Построение диаграммы плавкости системы магний-свинец

Содержание
  1. Сплавы — Знаешь как
  2. Сплав что это
  3. Определение состава сплава
  4. Сплавы и Николай Семенович Курнаков
  5. Диаграмма плавкости
  6. Эвтектика
  7. Интерметаллические сплавы
  8. Диаграммы состояния металлических систем
  9. Диаграммы состояния некоторых двойных систем
  10. 3. Методика проведения лабораторной работы
  11. Отчет по лабораторной работе должен содержать:
  12. Материаловедение
  13. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решетки ниобия (параметры, координационное число, плотность упаковки)
  14. Вычертите диаграмму состояния системы свинец-магний. Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях, укажите структурные составляющие во всех частях диаграммы и объясните изменение свойств сплавов с помощью правил Курнакова
  15. Опишите механизм упругой и пластической деформаций реального (поликристаллического) металла
  16. Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, опишите структурные составляющие во всех частях диаграммы, опишите превращения и постойте кривую нагревания в интервале температур от 0 до 1600°С (с применением правила фаз) для сплава содержащего 1,9%С. Выберите для рассматриваемого сплава любую температуру между линиями ликвидус и солидус и определите: состав фаз, это значит процентное содержание углерода в фазах; количественное соотношение фаз

Сплавы — Знаешь как

Построение диаграммы плавкости системы магний-свинец

Металлы нерастворимы в обычных растворителях: воде, спирте, эфире и др., но в расплавленном состоянии могут взаимно растворяться или смешиваться друг с другом, образуя сплавы.

Большинство расплавленных металлов смешивается в любых пропорциях, подобно тому, как смешивается спирт с водой. Но некоторые металлы растворяются один в другом лишь до известной степени.

Так, например, если смешать расплавленные цинк и свинец, то при отстаивании смеси образуется два слоя: нижний — свинец, в котором растворено немного цинка, верхний — цинк, содержащий некоторое количество свинца.

При сплавлении металлов происходит или простое растворение одного металла в другом, или, что чаще, металлы вступают в химическое соединение, поэтому сплавы обычно представляют собой смеси свободных металлов с их химическими соединениями, образование которых нередко сопровождается значительным тепловым эффектом. Например, при погружении алюминия в расплавленную медь выделяется столько тепла, что вся масса раскаляется добела.

Сплав что это

Многие металлы образуют по несколько различных соединений друг с другом, как, например, AuZn, Au3Zn5, AuZn3, Na4Sn, NaSn, NaSn2 и др.

Твердые сплавы иногда совершенно однородны: в таком случае они представляют собой или определенное химическое соединение, или однородную смесь неопределенного состава, называемую твердым раствором.

Последний образуется, если атомы смешиваемых металлов могут замещать друг друга в кристаллической решетке, не нарушая ее структуры.

Благодаря такой замене получаются совершенно однородные смешанные кристаллы, содержащие одновременно атомы обоих металлови обусловливающие полную однородность сплава.

Большинство сплавов, однако, неоднородно и состоит из кристаллов отдельных металлов, смешанных с кристаллами химических соединений металлов (если такие соединения образуются при сплавлении). Металлы образуют сплавы не только друг с другом, но также и с некоторыми металлоидами; например, чугун и сталь представляют собой сплавы железа с углем.

Рис. 134. Диаграмма плавкости системы Bi—Cd

Если сплавляемые металлы не образуют химических соединений или твердого раствора, то при охлаждении сплава один из компонентов начинает выделяться в твердом виде.

Например, если охлаждать жидкий сплав, состоящий из 10 весовых частей свинца и 90 весовых частей олова, то сперва выделяются кристаллы чистого олова совершенно так же, как при замерзании разбавленного раствора сахара в воде сначала выделяется чистый лед.

Температура, при которой начинается выделение олова из сплава, лежит ниже, чем температура затвердевания чистого олова. Определив понижение температуры затвердевания олова при растворении в нем свинца, можно вычислить молекулярный вес последнего, руководствуясь теми же правилами, что и для водных растворов.

Таким путем были определены молекулярные веса многих металлов, причем оказалось, что металлы в разбавленных металлических растворах большей частью существуют в виде отдельных атомов.

Определение состава сплава

Для определения состава сплавов методы химического анализа мало пригодны, так как во многих случаях невозможно выделить из сплава образующиеся соединения металлов.

Поэтому при изучении сплавов на первом месте стоят физические методы исследования. В разработке этих методов выдающаяся роль принадлежит русскому ученому Н. С.

Курнакову, создавшему новую научную дисциплину —физико-химический анализ.

Физико-химический анализ позволяет количественно исследовать ход изменения какого-либо физического свойства (давления пара, температуры плавления, уд. веса, вязкости, электропроводности и т. п.) системы, образованной обычно двумя веществами при непрерывно меняющемся ее составе.

Результаты исследования наносят на диаграмму состав—свойство, причем состав всегда откладывается по горизонтальной оси и выражается в процентах одного из компонентов (составных частей) системы, а свойство, выраженное числовым значением соответствующей физической константы, — по вертикальной оси.

Такие диаграммы позволяют по виду полученных кривых не только обнаруживать происходящие в системе превращения, но и дают указания относительно характера С этих превращений, состава получающихся продуктов, образования твердых растворов и т. д.

В настоящее время методами физико-химического анализа широко пользуются в металлургической, силикатной, химической и других отраслях промышленности.

