Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
534.doc
Скачиваний:
33
Добавлен:
30.04.2022
Размер:
56.92 Mб
Скачать

Лабораторная работа №2 исследование двойных диаграмм состояния

Цель работы: ознакомление студентов с диаграммами состояния бинарных систем, методами их построения и анализа.

Оборудование и материалы: компоненты для приготовления сплавов, технические весы, тигли, печь, термопары, самопищущий потенциометр, диаграммы состояния.

1. Теоретическое введение

1.1. Правило фаз Гиббса

Системой называется отдельный сплав, образованный данными компонентами. Системы могут быть гомогенными, состоящими из одной фазы или гетерогенными, состоящими из нескольких фаз. Системы могут находиться в равновесном или неравновесном состоянии.

Фазой называется однородная часть сплава (системы) с определёнными свойствами, отделённая от других частей сплава (системы) границей раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачком.

Закономерность изменения числа фаз в системе определяется фундаментальным правилом фаз Гиббса:

С = К – Ф + n, (2.1)

где С – число степеней свободы (вариантность); К – количество компонентов в сплаве; Ф – число фаз в сплаве; n – число внешних факторов, влияющих на равновесие. Обычно n = 2 – это давление и температура и правило фаз Гиббса записывается в виде:

C = К – Ф + 2 (2.2)

Для двойных систем число компонентов К=2, изменениями атмосферного давления можно пренебречь, поэтому правило фаз Гиббса запишется

С = 3 – Ф (2.3)

1.2. Термический анализ. Двойные диаграммы

Диаграммой состояния называется графическое изображение состояния сплавов в координатах температура – концентрация, которое позволяет определить фазовый состав и структуру любого сплава при любой температуре в условиях равновесия.

Реальные диаграммы состояния построены методом термического анализа по кривым охлаждения сплавов. В процессе медленного охлаждения сплавов от температуры плавления до комнатной на кривых охлаждения в координатах температура – время регистрируют критические точки начала и конца соответствующих превращений. Диаграмма состояния получается путём соединения плавными линиями точек начала и конца превращений в координатах состав-температура (рис.2.1).

Рис. 2.1. Построение диаграмм состояния по критическим точкам кривых охлаждения сплавов

1.2.1. Правило рычагов (отрезков)

Для определения концентрации (химического состава) фаз в двухфазных областях необходимо провести горизонтальную линию – коноду (отрезок аб на рис. 2.2), соответствующую выбранной температуре до пересечения с линиями диаграммы, ограничивающими данную двухфазную область. На рис. 2.2,а показан участок диаграммы с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. На рис. 2.2,б показан участок диаграммы с образованием химического соединения A mB n.

Рис. 2.2. Определение химического состава и массы фаз

Проекции точек пересечения концов а и в коноды с линиями диаграммы на ось концентрации определяют химический состав соответствующих фаз (точки а´ и в´`). Процентное содержание фаз Qt в двухфазной области при заданной температуре и для данного состава сплава определяется по правилу отрезков (рычагов). Согласно которому процентное содержание фаз прямо пропорционально длинам соответствующих отрезков коноды (рис. 2.2). Часть коноды, примыкающая к линии солидуса (линии другого фазового превращения) определяет долю жидкой фазы в сплаве, а часть коноды примыкающая к линии ликвидуса (линии другого фазового превращения) определяет долю кристаллов в сплаве:

Qtж I = 100% ; Qtα I = 100% ; (рис. 2.2,а)

Qtγ II = 100% ; QtAmBn II = 100%. (Рис. 2.2,б) (2.4)

1.2.2. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

На рис. 2.3 показана диаграмма с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Это самая простая из двойных диаграмм. На диаграмме присутствуют всего две фазы – это жидкость и α-твердый раствор. α-твердый раствор – это раствор с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии, то есть это твердый раствор компонента А в компоненте В и наоборот, твердый раствор компонента В в компоненте А в зависимости от того, какого из компонентов больше в составе сплава и, соответственно, какой из компонентов выступает в качестве растворителя.

