Принципы построения диаграмм состояния сплавов (МУ - Принципы построения диаграмм состояния сплавов)

Федеральное государственное бюджетное образовательноеучреждение высшего профессионального образования«Московский государственныйуниверситет путей сообщения»___________________________________Кафедра «Строительные материалы и технологии»В.Д.ПарфеновПринципы построениядиаграмм состояния сплавовМетодические указанияк лабораторным работамМосква – 2015Федеральное государственное бюджетное образовательноеучреждение высшего профессионального образования«Московский государственныйуниверситет путей сообщения»__________________________________Кафедра «Строительные материалы и технологии»В.Д.ПарфеновПринципы построения диаграммсостояния сплавовРекомендовано редакционно-издательским советомуниверситета в качестве методических указаний для студентовспециальностей СЖД, СТП, СМТ и СГСМосква – 2015УДК 669.1П–18Парфенов В.Д.

Принципы построения диаграмм состояниясплавов: Методические указания. – М.: МГУПС (МИИТ), 2015. – 24 с.В методических указаниях описывается метод изучения процесса затвердевания сплавов – термический анализ. Рассматриваются принципы построения на его основе диаграмм состояния фазовогоравновесия сплавов. Анализируются различные типы диаграмм. Напримере сплавов систем свинец–сурьма и олово–цинк студенты выполняют экспериментальное построение диаграмм и работают с нимипри решении практических задач.Методические указания предназначены для лабораторных занятий по разделу «Металлические материалы в строительстве» и разработаны в соответствии с планом и программой по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» для студентов строительных специальностей (СЖД, СТП, СМТ и СГС).© МГУПС (МИИТ), 2015СодержаниеВведение………………………………………………………………………………… .41..

Основные теоретические сведения…………………………………… 42.. Диаграмма состояния фазового равновесия сплавов……….83.. Типы диаграмм состояния сплавовов………………………………104.. Термический анализ и принципы построения диаграммсостояния сплавов на примере системы свинец–сурьма..125..Задание для студентов и порядок выполнениялабораторной работы………………………………………………………..176.. Контрольные вопросы и задачи………………………………….……21Список литературы…………………………………………………………………243ВведениеВсевозможные агрегатные и фазовые состояния сплавовв зависимости от их температуры и химического состава можнографически изобразить в виде диаграммы состояния фазовогоравновесия.Для сплава любого состава с помощью диаграммы можно проследить за фазовыми превращениями, происходящими внём при охлаждении и нагревании, и получить характеристикуструктурных составляющих и фаз в его микроструктуре для любой температуры.Цель работы—научиться самостоятельно экспериментально определять температуры фазовых превращений металлов и сплавов с помощью метода термического анализа, строитькривые охлаждения и диаграмму состояния.В процессе работы студенты вырабатывают навыки анализа по виду диаграмм фазового и структурного составов сплавов, характера взаимодействия компонентов в твёрдом состоянии а также выявления последовательности фазовых превращений в сплавах.1.

Основные теоретические сведенияМеталлические сплавы – это сложные вещества, получаемые сплавлением металлов (напр. дуралюмины Al–Cu) илиметаллов с неметаллами (стали Fe–C). Простые вещества, образующие сплав, называют компонентами сплава. Компоненты4могут друг в друге растворяться (ограниченно или неограниченно) или не растворяться, а также образовывать новые химические соединения. Взаимодействуя между собой, они образуютразличные по химическому составу, типу связи и строению кристаллические фазы.Фазой называют однородную часть системы, ограниченную от другой части системы поверхностью раздела, при переходе через которую состав и свойства сплава меняются скачкообразно. Как правило, в жидком состоянии компоненты сплавовхорошо растворяются друг в друге. При понижении температуры и кристаллизации из жидкого сплава выделяются твёрдыефазы, которые могут быть твёрдыми растворами, чистыми элементами и химическими соединениями.Твёрдыми растворами называют кристаллические фазыпеременного состава, в которых атомы одного элемента размещаются в пространственной решётке другого элемента, не изменяя её типа.Если происходит замещение в узлах кристаллическойрешётки атомов растворителя А атомами растворяемого элемента В, то образуется твёрдый раствор замещения.

В случаеих внедрения между узлами в поровое пространство решёткиобразуется твёрдый раствор внедрения.Твердые растворы замещения могут обладать как ограниченной растворимостью элементов друг в друге, так и неограниченной. Условиями неограниченной растворимости5являются: одинаковый тип кристаллической решётки, близкийрадиус атомов и одинаковая валентность элементов А и В. Способностью неограниченно растворяться друг в друге в твёрдомсостоянии, образуя твёрдые растворы замещения, обладаюттолько металлы (напр., никель– медь, медь–золото, медь– никель, железо–никель, железо–хром.).Металлы в сплавах: свинец–сурьма, олово–цинк, оловоалюминий, серебро–свинец – практически не растворимы другв друге в твёрдом состоянии.Твёрдые растворы внедрения возникают при сплавлении металлов с неметаллами, имеющих малый атомный радиус(напр., с углеродом, водородом, азотом, бором).

В них растворимость неметалла всегда ограничена.Твёрдые растворы обозначаются буквами греческого алфавита α, β,γ.Кристаллы, образованные различными элементами,вступившими в химическую связь, и имеющие собственный типкристаллической решётки, отличающийся от решёток, составляющих их элементов, называются химическими соединениями.Строение металлических сплавов зависит от того, в какиевзаимодействия вступают образующие их компоненты.

