Лабораторная работа: Лабараторная работа номер 4

Лабораторная работа N 4
ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ
СОСТОЯНИЯ ПО КРИВШ
ОХЛАЖДЕНИЯ СПЛАВОВ

Цель работы — освоение методики построения диаграмм состояния с

использованием метода термического анализа и экспериментальное пост-
роение диаграммы состояния системы свинец—олово по кривым охлажде-
ния сплавов.

Диаграмма состояния сплавов какой-либо системы графически изоб-
ражает изменения, происходящие в сплавах этой системы при изменении

концентрации и температуры, и позволяет правильно назначать режимы их
обработки: горячей обработки давлением, термической обработки, литья.

Диаграммы состояния строят на основании данных термического ана-
лиза, с помощью которого определяют температуры фазовых

превращений, происходящих в сплавах, т.е. так называемые критические
точки.

- 28 -

Критические точки металлов и сплавов определяют путем
непрерывного наблюдения за изменением температуры сплава,
охлаждаемого от состояния полного расплавления до комнатной
температуры. График изменения температуры сплава во времени
называют кривой охлаждения.
Фазовые превращения, происходящие в сплавах при охлаждении,
сопровождаются выделением скрытой теплоты, кристаллизации
компенсирующей отвод тепла во внешнюю среду и замедляющей
снижение температуры сплава. Превращения, происходящие при
постоянной температуре, отмечаются на кривой охлаждения
площадкой, а протекающие в интервале температур — точками
перегибов в начале и в конце превращения.
По найденным критическим точкам для большого числа сплавов
различного состава строится диаграмма состояния. При ее
построении по горизонтальной оси откладывается состав сплава в
процентах, а по вертикальной — температуры. Все критические
точки переносятся на ординаты соответствующих сплавов.
Одноименные критические точки соединяют плавными линиями и таким
путем получают диаграмму состояния.
Тип диаграммы состояния определяется характером
взаимодействия веществ (компонентов), образующих систему сплавов.
Настоящая работа состоит в построении диаграммы состояния
системы РЬ — Sn методом термического анализа. Оба компонента
(свинец и олово) в жидком состоянии полностью взаимно растворимы
в любых соотношениях. В твердом состоянии они отличаются
ограниченной взаимной растворимостью, уменьшающейся при снижении
температуры, и не образуют химических соединений.
Линии DF и EG (рис.4.1) представляют собой линии
предельной растворимости соответственно олова в свинце и свинца в
олове. Максимальная растворимость олова в свинце соответствует
точке D (19,5% Sn,остальное свинец), а свинца в олове — точке Е
(97,4% Sn, остальное свинец). Линия АСВ называется линией
ликвидус: выше этой линии все сплавы находятся в жидком
состоянии. Линия ADCEB — линия соли-дус: ниже нее все сплавы
находятся в твердом состоянии.
Последним за процессом кристаллизации сплавов, отличающихся
по характеру протекающих в них превращений и структуре.
Кристаллизация сплава II начинается в точке 1 выделением из
однородного жидкого раствора кристаллов а-твердого раствора
замещения олова в свинце. В точке 2 последние капли жидкости
переходят в твердое состояние, т.е. кристаллизация сплава
заканчивается образованием