Сплавы и Николай Семенович Курнаков

Многочисленные работы Курнакова по выяснению природы металлических сплавов внесли ясность в понимание процессов, происходящих при затвердевании сплавов.

В частности, при изучении сплавов им были открыты химические соединения, состав которых может изменяться в довольно широких пределах.

Эти соединения переменного состава Курнаков назвал бертоллидами по имени Бертолле, допускавшего их существование, предложив для обычных соединений постоянного состава название дальтониды.

Николай Семенович Курнаков родился 6 декабря (23 ноября) 1860 г. в г. Нолинске Вятской губ. Высшее образование получил в Петербургском горном институте, который окончил в 1882 г. В 1893 г.

после защиты диссертации «О сложных металлических основаниях» Курнаков был назначен профессором кафедры неорганической химии Горного института, а в 1913 г.

занял кафедру общей химии а Петербургском политехническом институте, которой руководил до 1930 г.

В 1913 г. Курнаков был избран ординарным академиком.

В первый период своей научной деятельности Курнаков занимался изучением строения и свойств комплексных соединений. На эту тему написана и его докторская диссертация.

Главные же исследования Курнакова посвящены металлическим сплавам, к изучению которых он применил термический анализ и другие приемы созданного им физико-химического анализа, а также металлографию (см. сноску на стр. 554).

Эти исследования вскрыли ряд весьма важных закономерностей, объясняющих поведение металлов при сплавлении и позволяющих заранее предсказать физико-химические и механические свойства сплавов.

Работы Курнакова имели не только теоретическое, но и огромное практическое значение.

Наряду с исследованиями сплавов Курнаков уделял много времени и внимания изучению природных соляных растворов. Его работы в этой области позволили разрешить ряд важнейших проблем в использовании отечественных соляных ресурсов и привели к открытию крупнейших в мире месторождений калийных солей в Соликамском районе.

Николай Семенович Курнаков (1860—1941)

Из различных видов физико-химического анализа при изучении сплавов чаще всего применяется термический анализ, начало которому было положено в 60-х годах прошлого столетия русским металлургом Д. К. Черновым.

Термический анализ заключается в построении и изучении диаграмм плавкости, которые выражают зависимость температур плавления сплавов от процентного содержания составных частей.

Чтобы иметь представление о термическом анализе, рассмотрим несколько примеров.

На рис. 134 изображена диаграмма плавкости системы висмут— кадмий. По горизонтальной оси указано процентное содержание металлов в сплаве, по вертикальной—точки плавления. Точка А кривой АСВпоказывает температуру плавления чистого висмута (271°).

По мере прибавления к нему кадмия температура плавления понижается вплоть до некоторой точки С, а затем при дальнейшем увеличении содержания кадмия в смеси снова начинает расти по кривой СБ, пока не достигнет точки В,показывающей температуру плавления чистого кадмия (321°).

Если исходить из кадмия, постепенно прибавляя к смеси все больше и больше висмута, то сперва температуры плавления будут понижаться до точки С, а затем возрастать до точки А.

При охлаждении жидкого сплава, содержащего, положим, 20% кадмия и 80% висмута, из него при некоторой температуре, соответствующей точке К,начнет выкристаллизовываться чистый висмут, так что остающийся жидкий сплав будет становиться беднее этим веществом.

По мере выделения кристаллов висмута температура будет падать, и когда достигнет точки С (140°), весь остававшийся жидким сплав начнет затвердевать, как одно целое, при постоянной температуре.

Аналогичная картина получится, если охлаждать сплав, содержащий 60% Cd и 40% Bi, только теперь вначале будет выделяться кадмий .

Температура 140°, представляющая собой самую низкую температуру плавления, какую только может иметь сплав висмута с кадмием, называется эвтектической температурой, а сплав, отвечающий по составу этой точке, — эвтектической смесью или просто эвтектикой. В данном случае эвтектика содержит 40% кадмия и 60% висмута.

Пока сплав содержит меньше 40% кадмия, при охлаждении сплава выделяется висмут, играющий, таким образом, роль растворителя, кадмий же является растворенным веществом. В точке С роли висмута и кадмия меняются.

Из сплавов, содержащих более 40% кадмия, сперва выкристаллизовывается кадмий, теперь кадмий — растворитель, а висмут — растворенное вещество.

И только в том случае, когда содержание кадмия в сплаве составляет 40%, оба металла начинают кристаллизоваться

Рис. 135. Микрофотография эвтектического сплава Sn—Рb

одновременно, образуя эвтектику» При исследования эвтектики под микроскопом она оказывается состоящей из мельчайших кристалликов висмута и кадмия, тесно к перемешанных друг с другом . Сплавы висмута с кадмием иного состава содержат крупные; кристаллы одного из металлов, вкрапленные в сплошную массу эвтектики.

Всоответствии со всем сказанным на диаграмме плавкости системы висмут — кадмий (см. рис. 134) можно выделить пять областей: I — жидкий сплав кадмия с висмутом; II — смесь жидкого сплава и кристаллов висмута; III — смесь жидкого сплава и кристаллов кадмия; IV — смесь эвтектики и кристаллов висмута; V — смесь эвтектики и кристаллов кадмия.

Диаграммы плавкости строят обычно, исходя из кривых охлаждения сплавов. Для получения этих кривых берут два чистых металла и приготовляют из них ряд смесей различного состава. Каждую из приготовленных смесей расплавляют и затем медленно охлаждают, отмечая через точно определенные промежутки времени температуру остывающего сплава.

