Термический анализ диаграммы состояния сплавов (МУ - Термический анализ диаграммы состояния сплавов)

московский государственный университетпутей сообщения (миит)Кафедра «Строительные материалы и технологии»В.Д.ПарфеновТермический анализ идиаграммы состояниясплавовМетодические указанияк лабораторным работамМосква – 2009московский государственный университетпутей сообщения (миит)Кафедра «Строительные материалы и технологии»В.Д.ПарфеновТермический анализ и диаграммысостояния сплавовРекомендовано редакционно-издательским советомуниверситета в качестве методических указаний для студентовспециальностей СЖД, МТ и СГСМосква – 2009УДК 669.1П–18Парфенов В.Д.,Термический анализ и диаграммы состояния сплавов:Методические указания.

– М.: МИИТ, 2009. – 24с.В методических указаниях описывается метод изучения процесса затвердевания сплавов – термический анализ. Рассматриваются принципы построения на его основе диаграмм состояния фазового равновесия сплавов.Анализируются различные типы диаграмм. На примере сплавов систем свинец–сурьма и олово–цинк студенты выполняют экспериментальное построение диаграмм и работают с ними при решении практических задач.Методические указания предназначены для лабораторных занятийпо разделу «Металлические материалы в строительстве» и разработаныв соответствии с планом и программой по дисциплине «Материаловедение.Технология конструкционных материалов» для студентов строительных специальностей (СЖД, МТ и СГС).©Московский государственный университетпутей сообщения (МИИТ), 2009Подписано к печати–Усл.-печ.–Формат 60х84х1/16Тираж 100 экз.Изд. №127994, Москва, ул.

Образцова, д.9, стр.9Типография МИИТаЗаказ №СодержаниеВведение………………………………………………………………………………………….....41. Основные теоретические сведения……………………………………….42. Диаграмма состояния фазового равновесия сплавов ………….83. Типы диаграмм состояния сплавов………………………………………104. Термический анализ и принципы построениядиаграмм состояния сплавов на примере системысвинец–сурьма………………………………………………………………………125.

Задание для студентов и порядок выполнениялабораторной работы …………………………………………………………..176. Контрольные вопросы и задачи……………………………………………21Список литературы…………………………………………………………………………….253ВведениеВсевозможные агрегатные и фазовые состояния сплавов в зависимости от их температуры и химического состава можно графическиизобразить в виде диаграммы состояния фазового равновесия.Для сплава любого состава с помощью диаграммы можно проследить за фазовыми превращениями, происходящими в нём приохлаждении и нагревании, и получить характеристику структурныхсоставляющих и фаз в его микроструктуре для любой температуры.Цель работы—научиться самостоятельно экспериментальноопределять температуры фазовых превращений металлов и сплавовс помощью метода термического анализа, строить кривые охлаждения и диаграмму состояния.В процессе работы студенты вырабатывают навыки анализапо 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, получаемыесплавлением металлов (напр. дуралюмины Al–Cu) или металловс неметаллами (стали Fe–C). Простые вещества, образующие сплав,называют компонентами сплава. Компоненты могут друг в друге4растворяться (ограниченно или неограниченно) или не растворяться,а также образовывать новые химические соединения.

Взаимодействуя между собой, они образуют различные по химическому составу,типу связи и строению кристаллические фазы.Фазой называют однородную часть системы, ограниченнуюот другой части системы поверхностью раздела, при переходе черезкоторую состав и свойства сплава меняются скачкообразно. Как правило, в жидком состоянии компоненты сплавов хорошо растворяютсядруг в друге. При понижении температуры и кристаллизации из жидкого сплава выделяются твёрдые фазы, которые могут быть твёрдымирастворами, чистыми элементами и химическими соединениями.Твёрдыми растворами называют кристаллические фазы переменного состава, в которых атомы одного элемента размещаются впространственной решётке другого элемента, не изменяя её типа.Если происходит замещение в узлах кристаллической решётки атомов растворителя А атомами растворяемого элемента В, то образуется твёрдый раствор замещения.

