Задание по работе. 1 Изучить установку для исследования процесса кристаллизации сплава термическим методом и зарисовать ее схему

1 Изучить установку для исследования процесса кристаллизации сплава термическим методом и зарисовать ее схему.

2 Исследовать процесс кристаллизации заданного преподавателем сплава, внести данные по изменению температуры во времени в таблицу, построить кривую охлаждения (с применением правила Гиббса и пояснением фазовых превращений).

3 После сведения результатов в таблицу по каждому исследованному сплаву построить диаграмму состояния изучаемой системы.

4 Определить с помощью правила отрезков фазы и их содержание для заданной преподавателем температуры сплава.

6 Лабораторная работа № 6. Анализ диаграмм состояния двойных сплавов

Цель работы:

1 Изучение основных типов диаграмм состояния двойных систем.

2 Приобретение практических навыков изучения превращений, протекающих при кристаллизации сплавов

3 Анализ полученных данных и определение возможности их использования на практике.

По диаграмме состояния, можно представить полную картину образования сплава, его переход из жидкого состояния в твердое, процессы перекристаллизации в твердом состоянии; определить оптимальную температуру заливки сплава, оценить его жидкотекучесть, определить склонность к ликвации.

Еще большее значение диаграммы состояния имеют для термической обработки сплавов, по ним можно определить, какую тепловую обработку может воспринимать данный сплав и какие температурные режимы будут для него наиболее рациональными.

Таким образом, диаграммы состояния сплавов показывают графически, как с изменением химического состава и температуры изменяются структура, количество и состав фаз, находящихся в равновесии.

а – фазовый анализ, б – структурный анализ

Рисунок 6.1 – Диаграмма состояния для металлов А и В

Любая точка диаграммы состояния сплавов показывает:

– химический состав сплава;

– температуру сплава;

– фазовый состав сплава;

– структуру сплава.

В качестве примера на рисунке 6.1 приведена диаграмма состояния для металлов А и В.

Из диаграммы видно, что выше заштрихованных областей (выше линии ликвидуса) сплавы находятся в жидком состоянии; ниже заштрихованных областей (ниже линии солидуса) сплавы находятся в твердом состоянии.

В заштрихованных областях присутствуют две фазы (жидкая и кристаллы твердой фазы).

Два металла А и В (компоненты) могут образовывать в рассматриваемой системе фазы, указанные по областям на рисунке 6.1, а:

– химическое соединение определенного состава, которое может быть выражено формулой А_тВ_п, где m и n простые целые числа;

– твердые растворы a и b, где a – твердый раствор на основе компонента А – область 1 и b – твердый раствор на основе компонента В – область 6.

Перечисленные фазы могут находиться как в структурно-свободном состоянии, так и в различном сочетании друг с другом, образуя механические смеси.

Одинаковый фазовый состав имеют области 2, 3 и 4: a-твердый раствор и А_тВ_п; но структурно они сочетаются различно в зависимости от химического сплава, как это показано на рисунке 6.1, б.

Предельная растворимость компонентов В и А определяется линией СН.

Из диаграммы видно, что с понижением температуры растворимость металлов В и А уменьшается.

На линии CED происходит эвтектическое превращение: жидкий сплав (состава точки Е) превращается в механическую смесь – эвтектику (кристаллы a-твердого раствора точки С + кристаллы А_тВ_п точки D):

L_Е ® [a_C + А_mВ_n ].

Эвтектические сплавы являются более легкоплавкими, чем все остальные сплавы и обладают наилучшими литейными свойствами.

На горизонтальной линии KFP происходит перитектическое превращение. Оно заключается в том, что здесь кристаллы А_тВ_п путем взаимодействия с окружающей их жидкостью образуют кристаллы твердого раствора.

Это превращение можно выразить так:

А_mВ_n + L_P ® b_F.

В некоторых областях диаграммы структурный состав будет отличаться от фазового состава.

В области 2 сплавы состоят из кристаллов a-твердого раствора и некоторого количества вторичных кристаллов А_тВ_п, выделившихся из a-твердого раствора.

Доэвтектические сплавы – область 3 – по структуре состоят из кристаллов a-твердого раствора + эвтектика + А_тВ_п (вторичные кристаллы).

Заэвтектические сплавы – область 4 – по структуре состоят из кристаллов А_тВ_п (первичные) + эвтектика.

Вследствие перитектического превращения сплавы в зависимости от их состава могут приобретать различную структуру. Если сплавы по составу находятся между точками К и F (область 5), структура состоит из кристаллов А_тВ_п + b-твердый раствор (механическая смесь). Если сплавы лежат между точками F и Р (область 6), будет образовываться одна фаза – b-твердый раствор (однофазные твердые растворы всегда отличаются высокой пластичностью и позволяют производить обработку давлением без нагрева).

Таким образом, структурный анализ этих областей не будет отличаться от фазового состава.

Применяя правило отрезков, можно количественно определить, сколько имеется процентов той или другой фазы по отношению к общему весу сплава.

Для определения состава и количества фаз в заданном сплаве Х (см. рисунок 6.1, б) при заданной температуре (точка n) нужно провести горизонталь через точку n до пересечения с ближайшими линиями диаграммы; проекции точек пересечения т и l на ось концентраций будут определять составы фаз, а длины отрезков на проведенной горизонтали дадут соотношения, пропорциональные количеству (весу) фаз.

Для сплава Х при заданной температуре – (по линии mnl)

количество жидкой фазы/ количество всего сплава = mn/ml.

Можно сказать, что отношение длины малого отрезка тп к большому ml таков же, как отношение веса жидкой фазы сплава к весу всего сплава.

Можно определить и количество выделившейся твердой фазы А_тВ_п. Оно составит такую часть всего сплава, какую часть большего отрезка ml составляет малый отрезок п1:

количество А_тВ_п / количество всего сплава = nl/ml.

Таким образом, если в сплаве одновременно присутствуют две фазы, то с помощью правила отрезков можно определить процентное количество как одной, так и другой фазы.

Количественное отношение между весом твердой фазы А_тВ_пи весом жидкой фазы для сплава Х будет следующее:

вес жидкой фазы / вес твердой фазы = mn/п1.