Рис. 2.3. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Диаграмма состоит всего из двух линий. Линия ТплА, t1плВ – линия ликвидуса (выше линии ликвидуса только жидкий сплав) и линия ТплА, t5плВ – линия солидуса (ниже линии солидуса только твердый сплав). Между линиями ликвидуса и солидуса находится как жидкость, так и кристаллы твердого сплава.

Рассмотрим процесс кристаллизации из жидкого состояния сплава состава 1. Вертикальная линия, проведенная на диаграмме (пунктирная линия 1 на рис. 2.3) это линия состава. Состав сплава в процессе любых превращений остается неизменным.

Если понизить температуру жидкого сплава состава 1 до линии ликвидуса точка t1 (температура t1) на рисунке то при этой температуре в сплаве начинается процесс кристаллизации и в жидкости появляются первые кристаллы α-твердого раствора. При этом в соответствии с правилом рычагов доля кристаллов в сплаве равна нулю, кристаллизация только начинается.

При дальнейшем понижении температуры от t1 к t2, t3, t4 доля кристаллов сплаве постоянно растет (в соответствии с правилом рычагов отрезки mt2, m1t3, m2t4, m3t5), а доля жидкость уменьшается (отрезки t2n1, t3n2, t4n3). Наконец при температуре t5, соответствующей линии солидуса, доля жидкости становится равной нулю и процесс кристаллизации заканчивается.

Важно отметить, что коноды – горизонтальные отрезки t1n, mt2n1, m1t3n2, m2t4n3, m3t5, на рис. 2.3 – не только позволяют определить количество жидкой и твердой фаз в сплаве, но и составы жидкой и твердой фаз при любой температуре. Точка пересечения коноды с линией ликвидуса определяет состав жидкой фазы при температуре соответствующей данной коноде. Аналогично состав твердой фазы определяется точкой пересечения коноды с линией солидуса при температуре соответствующей данной коноде. Для определения состава жидкой или твердой фаз необходимо из точки пересечения коноды с линией ликвидуса или солидуса опустить перпендикуляр на горизонтальную ось состава. То есть в процессе понижения температуры состав жидкой фазы меняется по линии ликвидуса, а состав твердой фазы – по линии солидуса. Изменение составов жидкой и твердой фаз происходит в двухфазной области между линиями ликвидуса и солидуса.

Не трудно видеть, что в процессе понижения температуры от t1 до t5 сплав обедняется компонентом В, то есть состав жидкости отклоняется от линии состава сплава 1 (пунктирная линия) влево по оси состава. Состав твердой фазы – кристаллов α-твердого раствора в процессе понижения температуры напротив обогащается компонентом В, то есть состав твердой фазы отклоняется от линии состава сплава 1 (пунктирная линия) вправо по оси состава и при температуре t5 соответствующей окончанию процесса кристаллизации кристаллы α-твердого раствора соответствуют по составу сплаву.

1.2.3. Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы и эвтектику

На рис. 2.4 показана диаграмма состояния сплавов образующих ограниченные твердые растворы и эвтектику.

Рис. 2.4. Диаграмма состояния сплавов образующих ограниченные твердые растворы и эвтектику

Фазы имеющиеся на данной диаграмме: жидкая фаза; α-твердый раствор – это твердый раствор компонента В в компоненте А; β-твердый раствор – это твердый раствор компонента А в компоненте В.

Линии: асв – линия ликвидуса; аdeв – линия солидуса; dce – линия эвтектического превращения; df – линия предельной растворимости компонента В в компоненте А или линия предельной концентрации α-твердого раствора; ek – линия предельной растворимости компонента А в компоненте В или линия предельной концентрации β-твердого раствора.

