Порядок виконання роботи

1. Вивчити процес кристалізації за допомогою біологічного мікроскопу на наступних солях:

- хлористий алюміній - NH4Cl

- червона кров’яна сіль - K3Fe(CN)6

2. Після закінчення кристалізації краплі зарисувати її структуру з зазначенням різних зон кристалізації.

3. Пояснити утворення різних зон (великих, дрібних, направлених кристалів).

4. Вивчити будову стального зливка та зарисувати його макроструктуру в поздовжньому розрізі:

- розглянути механізм формування різних зон зливка;

• розглянути залежність механічних властивостей різних зон зливка щодо структури;

• у висновках показати взаємозв’язок структури металу і механічних властивостей, способи виливу та структуроутворення зливка.

Зміст звіту

Звіт з лабораторної роботи повинен містити:

• найменування роботи, мету й устаткування;

• основні теоретичні відомості;

• порядок проведення досліду;

• рисунки структур;

• висновки.

Контрольні питання.

1. Як формуються центри кристалізації та що на цей процес впливає?

2. Чому зі збільшенням ступеня переохолодження(при збільшенні швидкості охолодження) подрібнюється кристалічна структура металу?

3. Яка причина формування стовбчастої структури металу?

4. Яка структура має більш високі механічні властивості: з дрібним зерном, чи великим?

5. Чому при кристалізації зливка спокійної сталі формується усадочна порожнина?

6. Яких заходів вживають для концентрації усадочної порожнини в головній частині зливка?

7. Що таке кристалізація ?

8. Дати характеристику кристалічної будови.

9. Які типи кристалічних решіток зустрічаються в металах ?

10. З яких стадій складається механізм процесу кристалізації ?

11. Дві форми кристалізації. Їхня сутність.

12. Що таке теоретична температура кристалізації ?

13. Що таке ступінь переохолодження ?

Література: [ ]

Лабораторна робота № 2 Тема: Аналіз діаграм стану подвійних сплавів

Мета роботи: вивчення основних типів діаграм стану подвійних систем, придбання практичних навичок вивчення перетворень, що протікають при кристалізації сплавів, аналіз отриманих даних і визначення можливості їхнього використання на практиці.

Загальні відомості

Знання діаграм стану різних систем, що характеризують перетворення в сплавах, і уміння аналізувати ці перетворення дозволяють оцінити властивості сплавів і в остаточному підсумку раціонально вибрати матеріал для тих чи інших виробів у залежності від пропонованих до них вимог.

Діаграми стану зображуються в координатах температура - вміст компонентів. Лінії, що з'єднують критичні точки аналогічних перетворень у системі, розмежовують області існування рівноважних фаз. Будь-яка точка на діаграмі визначає фазовий і хімічний склади сплаву, а також його структуру при даній температурі. Вертикальна лінія відповідає визначеному хімічному складу сплаву. У залежності від того, як взаємодіють компоненти сплавів між собою у твердому стані (володіють різною взаємною розчинністю й утворюють тверді розчини; утворюють евтектики чи хімічні сполуки), розрізняють кілька типів діаграм.

Розглянемо, наприклад, перетворення, що відбуваються в сплавах А1 - Са (рис. 2.1). Вище лінії ліквідус АВСDEF обидва компоненти знаходяться в рідкому стані й у будь-яких співвідношеннях необмежено розчиняються друг у другу. Нижче лінії солідус АМВNРQКЕН сплави системи знаходяться у твердому стані. Аналіз діаграми показує, що при затвердінні відбуваються наступні перетворення.

а, б, г, д – криві охолодження; в – діаграма стану

Рисунок 2.1 – Діаграма стану та криві охолодження сплавів системи Al – Ca (структурний аналіз)

1. Утворюється α-твердий розчин Са в Аl. Область існування твердого розчину - АМS₁ прилягає до лінії чистого Аl. Точка М показує максимальну розчинність Са в Аl, точка S₁ - мінімальну, лінія МS₁ - обмеження розчинності Са в Аl. Отже, зі зниженням температури спостерігається зменшення розчинності Са в Аl відповідно до лінії МS₁ Надлишковий кальцій, що не може бути розчинений у α-твердому розчині, виділяється при охолодженні нижче лінії МS₁ у виді вторинних кристалів СаA1₃ на відміну від первинних СаA1₃, що утворюються при наявності рідкої фази в точці Р.

2. Утворюються хімічні сполуки СаА1₃ і СаА1₂, що кристалізуються з рідкого сплаву при температурах, що відповідають точці D, і точці Р при взаємодії рідкої фази і хімічної сполуки СаА1₂ (відповідально)

Перетворення, що протікає при постійній температурі, коли з двох фаз, одна з яких є рідкою, утворюється третя і усі фази в момент перетворення мають визначений склад, називається перитектичним і може бути записане у виді реакції

де символы С, Q, Р показуюють вміст компонен­тів у відповідних фазах.

У процесі перитектичного перетворення відповідно до правила фаз С = К– Ф+ 1 =2 – 3+ 1 =0. Застосування правила відрізків (конода СР) показує, що при перитектичному перетворенні маси взаїмодіючих фаз строго певні. У доперитектичних сплавах, розташованих лівішее точки Р, у надлишку залишається рідка фаза, що потім випробує всі перетворення, описані нижче для сплаву II. У заперитектичних сплавах, розташованих правіше точки Р, надлишкової є тверда фаза (у даному випадку СаА1₂). Хімічна сполука СаА1₂ є стійкою при нагріванні аж до температури плавлення (точка D). Хімічна сполука СаА1₃ хитлива і, будучи нагрітою до температури точки Р, розкладається на рідину і СаА1₂.

