ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 3
ВИВЧЕННЯ ДІАГРАМ СТАНУ ПОДВІЙНИХ СПЛАВІВ
Мета лабораторної роботи:
При виконанні даної роботи студент повинен чітко засвоїти суть різних типів діаграм, розуміти значення ліній та точок цих діаграм, а також поняття критичних точок. Крім того, треба навчитися будувати криві охолодження сплавів по діаграмам будь-якого типу, розуміти суть перетворень, які відбуваються при охолодженні сплавів, та структур, які отримаються при цьому. Студент також повинен вміти застосовувати правило фаз для перевірки правильності побудови кривих охолодження та правило відрізків при визначені складу та кількості рідини та твердої фази.
Завдання лабораторної роботи:
Після виконання лабораторної роботи студент повинен вільно володіти знаннями побудови діаграм стану та кривих охолодження різних сплавів, набути практичних навичок використання діаграм стану подвійних сплавів для визначення структури сплавів при будь-якій температурі.
Стислі теоретичні відомості
При нагріванні або охолодженні в металах та сплавах проходять внутрішні перетворення, які приводять до змінення будови, мікроструктури та механічних властивостей. Ці перетворення в кожному металі або сплаві проходять при визначеній температурі, яка зветься критичною точкою. На основі цих температур будуються діаграми стану сплавів. Для визначення критичних точок використовуються декілька методів, головним з яких являється термічний аналіз, який дозволяє визначити, як з перебігом часу змінюється швидкість охолодження сплаву.
Для побудови діаграм стану подвійних сплавів застосовується цілий ряд сплавів різної концентрації і за допомогою термічного аналізу визначаються критичні точки цих сплавів. Потім будуються криві охолодження з координатами: вісь горизонтальна – час, вісь вертикальна – температура. Криві охолодження показують, як знижується температура сплавів з плином часу та як проходить кристалізація сплавів. Начало кристалізації характеризується перегином на кривій охолодження або уповільненням швидкості охолодження. Закінчення кристалізації також характеризується критичними точками. Кристалізація чистих металів, а також механічних сумішей проходить при постійній температурі, що на кривій охолодження характеризується горизонтальною площинкою.
Після будови всіх кривих охолодження будують діаграму стану даної системи. Діаграма стану подвійного сплаву це графік, який будується в координатах: вісь горизонтальна – концентрація компонентів, вісь вертикальна – температура. Всі точки начала та кінця кристалізації на кривих охолодження з’єднують суцільними плавними лініями. Одержана лінія начала кристалізації називається лінією ліквідусу, а лінія кінця кристалізації – лінією солідусу. Крайня ліва точка відповідає 100% концентрації компонента А і 0% компонента В. Крайня права точка відповідає 100% концентрації компонента В і 0% концентрації компонента А. Таким чином, по горизонталі відкладається концентрація компонента В, а кількість компонента А визначається з різниці 100% - % В. Кожна точка усередині діаграми визначає стан сплаву при даній температурі.
Вертикальна лінія, яка відповідає будь-якій концентрації сплаву та проводиться через усю діаграму, називається лінією сплаву. Вона характеризує змінення мікроструктури сплаву при охолодженні його від температури плавлення до кімнатної.
Кристалізація сплавів проходить в інтервалі температур між лініями ліквідусу та солідусу. Нижче лінії солідусу всі сплави знаходяться в твердому стані, а вище лінії ліквідусу – в рідкому.
Існує декілька типів діаграм стану подвійних сплавів. В цих системах в рідкому стані всі компоненти необмежено розчиняються один в одному, утворивши однорідну рідку фазу. В твердому стані компоненти можуть:
• не розчинятися один в одному, утворюючи просту механічну суміш;
• повністю розчинятися, утворюючи безперервний ряд твердих розчинів;
• обмежено розчинятися, утворюючи обмежені тверді розчини, а також евтектику та перитектику;
• утворювати хімічні сполуки (стійкі та нестійкі);
• зазнавати поліморфні перетворення.
При аналізі діаграм стану в першу чергу треба визначити, що утворюють компоненти в системі та до якого типу діаграм належить задана. При знаходженні критичних точок для заданого сплаву треба провести лінію сплаву та знайти точки перетину її з лініями діаграми. Визначивши температури критичних точок, можна побудувати криву охолодження сплаву. Правильність будови кривих охолодження перевіряється правилом фаз, яке установлює залежність між числом ступіней вільності та числом фаз в системі. Ця залежність виражається формулою:
С = К + Р - Ф,
де С – число ступіней вільності;
К – число компонентів в системі;
Р – число зовнішніх факторів;
Ф – число фаз в системі.
В якості зовнішніх факторів враховуються тиск та температура. Для металів та їх сплавів тиск не чинить значного впливу на змінення мікроструктури (за виключенням дуже високого), тому для металічних сплавів використовується інша формула:
С = К + 1 - Ф
Виходячи з цього правила, в двохкомпонентній системі не може бути більше трьох фаз в рівновазі, а на діаграмі стану в одній точці не може сходитися більше трьох ліній.
Число ступіней вільності показує число можливих змінень зовнішніх факторів без змінення стану системи або без змінення числа фаз в системі.
Фаза – це однорідна частина системи, яка має постійний склад, будову та властивості, а також межу розділу з іншими фазами.
В подвійних системах фазами можуть бути рідкі розчини, тверді розчини, хімічні сполуки та чисті компоненти. Механічні суміші не являються фазами, а представляють собою суміш двох фаз.
При кристалізації рідкого сплаву в інтервалі температур склад та кількість фаз змінюється. Для визначення кількості та складу фаз при даній температурі застосовують правило відрізків.
Правило відрізків дозволяє визначити концентрацію рідкої та твердої фази при заданій температурі, а також кількість рідини, яка ще не затверднена, та кількість твердої фази, яка вже утворилась.
Для цього через задану температурну точку на лінії сплаву треба провести каноду (або ізотерму), яка паралельна вісі абсцис до перетинання з лініями ліквідусу та солідусу заданого сплаву. Тоді точка перетину каноди з лінією ліквідусу визначить склад рідкої фази, а точка перетину каноди з лінією солідусу визначить склад твердої фази. Концентрація цих фаз визначається на вісі абсцис в %.
Кількість фаз обернено пропорційна відрізкам, на які лінія сплаву ділить каноду. Якщо кожен відрізок поділити на довжину всього відрізку, то це і буде кількість фаз при даній температурі. Кількість визначається в %. Тож в сумі кількість двох фаз складає 100%.
Порядок виконання роботи:
1. Накреслити діаграму подвійного сплаву системи відповідно з варіантом завдання.
2. Визначити тип діаграми та описати її лінії та точки.
3. Провести лінію сплаву згідно з варіантом завдання.
4. Визначити критичні точки заданого сплаву і побудувати криву охолодження.
5. Перевірити правильність побудови кривої охолодження по правилу фаз, для чого визначити число ступіней вільності для кожної гілки кривої.
6. Описати перетворення, які проходять в заданому сплаві, від точки плавлення до кімнатної температури.
7. При температурі, обумовленій варіантом завдання, визначити склад та кількість рідкої та твердої фази в заданому сплаві, використовуючи правило відрізків.
8. Замалювати мікроструктуру заданого сплаву при кімнатній температурі та описати структурні складові, які в неї входять.