- 29 -

d-твердого раствора во всем объеме сплава. В интервале температур между
точками 2 и 3 сплав охлаждается, не претерпевая никаких превращений. В точке
3 твердый а-раствор становится насыщенным относительно олова. При
дальнейшем медленном охлаждении сплава растворимость олова в свинце
уменьшается (см.линию DF) и сплав становится пересыщенным оловом. Поэтому
избыток олова выделяется с образованием кристаллов р„ ""'^РД01'
0 раствора
свинца в олове. При этом химический состав el-твердого раствора изменяется по
линии DF и при 20° С в нем содержится около 1% Sn (точка F).
Аналогичные превращения происходят в сплавах, содержащих от 97,4 до
99% олова, но с той разницей, что в результате первичной кристаллизации
выпадают кристаллы р-твердого раствора, а вторичная кристаллизация
сопровождается образованием вторичных кристаллов «п.
Таким образом, сплавы, содержащие от 1 до 19,5% Sn (остальное свинец) и
более 97,4% (до 99%) Sn (остальное СБИНСЦ), имеют три критические точки,
выражающиеся на кривой охлаждения тремя перегибами (рис.4.1).
Сплав IV состава точки С (61,9% Sn и 38,1% РЬ) называется эвтектическим.
Он затвердевает при постоянной эвтектической температуре 1э= 183 °С с
образованием тонкой механической смеси (эвтектики), состоящей из мелких
кристалликов твердых растворов на основе свинца и олова состава точек D и Е.
Чистые металлы — свинец и олово (сплавы I и VI на рис.4.1), как и
эвтектический сплав, начинают и заканчивают кристаллизацию при одной и той
же температуре, и имеют на кривых охлаждения только горизонтальную
площадку, т.е. одну критическую точку.
Все сплавы с концентрацией от 19.5 до 61,9% Sn (доэвтектические) и от 61,9
до 97,4% Sn (заэвтектические) заканчивают кристаллизацию при эвтектической
температуре.
В доэвтектическом сплаве Ш кристаллизация начинается в точке I
выделением из жидкости кристаллов й-твердого раствора, а в заэвтекти-ческом
(сплав V) — р-твердого раствора. В процессе охлаждения от точки 1 до точки 2
количество твердой фазы в сплаве увеличивается, а жидкой — уменьшается.
Состав твердой части сплава изменяется по линии солидус, а жидкой части — по
линии ликвидус. По -достижении эвтектической линии оставшаяся жидкость
приобретает эвтектический состав и при постоянной температуре Ъэ= 183 °С
протекает эвтектическое превращение: из жидкости состава точки С
одновременно выпадают крис--,„„„,, „г,,г„ ^oanni-rv nai-pnnnnn — rf и ft т р
пййазувтся эвтектика.

- 30 -

- 31 -

Таким образом, доэвтектические и заэвтектические
сплавы имеют две критические точки: верхнюю, соответствующую
началу кристаллизации (перегиб на кривой охлаждения), и
нижнюю, соответствующую окончанию кристаллизации с
образованием эвтектической смеси (площадка на
кривой охлаждения).
Кривую охлаждения сплава можно записать с помощью

потенциометра,

датчиком которого служит термопара, погружаемая в жидкий
сплав.
Для определения критических точек на кривой охлаждения
находят перегибы и (или) площадки и, учитывая масштаб
записи, определяют значения соответствующих температур.

Порядок выполнения работы

Для проведения работы студенты разбиваются на бригады по
2...3 человека. Две бригады получают чистые металлы (свинец и
олово), остальные бригады — сплавы свинца и олова различной
концентрации.
Каждой бригаде предоставляется тигельная печь.
высокотемпературная термопара, тигель со сплавом, секундомер и
специальная подставка.
Для выполнения работы необходимо:

1) опустить тигель со сплавом в тигельную печь. расплавить ме-
талл. немного перегрев его выше температуры плавления;

2) вынуть тигель с расплавленным сплавом из печи и установить
на
специальной подставке;
3) через каждые 30 с в п.4 бланка отчета записывать значения
температуры. Запись прекратить, когда температура сплавов и
чистого олова снизится до 150...140 °С, а чистого свинца — до 250
°С;
4) на основании полученных данных в п.5 бланка отчета
построить
кривую охлаждения сплава;
5) по кривым охлаждения определить критические точки начала
и конца кристаллизации сплавов и записать их в таблицу на доске;
6) по результатам работы всех бригад заполнить п.6 бланка
отчета;

7) в п.7 бланка отчета на оси абсцисс отметить точки, соответс-
твующие составам исследованных сплавов, и из каждой точки

восстановить перпендикуляр, т.е. провести линии сплавов. На
каждой линии сплава отметить температуры критических точек.
Соединить между собой плавными линиями точки, отвечающие
одноименным фазовым превращениям. В каждой области
построенной диаграммы указать фазовый и структурный
, состав;
8) в п. 3 бланка отчета дать схему установки, включающую
верти-

32