6 Лабораторна робота № 6
1 Вивчення основних типів діаграм стану подвійних систем.
2 Набуття практичних навичок вивчення перетворень, що протікають при кристалізації сплавів
3 Аналіз отриманих даних та визначення можливості їх використання на практиці.
За діаграмою стану можна представити повну картину утворення сплаву, його перехід з рідкого стану в тверде, процеси перекристалізації в твердому стані; визначити оптимальну температуру заливання сплаву, оцінити його рідину, визначити схильність до ліквації.
Ще більше значення діаграми стану мають для термічної обробки сплавів, ними можна визначити, яку теплову обробку може сприймати даний сплав і які температурні режими будуть для нього найбільш раціональними.
Таким чином, діаграми стану сплавів показують графічно, як із зміною хімічного складу та температури змінюються структура, кількість та склад фаз, що перебувають у рівновазі.
а -фазовий аналіз, б - структурний аналіз
Рисунок 6.1 – Діаграма стану для металів А та В
Будь-яка точка діаграми стану сплавів показує:
- Хімічний склад сплаву;
– фазовий склад металу;
Як приклад на малюнку 6.1 наведено діаграму стану для металівАтаВ.
З діаграми видно, що вище заштрихованих областей (вище за лінію ліквідуса) сплави знаходяться в рідкому стані; нижче заштрихованих областей (нижче лінії солідуса) сплави знаходяться у твердому стані.
У заштрихованих областях присутні дві фази (рідка та кристали твердої фази).
Два металиАіВ(компоненти) можуть утворюватиу аналізованій системі фази, зазначені по областях на малюнку 6.1, а:
– хімічна сполука певного складу, яка може бути виражена формулою АтВп, де m та n прості цілі числа;
– тверді розчини та , де – твердий розчин на основі компонента А – область 1 та – твердий розчин на основі компонента В – область 6.
Перелічені фази можуть бути як у структурно-вільному стані, і у різному поєднанні друг з одним, утворюючи механічні суміші.
Одинаковий фазовий склад мають області 2, 3 та 4: -твердий розчин та АтВп; Проте структурно вони поєднуються по-різному залежно від хімічного металу, як і показано малюнку 6.1, б.
Гранична розчинність компонентів і А визначається лінією СН.
З діаграми видно, що зі зниженням температури розчинність металів і А зменшується.
На лінії CED відбувається евтектичне перетворення: рідкий сплав (склад точки Е) перетворюється на механічну суміш – евтектику (кристали -твердого розчину точки С + кристали АтВп точки D):
Евтектичні сплави є легкоплавкішими, ніж інші сплави і маютьнайкращими ливарними свойствами.
На горизонтальній лінії KFP відбувається перитектичне перетворення. Воно полягає в тому, що тут кристали АтВп шляхом взаємодії з рідиною, що їх оточує, утворюють кристали твердого розчину.
Це перетворення можна висловити так:
У деяких областях діаграми структурний склад відрізнятиметься від фазового складу.
В області 2 сплави складаються з кристалів -твердого розчину та деякої кількості вторинних кристалів АтВп, що виділилися з -твердого розчину.
Доевтектичні сплави – область 3 – структурою складаються з кристалів-твердого розчину + евтектика + АтВп (вторинні кристали).
Заевтектичні сплави – область 4 – структурою складаються з кристалів АтВп (первинні) + евтектика.
Внаслідок перитектичного перетворення сплави в залежності від їх складу можуть набувати різної структури. Якщо сплави за складом перебувають між точками К і F (область 5), структура складається з кристалів АтВп + -твердий розчин (механічна суміш). Якщо сплави лежать між точками F і Р (область 6), утворюватиметься одна фаза – твердий розчин (однофазні тверді розчини завжди відрізняються високою пластичністю і дозволяють проводити обробку тиском без нагрівання) .
Таким чином, структурний аналіз цих областей не відрізнятиметься від фазового складу.
Застосовуючи правило відрізків, можна кількісно визначити, скільки є відсотків тієї чи іншої фази стосовно загальної ваги металу.
Для визначення складу та кількості фаз у заданому сплавіХ(див. малюнок 6.1 б) при заданій температурі (точкаn) потрібно провести горизонталь через точкуnдо перетину з найближчими лініями діаграми; проекції точок перетинутіlна вісь концентрацій визначатимуть склади фаз, а довжини відрізків на проведеній горизонталі дадуть співвідношення, пропорційні кількості (ваги) фаз.
Для сплавуХпри заданій температурі – (по лініїmnl)
кількість рідкої фази/ кількість всього сплаву =mn/ml.
Можна сказати, що відношення довжини малого відрізкатпдо великогоmlтак само, як відношення ваги рідкої фази сплаву до ваги всього сплаву.
Можна визначити і кількість твердої фази АтВп, що виділилася. Воно становитиме таку частину всього сплаву, яку частину більшого відрізкаmlстановить малий відрізокп1:
Таким чином, якщо в сплаві одночасно є дві фази, то за допомогою правила відрізків можна визначити відсоткову кількість як однієї, так і іншої фази.
Кількісне відношення між вагою твердої фази АтВп і вагою рідкої фази для сплавуХбуде таке:
вага рідкої фази / вага твердої фази =mn/п1.
Алгоритм аналізу діаграм стану сплавів.
Виділити лінію солідус.
Під похилою ділянкою лінії солідус знаходиться одна фаза - твердий розчин.
Під горизонтальної прямої лінії солідус знаходиться механічна суміш фаз, склад цієї суміші на «бічних стінках», що обмежують цю область
Якщо є евтектика, необхідно з т.εопустити перпендикуляр і вказати склад евтектики (її склад знаходиться на кінцях прямої евтектичного перетворення).
Якщо є лінія зниження розчинності, то необхідно з її вершини опустити перпендикуляр і вказати склад вторинної фази, що виділяється. Склад вторинної фази, що виділяється, знаходиться на протилежному кінці прямої евтектичного (евтектоїдного) перетворення.
Вторинна фаза, на відміну від первинної, виділяється з пересиченого твердого розчину (а не рідкого) і має високий ступінь дисперсності. Висока дисперсна вторинна фаза, що випадає в обсязі зерен твердого розчину, є перешкодою для руху дислокацій і призводить до зміцнення сплаву в 3-4 рази. Явище зміцнення металу, що відбувається у процесі розпаду пересиченого твердого розчину називається старінням. Воно характерне для зміцнюваних термообробкою алюмінієвих, мідних та нікелевих сплавів (Д1-Д16, АК8, В95, Бр.Б2, Бр.Х…).
Які сплави маютьвисокими ливарними властивостями, а які є високою пластичністю?
Вказати механізм підвищення міцності сплавів, що піддаються старінню.
Провести фазовий аналіз і визначити кількісне співвідношення та склад фаз у будь-якій із запропонованих діаграм стану.
1 Накреслити задану діаграму стану (рисунок 6.2 а-ц).
2 Дати літерні позначення всім лініям діаграми.
3 Провести фазовий аналіз усіх областей та визначити кількісне співвідношення та склад фаз при заданій температурі (температура задається викладачем).
4 Описати всі ізотермічні перетворення у цій діаграмі.
5 У всіх сферах діаграми вказати структури, що утворюються в сплавах даної системи в стані рівноваги.
6 Побудувати криву охолодження в координатах«температура – час»із застосуванням правила фаз і для заданої концентраціїХпояснити перетворення, що відбуваються в процесі охолодження.