По данным наблюдений строят кривые охлаждения, откладывая на оси абсцисс время, а на оси ординат — температуру.

Для таких исследовании, составляющих содержание специальной научной дисциплины — металлографии, небольшой участок сплава шлифуют и полируют, пока не получится блестящая зеркальная поверхность.

Отполированную поверхность травят раствором какой-нибудь кислоты, щелочи или другого реактива Одни вещества сильнее разъедаются реактивом, другие меньше, и на отполированной поверхности выступают очертания составных частей сплава.

Полученный шлиф изучается под микроскопом вотраженном свете. На рис 135 показан шлиф эвтектического сплава олова и свинца. Основы металлографии были заложены более 100 лет назад русским инженером П. П.

Аносовым, впервые начавшим применять описанный метод исследования на уральских Златоустовскид заводах.

Диаграмма плавкости

Иногда остановки в падении температуры наблюдаются и на кривой охлаждения твердого металла, указывая на какие-то связанные с выделением тепла процессы, происходящие уже в твердом веществе, например переход из одной аллотропической формы в другую.

Несколько иной вид имеет кривая охлаждения сплава двух металлов. Такая кривая изображена на рис. 136 справа. Точка k, как и на первой кривой, отвечает началу затвердевания сплава, началу выделения кристаллов одного из входящих в сплав металлов.

При этом состав остающегося в жидком состоянии сплава изменяется и температура его затвердевания непрерывно понижается во время кристаллизации. Однако выделяющееся при кристаллизации тепло все же замедляет ход охлаждения, вследствие чего в точке k происходит некоторый перелом кривой.

Выпадение кристаллов и равномерное понижение температуры происходят до тех пор, пока сплав не достигнет эвтектического состава. Тогда падение температуры останавливается (точка k, так как выделение эвтектики идет при постоянной температуре.

Когда выделение эвтектики закончится, температура снова начинает падать по плавной кривой cb.

Рис. 136. Построение диаграммы плавкости по кривым охлаждения

На основании ряда полученных таким образом кривых для различных сплавов двух металлов строится диаграмма плавкости данной системы. Построение ее для системы Bi — Cd схематически показано на рис. 136.

Кривые 1 и 7 относятся к затвердеванию чистых металлов висмута и кадмия; все остальные кривые выражают остывание сплавов с постепенно уменьшающимся содержанием висмута. Из них кривая 4 отвечает затвердеванию сплава эвтектического состава (60% Bi и 40% Cd).

диаграммы плавкости, аналогичные рассмотренной нами, получаются только в простейших случаях, когда сплавляемые металлы не образуют ни химических соединений, ни твердого раствора.

Примером подобных сплавов, кроме описанного, могут служить сплавы: меди с серебром (эвтектика содержит 28% Сu и 72% Ag),свинца с сурьмой (эвтектика при 13% Sbи 87% Рb) и многие другие.

Более сложный вид имеют диаграммы плавкости в тех случаях, когда два металла при сплавлении не просто растворяются друг в друге, но образуют одно или несколько химических соединений.

На рис. 138 изображена диаграмма плавкости системы магний — свинец, двух веществ, образующих определённое химическое соединение Mg2Pb. Здесь мы видим две эвтектические точки — В и D, отвечающие температурам 460 и 250°.

Выдающийся максимум на кривой ABCDE (точка С) соответствует температурепла-вления Mg2Pb, а точка М на оси абсцисс указывает его состав. По линии АВ из сплава при охлаждении выделяется магний, по линии ED— свинец и по линии BCD — Mg2Pb.

Так, если охлаждать жидкий сплав, содержащий, положим, 40% свинца (60% магния), то из него сперва будут выделяться кристаллы магния; по мере их выделения температура будет снижаться и когда она упадет до 460°, вся оставшаяся еще жидкой часть сплава начнет при постоянной температуре затвердевать, образуя эвтектическую смесь мельчайших кристалликов магния и химического соединения Mg2Pb.

Подобный же результат получится при охлаждении жидкого сплава, содержащего, например, 75% свинца, но в этом случае сначала будут выделяться кристаллы Mg2Pb. Это будет происходить до тех пор, пока температура не снизится до 460° — точки образования эвтектики.

Аналогичные процессы с выделением эвтектики при 250° происходят при содержании в сплаве более 80% свинца (см. кривую CDE на рис. 137).

Таким образом, левая половина кривой от точки А до точки С представляет собой кривую плавкости сплавов магния и Mg2Pb, а правая — от точки С до точки Е — кривую плавкости сплавов свинца и Mg2Pb.

Эвтектика

Рис. 137. Диаграмма плавкости системы Mg—Рb

Если два металла образуют при сплавлении несколько химических соединений, то на кривой плавкости получается такое же число максимумов, определяющих состав этих соединений.

Таким образом, термический анализ позволяет судить как о природе сплавов вообще, так и о числе и составе соединений, образуемых сплавляемыми металлами, от чего в конечном счете зависят все свойства сплавов.

Пример. По диаграмме плавкости системы Bi — Cd определить: а) какой металл будет выделяться в первую очередь при охлаждении жидкого сплава, содержащего 50% висмута и 50% кадмия; б) сколько граммов этого металла выделится из 500 г сплава до момента образования эвтектики.

1. Из рис. 134 на стр. 553 видно, что точка, отвечающая температуре, при которой начинается затвердевание сплава, должна лежать на кривой ВС выше точки С. Поэтому при охлаждении сплава в первую очередь будет выделяться кадмий до тех пор, пока состав остающейся жидкой части сплава не достигает эвтектики.

