится из выражения:
Эвт [А+В] = (kn/mn)∙100%
а количество компонента В из отношения:
В =(mk/mn)∙100%.
Отчет по практической работе должен содержать:
1. Цель работы
2. Теоретическую часть
2. Расчетную часть
5. Выводы
Варианты заданий
| № варианта | Молярное содержание компонента В, % | Температура кристаллизации | |
| Начала t1,°C | Конца t2, °C | ||
| 47,5 | |||
| 66,5 | |||
| 81,5 | |||
| 33,3 | |||
| 62,4 | |||
| 49,4 | |||
| 33,3 | |||
| 76,3 | |||
| 21,3 | |||