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  и , где  – твердый раствор на основе компонента А – область 1 и  – 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: -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 -твердого раствора точки С + кристаллы А_тВ_п точки D):

L_Е  [_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  _F.

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

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

Доэвтектические сплавы – область 3 – по структуре состоят из кристаллов -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 + -твердый раствор (механическая смесь). Если сплавы лежат между точками F и Р (область 6), будет образовываться одна фаза – -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_п и весом жидкой фазы для сплава Х будет следующее:

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

Алгоритм анализа диаграмм состояния сплавов.

1. Выделить линию солидус.

2. Под наклонным участком линии солидус находится одна фаза - твердый раствор.

3. Под горизонтальной прямой линии солидус находится механическая смесь фаз, состав этой смеси на «боковых стенках», ограничивающих эту область

4. Если имеется эвтектика, необходимо из т. ε опустить перпендикуляр и указать состав эвтектики (ее состав находится на концах прямой эвтектического превращения).

5. Если имеется линия понижения растворимости, то необходимо из ее вершины опустить перпендикуляр и указать состав выделяющейся вторичной фазы. Состав выделяющейся вторичной фазы находщится на противоположном конце прямой эвтектического (эвтектоидного) превращения.

Вторичная фаза, в отличие от первичной, выделяется из пересыщенного твердого раствора (а не из жидкого) и имеет высокую степень дисперсности. Выпадающая в объеме зерен твердого раствора высокодисперсная вторичная фаза является препятствием для движения дислокаций и приводит к упрочнению сплава в 3-4 раза. Явление упрочнения сплава, происходящее в процессе распада пересыщенного твердого раствора называется старением. Оно характерно для упрочняемых термообработкой алюминиевых, медных и никелевых сплавов (Д1-Д16, АК8, В95, Бр.Б2, Бр.Х…).

Контрольные вопросы

1. Какие сплавы обладают высокими литейными свойствами, а какие высокой пластичностью?

2. Указать механизм повышения прочности сплавов, подвергаемых старению.

3. Провести фазовый анализ и определить количественное соотношение и состав фаз в любой из предлагаемых диаграмм состояния.

Задание по работе

1 Начертить заданную диаграмму состояния (рисунок 6.2, а–ц).

2 Дать буквенные обозначения всем линиям диаграммы.

3 Провести фазовый анализ всех областей и определить количественное соотношение и состав фаз при заданной температуре (температура задается преподавателем).

4 Описать все изотермические превращения в данной диаграмме.

5 Во всех областях диаграммы указать структуры, образующиеся в сплавах данной системы в состоянии равновесия.

6 Построить кривую охлаждения в координатах «температура – время» с применением правила фаз и для заданной концентрации Х объяснить превращения, происходящие в процессе охлаждения.

Рисунок 6.2 – Диаграммы состояния сплавов

Продолжение рисунка 6.2

Продолжение рисунка 6.2

Окончание рисунка 6.2