Рассмотрим процесс кристаллизации из жидкого состояния сплава состава 3 на рис.2.4. При температуре t1 линия состава сплава достигает линии ликвидуса и начинается процесс кристаллизации жидкой фазы с выделением кристаллов β-твердого раствора. В момент достижения линии ликвидуса, в соответствии с правилом рычагов, количество кристаллов β-твердого раствора равно нулю, а сплав полностью состоит из жидкой фазы. При дальнейшем понижении температуры от t1 до tэ доля жидкой фазы уменьшается а доля кристаллов растет и при температуре эвтектического превращения – tэ устанавливается окончательное соотношение между жидкой и кристаллической фазами (рис. 2.4). Как было сказано ранее, состав жидкой фазы в процессе понижения температуры от t1 до tэ меняется по линии ликвидуса и при температуре эвтектического превращения жидкость будет иметь состав точки с. Состав твердой фазы – кристаллов β-твердого раствора меняется по линии солидуса и при температуре эвтектического превращения кристаллы β-твердого раствора будут иметь состав точки е. При температуре эвтектического превращения имеются: жидкость состава точки с и кристаллы β-твердого раствора состава точки е в соотношении определяемом правилом рычагов (рис. 2.4).

Кристаллы β-твердого раствора состава точки е при эвтектической температуре ни каких превращений не испытывают, а жидкость состава точки с при температуре tэ испытывает эвтектическое превращение по реакции:

Продукт эвтектической реакции αd + βe представляет собой смесь двух фаз и называется эвтектикой. Эвтектика – это мелкокристаллическая механическая смесь двух фаз.

Точка с это тройная точка на диаграмме так как в этой точке одновременно сосуществуют три фазы: жидкость, кристаллы α-твердого раствора и кристаллы β-твердого раствора. То есть система нонвариантна и равновесие в такой системе может существовать только при строго определенной температуре и строго определенных составах всех трех фаз, находящихся в равновесии.

Для записи эвтектической реакции необходимо помнить, что реакция идет в точке с. Над точкой с на диаграмме находится только жидкость, следовательно, жидкость состава точки с – это исходное вещество. Продукты реакции определяются на линии эвтектического превращения dce. Точка d этой линии упирается в однофазную область α-твердого раствора, а точка е упирается в однофазную область β-твердого раствора. Следовательно продуктами реакции являются: α-твердый раствор состава точки d и β-твердый раствор состава точки е.

При температуре эвтектического превращения, после полного завершения эвтектической реакции, сплав состоит: из эвтектики и крупных кристаллов β-твердого раствора, которые выделились из жидкости в процессе ее охлаждения от температуры t1 до tэ.

Однако в области под линией эвтектического превращения на диаграмме кроме перечисленных составных частей сплава присутствуют еще и кристаллы αIIα-твердого раствора вторичные. Вторичные кристаллы α-твердого раствора появляются в сплаве из-за понижения растворимости компонента А в β-твердом растворе в соответствии с линией ek – линией предельной растворимости компонента А в компоненте В или линией предельной концентрации β-твердого раствора. С понижением температуры ниже температуры эвтектического превращения при которой концентрация компонента А в β-твердом растворе максимальна, растворимость компонета А в β-твердом растворе понижается в соответствии с линией ek. Для понижения концентрации компонента А в β-твердом растворе при понижении температуры необходимо, чтобы компонент А выходил из β-твердого раствора. Но выделение компонента А из β-твердого раствора может происходить только в виде кристаллов α-твердого раствора, так как фаза чистого компонента А на диаграмме отсутствует. Следовательно вторичные кристаллы α-твердого раствора появятся в сплаве в процессе понижения температуры ниже эвтектической в результате распада пересыщенного β-твердого раствора с выделением из него кристаллов α- твердого раствора вторичных – αII. Чем ниже температура, тем выше доля кристаллов αII.

При температуре эвтектического превращения после полного затвердевания жидкости сплав состоит из эвтектики и кристаллов β-твердого раствора состава точки е. Однако при понижении температуры ниже температуры эвтектического превращения в сплаве появляются кристаллы αIIα- твердого раствора вторичные в результате распада пересыщенного β-твердого раствора. Окончательно сплав состоит из эвтектики, кристаллов β-твердого раствора и кристаллов α- твердого раствора вторичных, в соответствии с диаграммой рис. 2.4.