2. Так как эвтектика содержит 60% висмута, то, очевидно, весь висмут должен будет войти в состав эвтектики. Тогда вес входящего в эвтектику кадмия определится из пропорции

60: 40 = 250 : x

откуда

x = (40 • 250):60 = 166,7 г. Cd

Следовательно, до момента образования эвтектики выделится

250— 166,7 = 83,3 г Cd

Благодаря термическому анализу открыто существование огромного числа соединений одних металлов с другими, носящих общее название интерметаллических соединений. Больше всего таких соединений, насколько пока известно, образуют щелочные и щелочноземельные металлы с металлами нечетных подгрупп, обладающими сравнительно слабыми металлическими свойствами.

Интерметаллические сплавы

Состав интерметаллических соединений обычно выражается формулами, совершенно несовместимыми с теми валентностями, которые металлы проявляют в соединениях с металлоидами. Так, например, натрий образует с оловом и свинцом следующие ряды соединений:

NaSn6 NaSn4, NaSn3, NaSn2, NaSn, Na4Sn2, Na2Sn, Na3Sn, Na4Sn, NaPb, Na2Pb, Na4Pb

Многие интерметаллические соединения очень прочны и не разлагаются при температурах, лежащих значительно выше их точек плавления.

Интерметаллические соединения обладают способностью растворяться в жидком аммиаке, образуя проводящие ток растворы. При электролизе таких растворов один из металлов, менее электроположительный, выделяется на аноде, другой— на катоде. Например, при электролизе раствора Na4Pb9 на аноде выделяется свинец, а на катоде — натрий.

В растворах интерметаллические соединения могут вступать в реакции обмена с различными солями. Например:

 2Ca(NO3)2+ K4Pb =Ca2Pb + 4KNO3

Металлы могут вытесняться из интерметаллических соединений другими металлами совершенно так же, как из обыкновенных солей.

Образование интерметаллических соединений теоретически пока еще не объяснено. Установлено лишь, что очень близкие по химическим свойствам металлы обычно не образуют соединений друг с другом.

В последнее время при изучении сплавов широко применяются методы рентгеновского анализа, позволяющие устанавливать внутреннее строение кристаллов, образующих сплав, и определять их кристаллические решетки.

Свойства сплавов во многом отличаются от свойств сплавляемых металлов, отнюдь не являясь их средними арифметическими, ввиду образования при сплавлении различных химических соединений или твердых растворов.

Температура плавления сплавов очень часто бывает ниже температуры плавления наиболее легкоплавкой составной части сплава. Примером сплава с очень низкой температурой плавления может служить сплав, состоящий из свинца (4 ч.), олова (2 ч.), висмута (6 ч.) и кадмия (1 ч.). Он плавится около 75°, т. е.

уже при опускании в горячую воду, между тем как температура плавления самого легкоплавкого из четырех названных металлов — олова — равна 231,9°. Наоборот, твердость сплавов обычно больше твердости их составных частей, особенно если при сплавлении образуются химические соединения металлов, которые, как правило, тверже, чем сплавляемые металлы, но зато и более хрупки.

Очень большой твердостью обладают сплавы, содержащие твердые растворы.

203 204 205

Вы читаете, статья на тему Сплавы

Источник: https://znaesh-kak.com/x/x/%D1%81%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D1%8B

Диаграммы состояния металлических систем

Построение диаграммы плавкости системы магний-свинец

При изуче­нии свойств сплавов очень большое значение имеют диаграммы состояния, характеризующие состояние сплавов различного состава при разных температурах.

Такие диаграммы показывают термодинамически устойчивые состояния, т. е. состояния, отвечаю­щие минимуму энергии Гиббса системы.

Их называют также разновесными диаграммами, так как они показывают, какие фазы могут сосуществовать при данных условиях.

Диаграммы состояния получают экспериментально. Обычно для этого строят кривые охлаждения и по остановкам и перегибам на них, вызванным тепловыми эффектами превращений, опре­деляют температуры этих превращений.

Для получения кривых охлаждения приготовляют из двух металлов изучаемой системы ряд смесей различного состава. Каждую из приготовленных смесей расплавляют. Получающиеся жидкие сплавы (расплавы) мед­ленно охлаждают, отмечая через определенные промежутки вре­мени температуру остывающего сплава.

По данным наблюдений строят кривые охлаждения, откладывая на оси абсцисс время, а на оси ординат — температуру (рис. 15).

На рис. 15 слева показано, какой вид имеет кривая охлаж­дения чистого расплавленного металла. Сначала понижение тем­пературы плавно идет по кривой ak.

В точке k происходит перелом кривой, начинается образование твердой фазы (кристаллизация), сопровождающееся выделением теплоты, вследствие чего темпера­тура некоторое время остается постоянной (кривая идет парал­лельно оси абсцисс).

Когда вся масса расплавленного металла затвердеет, опять начинается плавное понижение температуры по кривой св.

Рис.15. Кривые охлаждения Рис. 16. компонента

Иногда остановки в падении температуры наблюдаются и на кривой охлаждения твердого металла, указывая на связанные с выделением теплоты процессы, происходящие уже в твердом веществе, например переход из одной кристаллической формы в другую.

Несколько иной вид имеет кривая охлаждения сплава двух металлов. Такая кривая изображена на рис. 15 справа. Точка к, как и на первой кривой, отвечает началу затвердевания — началу выделения из сплава кристаллов одного из входящих в него ме­таллов.