3. Формуються дві евтектики Е₁ і Е₂. Перша являє собою тонку механічну суміш кристалів α-твердого розчину і СаА1₃, що утвориться (при С = 0) з рідини по реакції

Друга евтектика являє собою тонку механічну суміш кристалів Са і СаА1₂ і утвориться по реакції

При цьому перетворенні, як і при першому евтектичному перетворенні, система нонваріантна (С = 0).

У ряді систем можлива подібна реакція, але суміш двох різних фаз утворюється не з рідини, а з твердого розчину. Така реакція називається евтектоїдною.

Розглянемо криві охолодження декількох сплавів (див. рис. 2.1) і проведемо їхній докладний структурний аналіз.

Сплав І. При охолодженні від точки 0 до точки 1 (див. рис. 2.1а) сплав знаходиться в рідкому стані (С = 2). При температурі t₁, що відповідає точці 1, починається кристалізація сплаву. Конода аbс - відрізок ізотерми, проведений вліво і вправо від лінії сплаву до перетинання з лініями діаграми, де розташовані шукані фази чи структурні складові (див. рис. 2.1б). Вона показує, що це кристали α-твердого розчину (точка a коноди вказує на область α). Друга точка коноди с указує на наявність рідкої фази. Користуючись правилом відрізків, можна визначити масову частку (Q, %) співіснуючих фаз. Наприклад, при температурі t₁ Qα = bс,/(ac)·100, Qр = bс,/(ac)·100. Отже, для визначення вмісту кожної з двох фаз необхідно узяти відношення довжини протилежачого від шуканої фази відрізка коноди до довжини всієї коноди. Проекції точок а і с на вісь концентрацій покажуть, який вміст компонентів у кожній з фаз (точка а - у α-твердому розчині, точка с - у рідкій частині сплаву).

При охолодженні сплаву І від t₁ до t₂ частка твердої фази росте, а рідкої - відповідно зменшується, що підтверджується правилом відрізків.

До моменту охолодження сплаву до t₂ вміст компонентів в останніх порціях кристалів α-твердого розчину буде відповідати точці М, а в рідині - точці В. Як видно, рідина має евтектичний склад і тому вона кристалізується по першій евтектичній реакції (С = 0), що протікає при постійній температурі (t₂ = t_2'). Зі зникненням при t_2' рідини первинна кристалізація закінчується, а від t_2' до кімнатної температури протікає вторинна кристалізація сплаву (із твердої α-фази виділяється СаА1_{3 ІІ}).

Сплав ІІ. Від t₀ до t₁ (див. рис. 2.1б) йде охолодження рідкої фази, від t₁ до t₂ - виділення з рідини кристалів СаА1₃. Потім протікає евтектична реакція при постійній температурі (лінія МВ на рис. 2.1в) і рідка частина сплаву переходить у евтектику. Нижче t_2' ніяких перетворень у кристалах СаА1₃ і в евтектиці не відбувається.

Сплав ІІІ. Від t₀ до t₁ (див. рис. 2.1г) йде охолодження рідкої фази, від t₁ до t₂ відбувається виділення з рідини кристалів СаА1₂. По досягненні температури, що відповідає лінії СР, протікає перитектична реакція (С = 0)

(избыточный).

Оскільки лінія сплаву ІІІ проходить правіше точки Р, тобто ближче до лінії СаА1₂, то в результаті перитектичного перетворення утвориться СаА1₃ і деяка частина СаА1₂ залишається в надлишку. Нижче t₂ ніяких перетворень у сплаві не відбувається.

Кристалізацію сплаву ІV (див. рис. 2.1д) аналізують за аналогією з розглянутими вище сплавами.

Аналіз криві охолодження чистих компонентів А1, Са і хімічної сполуки СаА1₂ показує, що вони мають однаковий характер (площадку кристалізації в точках А, F і D відповідно) і відрізняються лише температурним рівнем площадки кристалізації. Таким чином, стійкі хімічні сполуки поводяться подібно компонентам сплаву і, прийнявши СаА1₂ умовно за компонент, діаграму А1 - Са (див. рис. 2.1в) можна розглядати як складену з двох самостійних діаграм А1 - СаА1₂ і СаА1₂ - Са. При цьому діаграма СаА1₂ - Са є, власне кажучи, елементарною діаграмою, коли обидва компоненти у твердому стані нерозчинні друг у другу й утворюють механічну суміш - евтектику. Діаграма А1 - СаА1₂ складається з частин елементарних діаграм стану з обмеженою розчинністю компонентів у твердому стані, з евтектичним і перитектичним перетвореннями.

На рис. 2.2 приведені результати фазового аналізу діаграми А1 - Са.

Рисунок 2.2 – Ліаграма стану сплавів системи Al – Ca (фазовий аналіз)

Фазовий склад сплавів у будь-якій області легко визначити за допомогою коноды, кінці якої вказують на рівноважні співіснуючі фази і вміст у них компонентів. Лінія ліквідус показує не тільки температуру початку кристалізації відповідних сплавів, але і вміст компонентів у рідкій фазі будь-якого сплаву в залежності від температури. Солідус визначає температуру закінчення кристалізації і вміст компонентів у твердій фазі, що кристалізується.

У випадку, якщо необхідно визначити масову частку структурних складових, наприклад, у сплаві ІV для температури t₂ - евтектики і СаА1₂, проводять коноду fpk (див. рис. 2.1) до ліній, що відповідають складовим, і пользуються співвідношеннями (Q_СаА12 = рk/(fk)·100 і (Q_Е2= рk/(fk)·100. Структурна складова сплаву має під мікроскопом своєрідний вид.