Если рассмотреть процесс охлаждения сплава эвтектического состава – состава точки с, то в результате его кристаллизации образуется только эвтектика.

Чем ближе состав сплава к точке с, тем больше доля эвтектики и меньше доля β(α)-кристаллов. Чем дальше состав сплава от точки с, тем меньше доля эвтектики и больше доля β(α)-кристаллов, в соответствии с правилом рычагов.

Во всех случаях, когда линия состава сплава пересекает линию эвтектического превращения, в составе сплава будет присутствовать эвтектика.

Для сплавов, состав которых лежит левее точки с, полностью справедливы все рассуждения приведенные выше.

Рассмотрим сплав 2 рис.2.4. По достижении температуры, отвечающей точке пересечения линии ликвидуса и линии состава сплава, начинается кристаллизация α-твердого раствора из жидкости. В данном случае процесс кристаллизации протекает аналогично сплавам с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. При достижении температуры отвечающей точке пересечения линии солидуса и линии состава сплава, процесс кристаллизации полностью заканчивается и сплав состоит только из кристаллов α-твердого раствора. При дальнейшем охлаждении никаких изменений не происходит вплоть до достижения температуры отвечающей точке пересечения линии df и линии состава сплава. Начиная с этой температуры α-твердый раствор распадается с выделением кристаллов βIIβ-твердого раствора вторичных. Причина распада кристаллов α-твердого раствора обсуждалась ранее.

Что касается сплава состава 1 рис. 2.4, то тут все совсем просто. Так как линия состава сплава не пересекает линию df, то после окончания кристаллизации жидкости со сплавом ничего не происходит в процессе его охлаждения.

Приведенные рассуждения полностью применимы для правой части диаграммы в соответствующих областях.

1.2.4. Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы и перитектику

На рис. 2.5 показана диаграмма состояния сплавов образующих ограниченные твердые растворы и перитектику.

Фазы: жидкость; β-твердый раствор – это твердый раствор компонента А в компоненте В; α-твердый раствор – это твердый раствор компонента В в компоненте А.

Линии: асв – линия ликвидуса; аdев – линия солидуса;

На данной диаграмме нет ничего принципиально нового за исключением линии сdf – линии перитектического превращения. Перитектическое превращение происходит на линии сdf в точке d. Для записи перитектической реакции запишем фазы, находящиеся над точкой d – это исходные вещества, непосредственно под точкой d располагается фаза, которая является продуктом реакции. Составы фаз, находящихся в равновесии в тройной точке диаграммы d, определяются на линии перитектического превращения сdf. Точка с – определяет состав жидкой фазы, точка е – состав β-твердого раствора, а точка d – состав α-твердого раствора при температуре перитектического превращения.

Рис. 2.5. Диаграмма состояния сплавов образующих ограниченные твердые растворы и перитектику

Перитектическая реакция для сплава состава точки d запишется:

Жс + βе = αd. (2.6)

Важно отметить, что в результате перитектического превращения образуется одна фаза, в данном случае α-твердый раствор.

Запишем перитектическую реакцию на отрезке сd. В соответствии с ранее введенным правилом:

Жс + βе = Жс + αd. (2.7)

В данном случае имеется избыток жидкости по отношению к сплаву состава точки d. Избыточная часть жидкости не вступает в реакцию и появляется в правой части уравнения (2.7).

Запишем перитектическую реакцию на отрезке dе. В соответствии с ранее введенным правилом:

Жс + βе = βе + αd. (2.8)

В данном случае имеется избыток β-твердого раствора по отношению к сплаву состава точки d. Избыточная часть β-твердого раствора не вступает в реакцию и появляется в правой части уравнения (2.8).

1.2.5. Диаграмма состояния сплавов образующих, твердые растворы с неограниченной растворимостью, один из компонентов которых имеет две полиморфные модификации

Данная диаграмма показана на рис. 2.6.