При этом состав остающегося жидким сплава изменяется, и температура его затвердевания непрерывно понижается во время кристаллизации. Однако выделяющаяся при кристаллизации теп­лота все же замедляет ход охлаждения, вследствие чего в точке k происходит перелом кривой.

Выпадение кристаллов и плавное по­нижение температуры происходят до тех пор, пока не достигается температура, при которой сплав закристаллизовывается без изме­нения состава. Здесь падение температуры приостанавливается точка k1).

Когда кристаллизация закончится, температура падает по кривой св.

Имея достаточный набор сплавов, различающихся содержанием компонентов, и определив в каждом сплаве температуры превращений, можно построить диаграмму со­стояния. На диаграммах состояния по вертикальной оси откладывают температуру, а по горизонтальной — состав сплава (концентра­цию одного из компонентов).

Для сплавов, состоящих из двух компонентов, обозначаемых буквами X и Y, состав характеризу­ется точкой на отрезке прямой, принятом за 100%. Крайние точ­ки соответствуют индивидуальным компонентам. Любая же точка отрезка, кроме крайних, характеризует состав двойного сплава. На рисунке 16 числа указывают содержание компонента Y.

На­пример, точка К отвечает сплаву, состоящему из 20% Y и 80% X.

Рассмотрим четыре простых случая — четыре типа диаграмм, соответствующие упомянутым выше типам сплавов: механической смеси, твердому раствору с неограниченной и с ограниченной рас­творимостью и химическому соединению.

Диаграмма состояния для сплавов, образующих механические смеси индивидуальных компонентов. В качестве примера диаграммы этого типа на рис. 17 приведена диаграмма состояния системы Рb—Sb.

Точки А и В на диаграмме — это температуры плавления компонентов системы: свинца (327°С) и сурьмы (631°С). В сплавах рассматриваемого типа добавка одного компонента к другому, согласно закону Рауля, понижает температуру начала его кристаллизации (затвер­девания).

Кривая АЕ показывает температуру кристаллизации свинца из расплавов, богатых свинцом, а кривая BE— темпера­туру кристаллизации сурьмы из расплавов, богатых сурьмой. Видно, что по мере увеличения содержания второго компонента температуры кристаллизации как свинца, так и сурьмы пони­жаются.

Точка Е принадлежит обеим кривым: из расплава, состав которого отвечает этой точке, кристаллизуются одновременно оба металла. Эта совместная кристаллизация происходит при самой низкой температуре.

Отвечающий точке Е состав называется эвтектическим составом, а соответствующий сплав — эвтектическим сплавом или просто эвтектикой (от грече­ского «эвтектикос» — хорошо плавящийся). Для системы Pb—Sb эвтектика состоит из 13% Sb и 87% Рb; она плавится и кристалли­зуется при 246°С.

Рассмотрим подробнее процесс кристаллизации расплава. Пусть это будет расплав, содержащий 40% Sb и 60% Рb (точка k на рис. 17). При охлаждении этого расплава до 395 °С (точка l) из него начнут выпадать кристаллы.

Это будут кристаллы избы­точного по сравнению с эвтектикой компонента, в данном случае — сурьмы. Теперь сплав стал двухфазным. На диаграмме состояния ему отвечают две точки: точка l (расплав) и точка m(кристаллы сурьмы).

Кристаллизация некоторого количества сурьмы изменит состав расплава; он станет беднее сурьмой и, следовательно, бо­гаче свинцом. Точка на диаграмме, отвечающая расплаву, сме­стится немного влево.

Поскольку охлаждение продолжается, эта точка вновь дойдет до кривой — из расплава снова выпадет ка­кое-то количество кристаллов сурьмы.

Таким образом, по мере охлаждения и кристаллизации точка, отвечающая расплаву, дви­гается вниз и влево по кривой кристаллизации сурьмы, а точка, отвечающая кристаллам сурьмы, — вниз по правой вертикальной оси. Когда расплав достигнет эвтектического состава, из него ста­нут выпадать очень мелкие кристаллы обоих компонентов (эвтек­тика), пока не закристаллизуется все взятое количество вещества. Получившийся сплав будет представлять собою смесь эвтектики с кристаллами сурьмы.

Рис.17. Процесс кристаллизации расплава

Если исходить из расплава, содержащего небольшой процент сурьмы (меньше эвтектического), то весь процесс будет происхо­дить аналогично рассмотренному, с той разницей, что вначале будут выпадать кристаллы не сурьмы, а свинца.

Полученный сплав будет иметь структуру, представляющую собой смесь эвтектики с кристаллами свинца.

Наконец, если исходить из расплава эвтектического состава, то весь сплав закристаллизуется при 246 °С и будет представлять собой эвтектику.

Если верхние кривые диаграммы на рис. 17 (АЕ и BE) пока­зывают температуру начала кристаллизации, то нижняя — гори­зонталь, проходящая через точку Е, — показывает температуру окончания кристаллизации сплава. Как видно, для систем, имеющих диаграммы рассматриваемого типа, температура окон­чания кристаллизации не зависит от состава сплава.

Рис.18. Процесс кристаллизации расплава

При плавлении твердых сплавов горизонталь, проходящая через точку Е, показывает температуру начала плавления. В рассматриваемом случае эта температура не зависит от состава сплава, потому что плавление начинается с эвтектики, входящей в состав всех сплавов системы (кроме индивидуальных компонен­тов).

