Процесс кристаллизации сплавов

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

ПОСТРОЕНИЕ И АНАЛИЗ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ

Цель работы

Ознакомиться с методиками проведения термического анализа сплавов и экспериментального построения диаграмм состояния.

Задание

1. Произвести термический анализ Pb-Sn сплава с различным соотношением компонентов.

2. Определить значения критических температур для каждого исследуемого сплава.

3. Построить приближенную диаграмму состояния для свинцово-сурьмянистых сплавов.

4. Изучить правила фаз и отрезков.

Основные сведения

Сплавы - это сложные вещества, полученные сплавлением двух и более копонентов.

Строение сплава зависит от того, в какие взаимодействия всту­пают компоненты, образующие сплав. В связи с этим могут быть образованы три вида сплавов: механические смеси, твердые растворы. и химические соединения.

Сплав системы Pb - Sn относится к сплавам типа "механические смеси". Механическая смесь образуется тогда, когда компоненты, образующие сплав, взаимно растворимы в жидком состоянии, не растворимы в твердом состоянии и не образуют химических соеди­нений.

Диаграммы состояния и кристаллизация металлических сплавов. Методы построения диаграмм состояния. Правило фаз Гиббса

 

Диаграммы состояния

 

Диаграммы состояния, или диаграммы фазового равновесия в удобной графической форме показывают фазовый состав сплава в зависимости от температуры и концентрации. Диаграммы состояния строят для условий равновесия (окончательное состояние). Равновесное состояние соответствует минимальному значению свободной энергии. Это состояние может быть достигнуто только при очень малых скоростях охлаждения или длительном нагреве. Однако истинное равновесие достигается редко, наиболее часто системы находятся в метастабильном состоянии (неустойчивом), и под воздействием внешних факторов могут переходить в другие более устойчивые состояния. Метастабильные состояния нередко сообщают сплавам высокие механические и другие свойства.

 

Правило фаз

 

Диаграммы фазового равновесия характеризуют окончательное состояние сплавов, то есть после того как все превращения в них произошли и полностью закончились. Это состояние зависит от внешних условий (Т⁰ С; Р, МПа) и характеризуется числом и концентрацией образовавшихся фаз. Закономерность изменения числа фаз в гетерогенной системе определяется правилом фаз.

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением

 

С = К - Ф + 2,

 

где С - число степеней свободы системы (или вариантность);

К - число компонентов, образующих систему;

2 - число внешних факторов (Т и Р);

Ф - число фаз, находящихся в равновесии.

Под числом степеней свободы (вариантностью системы) понимают возможность изменения температуры, давления и концентрации без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.

При нормальных условиях изменяется только один фактор -Т⁰С, Р =const, тогда:

 

С=К - Ф + 1.

 

Число степеней свободы не может быть меньше нуля, тогда К-Ф+1>0, а Ф<К+1, то есть число фаз в сплаве, не может быть больше чем число компонентов плюс единица. Таким образом, в двойной системе может быть не более трёх фаз.

При С = 0 - существует в равновесии сразу три фазы - имеется нонвариантное равновесие (безвариантное). При таком равновесии сплав может существовать только при условии - постоянная температура и определённый состав всех фаз, находящихся в равновесии. То есть кристаллизация (или превращение) начинается и заканчивается при постоянной температуре. Если С =1 или 2, то кристаллизация или превращение протекает с течением времени в интервале температур.

 

Процесс кристаллизации сплавов

 

В жидком состоянии большинство металлов неограниченно растворяется друг в друге, образуя однородный раствор (исключение: Fe - Pb, Cu - Pb).

Кристаллизация в сплаве начинается только при переохлаждении, с образованием зародышей и их последующего роста.

Любые фазы, образующиеся в сплаве, отличаются по составу от исходного жидкого раствора, поэтому для образования устойчивого зародыша необходимы не только гетерофазные (по плотности) флуктуации, но и флуктуации концентрации