Компонент А при температуре ТпА испытывает полиморфное превращение, которое заключается в смене типа кристаллической решетки. Ниже температуры Тп.А существует А α – низкотемпературная полиморфная модификация компонента А. Выше температуры Тп.А существует А β – высокотемпературная полиморфная модификация компонента А.

Фазы: жидкость; β-твердый раствор – это твердый раствор с неограниченной растворимостью компонентов, то есть это твердый раствор компонента В в компоненте А в β-модификации и наоборот, твердый раствор компонента А в компоненте В в зависимости от того, какого из компонентов больше в составе сплава и, соответственно, какой из компонентов выступает в качестве растворителя; α-твердый раствор – это твердый раствор компонента В в компоненте А в α-модификации.

Верхняя часть диаграммы была рассмотрена ранее, поэтому рассмотрим только нижнюю часть диаграммы.

Линии: ас – линия начала распада β-твердого раствора с образованием α-твердого раствора. Так как β-твердый раствор и α-твердый раствор имеют различные кристаллические решетки, то это также линия начала полиморфного превращения; ав - линия конца распада β-твердого раствора с образованием α-твердого раствора. Так как β-твердый раствор и α-твердый раствор имеют различные кристаллические решетки, то это также линия конца полиморфного превращения.

Рис. 2.6. Диаграмма состояния сплавов образующих твердые растворы с неограниченной растворимостью один из компонентов, которых имеет две полиморфные модификации

В области существования β-твердого раствора для компонента В и компонента А в β-модификации выполнены условия образования твердых растворов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии. А именно: компоненты имеют одинаковые по типу (изоморфные) кристаллические решетки; различие в размерах атомов незначительно < 15%; атомы компонентов имеют близкое строение внешней электронной оболочки.

Если произойдет полиморфное превращение компонента А и его переход в α-модификацию, то условие изоморфности кристаллических решеток компонентов будет нарушено и существование неограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии станет невозможным. Именно этот факт и отражен на диаграмме (рис. 2.6).

Процесс распада твердого раствора идет в интервале температур и сопровождается диффузионным перераспределением компонентов между фазами.

1.2.6. Диаграмма состояния сплавов, у которых высокотемпературные полиморфные модификации компонентов образуют твердые растворы с неограниченной растворимостью, а низкотемпературные имеют ограниченную растворимость.

Данная диаграмма показана на рис. 2.7.

Рассмотрим полиморфные превращения чистых компонентов А и В.

ТпА – температура полиморфного превращения чистого компонента А. При температуре ТпА происходит смена типа кристаллической решетки чистого компонента А. Ниже температуры ТпА существует А αα-модификация чистого компонента А. Выше температуры ТпА существует А ββ-модификация чистого компонента А вплоть до температуры плавления ТплА чистого компонента А.

ТпВ – температура полиморфного превращения чистого компонента В. При температуре ТпВ происходит смена типа кристаллической решетки чистого компонента В. Ниже температуры ТпВ существует В αα-модификация чистого компонента В. Выше температуры ТпВ существует Вββ-модификация чистого компонента В вплоть до температуры плавления ТплВ чистого компонента В.

На базе полиморфных модификаций компонентов А и В образуются соответствующие твердые фазы.

Фазы присутствующие на диаграмме: жидкость; β-твердый раствор – это твердый раствор с неограниченной рас-

Рис. 2.7. Диаграмма состояния сплавов, у которых высокотемпературные полиморфные модификации компонентов образуют твердые растворы с неограниченной растворимостью, а низкотемпературные имеют ограниченную растворимость

творимостью компонентов, то есть это твердый раствор компонента В в компоненте А в β-модификации и наоборот, твердый раствор компонента А в компоненте В в β-модификации в зависимости от того, какого из компонентов больше в составе сплава и, соответственно, какой из компонентов выступает в качестве растворителя; α-твердый раствор – это твердый раствор компонента В в компоненте А в α-модификации; α′-твердый раствор – это твердый раствор компонента А в компоненте В в α-модификации.