При этом температура сплава будет оставаться постоянной, пока вся имеющаяся в нем эвтектика не расплавится. Дальнейшее нагревание приведет к повышению температуры — начнут плавить­ся кристаллы чистого компонента, которые находились в исходном сплаве в смеси с эвтектикой.

Состав расплава будет обогащаться этим компонентом, и точка, отвечающая расплаву, будет двигаться по соответствующей ветви верхней кривой. Когда плавление закон­чится, т. е. когда твердая фаза исчезнет, тогда состав расплава станет таким же, каким был состав исходного сплава.

Таким обра­зом, если исходить из твердого сплава, то горизонталь, проходя­щая через точку Е, показывает температуру начала, а кривые АЕ и BE — окончания плавления.

Из сказанного ясно, что области I на диаграмме рис. 17 отве­чает расплав, областям II и III соответствует сосуществование расплава с кристаллами избыточного компонента, областям IV и V отвечает смесь эвтектики с зернами свинца (область IV) или сурь­мы (область V).

Как уже говорилось, по горизонтальной оси диаграмм состоя­ния откладывается состав взятого сплава. Однако для областей, отвечающих равновесию двух фаз, по этой оси можно также устанавливать составы этих фаз. Пусть, например, сплав 5% Sb и 95% Рb нагрет до 270 °С.

Такому сплаву отвечает точка а на диа­грамме состояния (рис. 18). Проведем через эту точку горизонталь до пересечения с ближайшими линиями диаграммы. Мы получим точки b и с.

Они показывают, что взятому сплаву при 270 °С отвечает равновесие кристаллов свинца (точка b) с распла­вом, состав которого определяется абсциссой точки с (приблизи­тельно 10% Sb и 90% Рb).

Диаграмма состояния для сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии. На рис.

19 приведена диаграмма состояния системы Ag—Аu, представляющая собой простейший пример диаграмм этого типа, Как и в предыдущих случаях, точки А и В показывают температу­ры плавления компонентов.

Вид кривых плавления (нижняя кри­вая) и затвердевания (верхняя кривая) обусловлен в этом случае тем, что кристаллы, выделяющиеся при охлаждении расплава, всегда содержат оба компонента (кроме, конечно, кристаллизации чистых серебра или золота).

Рис.19. Диаграмма состояния системы Ag—Аu

Рассмотрим, как происходит кристаллизация расплавов в этом случае. Пусть исходный жидкий сплав соответствует точке d на диаграмме (рис. 19). При охлаждении его до температуры t1 (точка е) начинается кристаллизация. Кристаллы представляют собой твердый раствор, более богатый тугоплавким компонен­том золотом (точка р).

Поэтому в ходе кристаллизации жидкая фаза обедняется тугоплавким компонентом, и точка диаграммы, отвечающая расплаву, смещается несколько влево. По мере охла­ждения эта точка движется вниз, вновь доходит до кривой и про­цесс кристаллизации продолжается.

Таким образом, охлаждение расплава сопровождается выпадением кристаллов твердого рас­твора, обогащенных тугоплавким компонентом — золотом, и обога­щением расплава легкоплавким компонентом — серебром. Соот­ветствующие точки на диаграмме при этом перемещаются: состав жидкой фазы изменяется по верхней линии, а состав твердого раствора — по нижней.

При медленном проведении процесса кристаллизация заканчивается по достижении такой температуры t2, при которой образующиеся кристаллы имеют состав исходного сплава (точка r).

Таким образом, области I на диаграмме состояния рассматри­ваемой системы (рис. 19) отвечает расплав, области II— сосуществование расплава и кристаллов твердого раствора, области III твердый раствор.

При равновесии точки обеих кривых на диаграмме связаны между собой: каждой температуре отвечает расплав определенного состава и кристаллы тоже определенного состава, но другого, чем состав расплава (например, точке е отве­чает точка р).

В ходе процесса кристаллизации температура системы пони­жается и равновесие между расплавом и кристаллами, образовавшимися ранее, т. е. при более высокой температуре, нарушается. Поэтому кристаллизация сопровождается диффузией, в результат чего при медленном проведении процесса зерна всего сплава получаются однородными и имеют одинаковый состав.

При быстром охлаждении процессы диффузии не успевают происходить, и сплав получается неоднородным. Как и в предыдущем случае, по горизонтальной оси диаграммы можно устанавливать составы равновесных фаз, в данном слу­чае — расплава и находящегося в равновесии с ним твердого рас­твора.

Например, система, которой отвечает точка s, состоит из расплава, состав которого отвечает точке е, и кристаллов состава, соответствующего точке р.

Диаграмма состояния для сплавов с ограниченной взаимной растворимостью в твердом состоянии. В сплавах этого типа, образуемых компонентами X и Y, могут существовать жидкая фаза и два твердых раствора: раствор компонента X в Y и раствор компонента Y в X.

В простейшем случае эти два твердых раствора образуют эвтектику; к такому типу принадлежит система Pb—Sn, диаграмма состояния которой приведена на рис. 20.

Отметим прежде всего, что области I здесь отвечает расплав, области II — твердый раствор олова в свинце, области III — твердый раствор свинца в олове.

Для того чтобы понять, существованию каких фаз отвечают другие области на диаграмме и кривые на ней, рассмотрим, как протекает в системе данного типа кристаллизация расплавов.