Различают структуру и фазовый состав сплава. Структура характеризует форму, размеры и взаимное расположение фаз в сплаве исостоит из структурных составляющих. Фазовый состав состоитиз фаз.6При кристаллизации сплавов могут образоваться твёрдыерастворы, химические соединения и механические смеси различных фаз, что наглядно демонстрируют диаграммы состоянияфазового равновесия сплавов.Кривая охлаждения металла или сплава – это графикуменьшения температуры во времени. Она строится в координатах температура – время (рис.1).Рис. 1 Кривые охлаждения сплава: а – доэвтектическогои заэвтектического; б – с образованием твёрдого раствораКритическими температурами (точками) называют температуры, соответствующие горизонтальным участкам (температурным остановкам) и перегибам на кривой изменения температур во времени, указывающие на превращения в металлахили сплавах.72.

Диаграмма состояния фазовогоравновесия сплавовДиаграмма состояния фазового равновесия сплавовпредставляет собой графическое изображение фазового состояния сплавов данной системы, т.е. зависимость температур фазовых превращений в сплавах от их состава. Она строится в координатах температура – концентрация одного из компонентов всплаве (состав сплава). Каждая точка диаграммы состояния соответствует определённому составу сплава при заданной температуре.Левая крайняя точка на оси концентраций соответствует100% содержанию компонента А. Процентное содержаниевторого компонента В откладывается на этой оси слева направо.Правая крайняя точка соответствует 100% содержанию второгокомпонента В. Линии на диаграмме состояния отмечают температуры изменения фазового состава, а поля, ограниченные этими линиями, характеризуют области существования различныхфазовых состояний.Для экспериментального построения диаграммы состояний сплавов, образованных компонентами А и В, необходимоизготовить ряд сплавов, содержащих различные количествакомпонентов А и В.

Для каждого состава сплава по результатамтермического анализа строят кривую охлаждения и определяют критические точки, т.е. температуры фазовых превращений.8Полученные значения критических точек исследуемыхсплавов откладывают на вертикальных линиях, соответствующих химическому составу этих сплавов. Затем соединяют критические точки, соответствующие определённым фазовым превращениям, и получают линии диаграммы состояний.Линия, представляющая собой геометрическое местовсех верхних критических точек, которые определяют температуры начала кристаллизации, называется линией ликвидуса, агеометрическое место всех нижних критических точек, определяющих температуры конца кристаллизации, это – линия солидуса.

Эти линии разделяют диаграмму состояний на областиопределённого фазового состава.Все сплавы системы выше линии ликвидуса находятся вжидком состоянии, а ниже линии солидуса – в твёрдом. В диапазоне температур между линиями ликвидуса и солидуса сплавы являются частично жидкими и частично твёрдыми.Диаграммы состояния показывают изменения фазовогосостояния сплавов при изменении их состава и температуры, атакже позволяют предсказывать свойства сплавов. Связь междусоставом сплава и его свойствами для различных типов диаграмм состояния впервые была установлена Курнаковым Н.С.

иполучила название закономерностей Курнакова.93. Типы диаграмм состояния сплавовК первому типу (рис.2) относят диаграммы состояниясплавов, компоненты которых неограниченно растворяютсядруг в друге в жидком состоянии и практически не растворяютсяв твёрдом (Pb–Sb, Sn–Zn).Рис. 2. Диаграмма состояния сплавов первого типадля системы А—В (с распределением фаз, L–жидкий сплав)Сплавы, компоненты которых неограниченно взаимнорастворяются как в жидком, так и в твёрдом состоянии, создаютдиаграммы второго типа (Ni–Cu, Fe–Ni, Ag–Au) (рис.3). Особенностью диаграммы второго типа является отсутствие эвтектического сплава.10Рис.

3. Диаграмма состояния сплавов второго типа (на примере системы медь–никель)По третьему типу (Fe–C) (рис.4) затвердевают сплавы,компоненты которых неограниченно растворяются друг в другев жидком состоянии и ограниченно в твёрдом.Рис. 4. Диаграмма состояния сплавов третьего типа для сплавасистемы А–В (ж.с. – жидкий сплав, э – эвтектика)114.

Термический анализ и принципыпостроения диаграммы состояния сплавовна примере системы свинец–сурьмаТермический анализ – это метод изучения процесса затвердевания металлов и сплавов. Для построения диаграмм состояния пользуются результатами термического анализа, т.е.строят кривые охлаждения и по остановкам и перегибам на этихкривых, вызванных тепловых эффектом превращений, определяют температуры, при которых происходят превращения в металлах в процессе охлаждения.Рис. 5.Схема установки для исследования металловтермическим методом: 1–электропечь; 2– нагреватель;3–термопара; 4 гальванометр; 5–постоянный магнит;6–катушка12Температуру металлов измеряют обычно при помощитермопары или термометра. На рис.5 приведена схема такойустановки. Температуру кристаллизации определяют следующим образом. В печь 1 помещают тигелек 2, в котором расплавляют исследуемый сплав.Затем в расплав погружают горячий спай 4 термопары 5 ивыключают печь. Начинается охлаждение и температуру отмечают через определённые промежутки времени (напр.30 сек).Появление изменений в агрегатном состоянии в связи с выделением скрытой теплоты превращения отражается на кривойтемпература–время.

Имея достаточное количество сплавов(напр. 5–7) разного состава и определив в каждом сплаве температуры превращений, можно построить диаграмму состояния.Рис. 6. Кривые охлаждения сплава Pb–SbРассмотрим подробнее на примере системы Pb–Sb. Накривых охлаждения свинца и сурьмы (чистых металлов) имеется13по одной критической точке, соответствующей переходу металла из жидкого состояния в твёрдое (для свинца 327оС и сурьмы631оС).