Верхняя часть диаграммы с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии уже была рассмотрена ранее поэтому остановимся на нижней части диаграммы, а именно на превращениях β-твердого раствора.

Линии: асв – линия начала распада β-твердого раствора или линия начала полиморфного превращения; аdсев – линия конца распада β-твердого раствора или линия окончания полиморфного превращения; асе – линия эвтектоидного превращения; df – линия предельной растворимости компонента В в компоненте А в α-модификации или линия предельной концентрации α-твердого раствора; ek – линия предельной растворимости компонента А в компоненте В в α-модификации или линия предельной концентрации α′-твердого раствора.

Если сравнить диаграмму состояния сплавов образующих ограниченные твердые растворы и эвтектику (рис. 2.4) с диаграммой, представленной на рис. 2.7, то они внешне практически полностью идентичны друг другу. Мало того, и суть превращений происходящих на этих диаграммах также одинакова, за исключением того, что на диаграмме, показанной на рис. 2.4, превращения происходят из жидкости, а на диаграмме, показанной на рис. 2.7 из твердого состояния. По этой причине данная диаграмма на будет рассматриваться подробно.

Остановимся на линии асе и новой области, выделенной пунктиром и заштрихованной вса′.

На линии асе происходит эвтектоидное превращение в соответствии с реакцией:

Продуктом превращения является эвтектоид – двухфазная механическая смесь кристаллов α- и α′-твердых растворов.

Область вса′ - это область квазиэвтектоида.

Квазиэвтектоид – эвтектоид, образующийся в до- и заэвтектоидных сплавах, по химическому составу близких к эвтектоидной точке в условиях переохлаждения, когда кристаллы, выделение которых предшествует эвтектоидной реакции, не обособляются в самостоятельную, структурную составляющую. Квазиэвтектоид имеет пластинчатое строение, тем более тонкое, чем больше степень переохлаждения.

Если распад твердого раствора происходит в условиях больших степеней переохлаждения, то с повышением степени переохлаждения уменьшается количество избыточных фаз α и α′ и увеличивается количество эвтектоида отличающегося по составу от точки с рис. 2.7.

1.2.7. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых образуют химическое соединение, ограниченные твердые растворы и эвтектику

Данная диаграмма показана на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Диаграмма состояния сплавов компоненты, которых образуют химическое соединение, ограниченные твердые растворы и эвтектику

Не трудно видеть, что диаграмма распадается на две части, полностью аналогичные друг другу (от точки а до точки е и от точки е до точки в). Каждая из двух частей может быть рассмотрена как отдельная диаграмма с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и эвтектикой. Подобного рода диаграммы были рассмотрены в разделе 1.2.3.

Область lpepm – это область гомогенности химического соединения АnВm. В этой области существует химическое соединение АnВm состав, которого, как видно из рис. 2.8, может несколько отличаться от стехиометрического.

1.3. Диаграммы Курнакова

Механические и физические свойства сплавов сильно зависят от их фазового состава, который может быть определен в условиях равновесия по диаграмме состояния. Для систем с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии твердость, удельное электросопротивление, коэрцитивная сила и ряд других свойств всегда выше, чем для исходных компонентов, образующих сплав. Например, при растворении в железе до 2% кремния и марганца его прочность повышается в два раза при снижении пластичности на 10%; растворение 5% алюминия в меди также в два раза повышает прочность последней без снижения пластичности; растворение в железе до 30% никеля понижает точку Кюри до комнатных температур, а 13% хрома делает сталь нержавеющей.

Связь между диаграммами состояний и диаграммами свойств (диаграммами Курнакова) представлена на рис. 2.9. Сплавы на базе твердых растворов лучше обрабатываются давлением, чем резанием. Литейные свойства твердых растворов низкие. Наилучшей жидкотекучестью и низкой склонностью к усадке обладают эвтектические сплавы. Механические свойства (твердость, прочность) и электросопротивление электрических сплавов занимают промежуточное положение меж- ду аналогичными свойствами чистых компонентов и фаз, образующих механическую смесь, но такие сплавы плохо обрабатываются давлением.