Рис.20. Диаграмма состояния системы Pb—Sn

Сначала будем исходить из жидкого сплава, богатого свинцом (точка d на рис. 20). При охлаждении этого расплава до темпе­ратуры t1 (точка е) начнется выделение кристаллов твердого рас­твора олова в свинце.

Состав этих кристаллов отвечает точке р; они богаче свинцом, чем исходный расплав, так что при кристал­лизации расплав обедняется свинцом.

Как и в предыдущих слу­чаях, точки на диаграмме, отвечающие расплаву и образующимся кристаллам, перемещаются: состав жидкой фазы изменяется по линии АЕ, а состав кристаллов — по линии AD.

По достижении температуры t2 (точка r) образующиеся кристаллы имеют состав исходного сплава. Если процесс проводится достаточно медленно, то при температуре t2 кристаллизация заканчивается, подобно тому, как это происходит в системах с неограниченной взаимной растворимостью (см. выше).

Кривая ADF показывает растворимость олова в твердом свинце при различных температурах. Видно, что растворимость макси­мальна при 183,3 °С. Поэтому при охлаждении кристаллов до тем­пературы t3 (точка s) твердый раствор делается насыщенным.

В нем начнет протекать превращение в твердом состоянии: кри­сталлы твердого раствора на основе свинца, состав которых отве­чает точке s, будет превращаться в кристаллы твердого раствора на основе олова, состав которых соответствует точке q.

При посто­янной температуре кристаллы этих двух твердых растворов будут находиться в равновесии. Однако при дальнейшем охлаждении равновесие нарушится и превращение одних кристаллов в другие будет продолжаться.

При этом кристаллы твердого раствора на основе свинца будут обедняться оловом — их состав будет изме­няться по кривой DF; одновременно по кривой CG будет изменять­ся состав кристаллов твердого раствора на основе олова.

Теперь рассмотрим охлаждение жидкого сплава, не столь бога­того свинцом (точка f). При охлаждении до температуры (точ­ка g) из расплава начнут выделяться кристаллы твердого раствора на основе свинца; их состав отвечает точке h.

По мере выделения этих кристаллов, расплав обогащается оловом: его состав изме­няется по линии АЕ, а состав выделяющихся кристаллов — по ли­нии AD.

Когда точка, отвечающая расплаву, достигает точки Е, из расплава выделяются кристаллы обоих твердых растворов; при этом состав кристаллов твердого раствора на основе свинца отве­чает точке D, а состав кристаллов твердого раствора на основе олова — точке С. Ясно, что точка Е представляет собой эвтектиче­скую точку, а выделяющаяся смесь кристаллов — эвтектическую смесь.

В области температур ниже 183,3 °С растворимость свинца в олове и олова в свинце с понижением температуры уменьшается. Поэтому при дальнейшем охлаждении сплава образовавшиеся кристаллы изменяют свой состав. Состав кристаллов твердого рас­твора олова в свинце изменяется по кривой DF, а кристаллов твердого раствора свинца в олове — по кривой CG.

Аналогично протекает кристаллизация расплавов, богатых оло­вом. В этом случае кристаллизация начинается с выделения кри­сталлов твердого раствора на основе олова.

На основании сказанного можно заключить, что областям IV и V на диаграмме отвечает сосуществование жидкого расплава и кристаллов твердого раствора на основе свинца (область IV) или на основе олова (область V), а областям VI и VII — смеси кри­сталлов эвтектики с кристаллами твердого раствора на основе свинца (область VI) или твердого раствора на основе олова (область VII).

Металлы образуют друг с другом многочислен­ные соединения, называемые интерметаллическими.

Энтальпии образования подобных соединений обычно невелики; лишь в некоторых случаях (напри­мер, при взаимодействии алюминия с расплавленной медью) их образование сопровождается значительным экзотермическим эф­фектом. Многие металлы образуют по несколько соединений друг с другом, например, AuZn, Au3Zn5, AuZn3; Na4Sn, NaSn, NaSn2.

На рис. 21 приведена диаграмма состояния системы Mg—Pb. Эта система служит простейшим примером систем, в которых об­разуются химические соединения: свинец образует с магнием только одно соединение Mg2Pb, а в твердом состоянии эти металлы взаимно нерастворимы.

Рис.21. Диаграмма состояния для сплавов, образующих химические соединения.

От рассмотренных ранее диаграмм эта диаграмма отличается наличием максимума на кривой начала кристаллизации. Этот максимум (точка С) отвечает температуре плавления соедине­ния Mg2Pb. Абсцисса точки максимума указывает состав соедине­ния. На диаграмме имеются две эвтектики Е1 и E2. Эвтектика Е1 представляет собой смесь кристаллов Mg и Mg2Pb, а эвтектика Е2 — кристаллов Рb и Mg2Pb.

Таким образом, диаграмма системы с химическим соединением как бы составлена из двух диаграмм первого типа. Если компоненты системы образуют между собой два или более химических соединения, то диаграмма как бы составлена из трех, четырех и более отдельных диаграмм первого типа.

Кристаллизация сплавов в этом и в подобных случаях проис­ходит аналогично кристаллизации сплавов, образующих диаграм­мы первого типа. Отличие состоит в том, что, кроме выделения кристаллов индивидуальных компонентов, происходит еще образо­вание кристаллов соединения.

По линии АЕ1 из расплавов при охлаждении выделяется магний, по линии Е2В — свинец и по ли­нии Е1СЕ2 — Mg2Pb. Так, если охлаждать жидкий сплав, содер­жащий 40% РЬ (60% Mg), то из него сначала будут выделяться кристаллы магния.