В случае их внедрения между узламив поровое пространство решётки образуется твёрдый раствор внедрения.Твердые растворы замещения могут обладать как ограниченной растворимостью элементов друг в друге, так и неограниченной.Условиями неограниченной растворимости являются: одинаковый типкристаллической решётки, близкий радиус атомов и одинаковая5валентность элементов А и В. Способностью неограниченно растворяться друг в друге в твёрдом состоянии , образуя твёрдые растворызамещения, обладают только металлы (напр., никель– медь, медь–золото, медь– никель, железо–никель, железо–хром.).Металлы в сплавах: свинец–сурьма, олово–цинк, олово алюминий, серебро–свинец – практически не растворимы друг в другев 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 тип кристаллической решётки, отличающийся от решёток, составляющих их элементов, называются химическими соединениями.Строение металлических сплавов зависит от того, в какие взаимодействия вступают образующие их компоненты.

Различают структуру и фазовый состав сплава. Структура характеризует форму, размеры и взаимное расположение фаз в сплаве и состоит из структурныхсоставляющих. Фазовый состав состоит из фаз.При кристаллизации сплавов могут образоваться твёрдые рас6творы, химические соединения и механические смеси различных фаз,что наглядно демонстрируют диаграммы состояния фазового равновесия сплавов.Кривая охлаждения металла или сплава – это график уменьшения температуры во времени. Она строится в координатах температура – время (рис.1).–а––б–Рис. 1 Кривые охлаждения сплава: а – доэвтектическогои заэвтектического; б – с образованием твёрдого раствораКритическими температурами (точками) называют температуры, соответствующие горизонтальным участкам (температурнымостановкам) и перегибам на кривой изменения температур во времени, указывающие на превращения в металлах или сплавах.72.

Диаграмма состояния фазового равновесиясплавовДиаграмма состояния фазового равновесия сплавов представляет собой графическое изображение фазового состояния сплавовданной системы, т.е. зависимость температур фазовых превращений всплавах от их состава. Она строится в координатах температура –концентрация одного из компонентов в сплаве (состав сплава). Каждая точка диаграммы состояния соответствует определённому составусплава при заданной температуре.Левая крайняя точка на оси концентраций соответствует100%содержанию компонента А.

Процентное содержание второго компонента В откладывается на этой оси слева направо. Правая крайняяточка соответствует 100% содержанию второго компонента В. Линиина диаграмме состояния отмечают температуры изменения фазовогосостава, а поля, ограниченные этими линиями, характеризуют областисуществования различных фазовых состояний.Для экспериментального построения диаграммы состоянийсплавов, образованных компонентами А и В, необходимо изготовитьряд сплавов, содержащих различные количества компонентов А и В.Для каждого состава сплава по результатам термического анализастроят кривую охлаждения и определяют критические точки, т.е. температуры фазовых превращений.8Полученные значения критических точек исследуемых сплавовоткладывают на вертикальных линиях, соответствующих химическомусоставу этих сплавов.

Затем соединяют критические точки, соответствующие определённым фазовым превращениям, и получают линиидиаграммы состояний.Линия, представляющая собой геометрическое место всех верхних критических точек, которые определяют температуры начала кристаллизации, называется линией ликвидуса, а геометрическое местовсех нижних критических точек, определяющих температуры концакристаллизации, это –линия солидуса. Эти линии разделяют диаграмму состояний на области определённого фазового состава.Все сплавы системы выше линии ликвидуса находятся в жидкомсостоянии, а ниже линии солидуса – в твёрдом. В диапазоне температур между линиями ликвидуса и солидуса сплавы являются частичножидкими и частично твёрдыми.Диаграммы состояния показывают изменения фазового состояния сплавов при изменении их состава и температуры, а также позволяют предсказывать свойства сплавов.

Связь между составом сплава иего свойствами для различных типов диаграмм состояния впервыебыла установлена Курнаковым Н.С. и получила название закономерностей Курнакова.93. Типы диаграмм состояния сплавовК первому типу (рис.2) относят диаграммы состояния сплавов,компоненты которых неограниченно растворяются друг в другев жидком состоянии и практически не растворяются в 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 взаимно растворяются как в жидком, так и в твёрдом состоянии, создают диаграммывторого типа (Ni–Cu, Fe–Ni, Ag–Au). (рис.3). Особенностью диаграммывторого 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 друге в жидкомсостоянии и ограниченно в твёрдом.Рис.