Рис. 2.9. Диаграммы состояния состав-свойство (диаграммы Курнакова)

Такие фазы, как карбиды, нитриды, бориды, оксиды, металлические соединения имеют, в общем случае, свойства, резко отличающиеся от свойств компонентов, их образующих, и, как правило, обладают высокими твердостью, хрупкостью, износостойкостью и температурами плавления. Их присутствие в структуре сплава повышает твердость и электросопротивление, снижая магнитную проницаемость и пластичность. Связь структуры сплава с его свойствами определяет важность знания строения сплава и умения управлять фазовым составом.

1.4. Описание лабораторной установки термического анализа

Лабораторная установка для снятия кривых охлаждение сплавов включает элементы, указанные на рис. 2.10. Навески сплавов различного состава (количество их определяется ожидаемой (прогнозируемой) степенью сложности диаграммы) помещаются в тигли 2, устанавливаемые в печь 1 для перевода навесок в жидкое состояние 3. Горячие спаи 4 термопар 5 помещаются в расплавы, а холодные 6 присоединены ко входу многоточечного самопишущего потенциометра 7, который записывает кривые охлаждения.

Процесс построения диаграмм состояния по критическим точкам кривых охлаждения представлен на рис. 2.1. Рассмотрим применение правила фаз Гиббса при построении и анализе кривых охлаждения. Если С = 1 система моновариантная. Это означает, что данное превращение осуществляется в диапазоне температур в двухфазной области, причём число фаз в сплаве (системе) не изменится при изменении температуры в этом диапазоне. Если С = 0 – система нонвариантная или безвариантная, это означает трёхфазное равновесие при постоянной температуре, и здесь нельзя изменить температуру, не изменив числа фаз в системе. Трёхфазным состояниям сплава на кривой охлаждения соответствуют остановки изменения температуры во времени, то есть появляются площадки. Если С > 1 – система многовариантная.

При анализе различных диаграмм состояния необходимо

Рис. 2.10. Блок-схема установки для термического анализа сплавов

использовать правило фаз Гиббса. Причём конкретные реальные диаграммы состояния двойных, тройных и других сплавов анализируются по признакам типовых диаграмм.

2. Задание

1. Ознакомьтесь с устройством и работой оборудования и приборов для построения кривых охлаждения сплавов.

2. Приготовьте навески сплавов системы Zn – Sn, получите их расплавы и постройте кривые охлаждения.

3. Объясните все превращения в исследуемых сплавах при охлаждении и нагреве.

4. По кривым охлаждения сплавов (по критическим точкам) постройте диаграмму состояния системы Zn – Sn.

5. Пользуясь правилом фаз Гиббса, постройте в координатах температура – время кривые охлаждения для выбранно-

го вами сплава на диаграмме железо-цементит.

6. По заданной температуре в двухфазной области найдите химический состав и массу сосуществующих фаз.

7. Составьте отчет.

3. Содержание отчета

1. Краткое описание оборудования и назначения термического анализа.

2. Описание особенностей процесса кристаллизации чистых металлов и сплавов.

3. Понятие о кривых охлаждения и диаграммах состояния сплавов.

4. Экспериментальные кривые охлаждения и их объяснение.

5. Экспериментальные диаграммы состояния и их анализ.

6. Выводы.

4. Контрольные вопросы

1. Определение диаграммы состояния сплавов.

2. Компонент, фаза, число степеней свободы, термодинамическая система.

3. Правило фаз Гиббса.

4. Нонвариантные, моновариантные и многовариантные системы.

5. Поясните известные вам типы диаграмм состояния двойных сплавов.

6. Что позволяет определить диаграмма состояния?

7. Коноды.

8. Правило рычагов (отрезков).

9. Диаграммы Курнакова.

10. Что означают «критические точки на кривых охлаждения»?

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]