Когда температура понизится до 460°С, вся оставшаяся еще жидкой часть сплава начнет затвердевать при этой температуре, образуя эвтектическую смесь мельчайших кри­сталликов магния и химического соединения Mg2Pb.

При охлаждении жидкого сплава, содержащего 75% РЬ, сна­чала будут выделяться кристаллы Mg2Pb. Это будет происходить до тех пор, пока температура не снизится до 460 °С — точки обра­зования эвтектики. Аналогичные процессы с выделением эвтек­тики Е2 (при 250 °С) будут протекать при содержании в сплаве более 80% Рb.

Нетрудно понять, что области I на, рис. 21 отвечает жидкий сплав, областям II—V—равновесия жидкого сплава и соответ­ствующих кристаллов (в области II — кристаллы Mg, в. областях III и IV— кристаллы Mg2Pb, в области V — кристаллы РЬ), а областям VI — IX — твердые сплавы (Mg + эвтектика Е1 (VI), Mg2Pb + эвтектика Е1 (VII), Mg2Pb + эвтектика Е2 (VIII), Pb + эвтектика E2 (IX)).

Мы рассмотрели наиболее простые, но в то же время важней­шие типы диаграмм состояния. Для многих систем диаграммы состояния носят значительно более сложный характер. Так, ряд металлов и сплавов испытывают превращения в твердом состоя­нии, переходя из одной модификации в другую. На диаграмме состояния появляются при этом кривые, разграничивающие обла­сти устойчивости этих модификаций.

Существуют методы построения диаграмм состояния трой­ных систем — систем, состоящих из трех компонентов.

Для технически важных систем диаграммы состояния изучены и приводятся в специальной литературе.

Они имеют широкое при­менение в различных областях науки и техники, служат научной основой при подборе сплавов, обладающих заданными свойствами, при изыскании методов термической обработки сплавов, при раз­работке и создании новых сплавов. Примером системы, имеющей очень большое практическое значение, может служить система Fe — С.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/4_168398_diagrammi-sostoyaniya-metallicheskih-sistem.html

Диаграммы состояния некоторых двойных систем

Построение диаграммы плавкости системы магний-свинец

Рис. П.1.1. Диаграмма состояния системы олово-сурьма

Рис. П.1.2. Диаграмма состояния системы олово-свинец

Рис. П.1.3. Диаграмма состояния системы сурьма-теллур

Рис. П.1.4. Диаграмма состояния системы алюминий-кремний

Рис. П.1.5. Диаграмма состояния системы медь-цинк

Рис. П.1.6. Диаграмма состояния системы серебро-медь

Рис.П.1.7. Метастабильная диаграмма состояния системы железо-углерод

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ ДОМАШНЕГО ЗАДАНИЯ

Кафедра безопасности жизнедеятельности

Домашнее задание №1

по курсу «Материаловедение и технология материалов»

Вариант №…

Студент

1. Вычертите диаграмму состояния системы Pb-Mg (свинец-магний):

а) перечислите твердые фазы имеющиеся в рассматриваемой системе, дайте им краткую характеристику;

б) опишите фазовые превращения в сплаве с 70 %Pb, 30 %Mg при охлаждении;

в) определите для заданного сплава:

· химический состав фаз (концентрацию компонентов в фазах) при температурах 400, 500, 650 oC;

· количество каждой фазы в % при температуре 400 оС;

· структурные составляющие при комнатной температуре.

На диаграмме состояния системы Mg-Pb существуют следующие фазы: жидкость (L), чистый магний (Mg), чистый свинец (Pb), химическое соединение (Mg2Pb).

При охлаждении в сплаве с 70 %Pb, 30 %Mg происходят фазовые преврашения, описанные ниже.

В точке а из жидкости начинают выделяться первые кристаллы химического соединения Mg2Pb. При последующем охлаждении количество твердого химического соединения увеличивается.

При этом состав оставшейся жидкости изменяется по линии аd. При достижении температуры 460 оС оставшаяся жидкость кристаллизуется по эвтектическому механизму: L → Mg + Mg2Pb.

Образуются твердый магний и химическое соединение.

При дальнейшем охлаждении количество и состав фаз не изменяется.

Химический состав фаз при температурах:

· 400 оС – твердый магний и химическое соединение Мg2Pb;

· 500 оС – жидкая фаза с составом а' и химическое соединение Мg2Pb;

· 650 оС – только расплав магния с содержанием свинца 30 %.

Количество фаз при температуре 400 оС определяется по правилу рычага:

· магния mn/kn= 10/80 = 12,5 %;

· химического соединения Мg2Pb km/kn = 70/80 = 87,5 %.

При комнатной температуре структура сплава – эвтектика (Mg + Mg2Pb) и выделения первичной фазы — Мg2Pb. Схематично структура сплава имеет вид, изображенный ниже.


2. Вычертите метастабильную диаграмму состояния системы железо-углерод (рис.П.1.7):

а) дайте определение фазам аустенит и цементит;

б) опишите фазовые превращения в сплаве с содержанием углерода 1,6% при охлаждении;

в) определите для заданного сплава:

· химический состав фаз (содержание углерода в фазах) при температурах эвтектоидной, 1100, 1300 оС;

· количество каждой фазы в % при температуре 1300 оС;

· структурные составляющие при комнатной температуре.

Аустенит – это твердый раствор внедрения углерода в ГЦК-железе. Это пластичная фаза, легко деформируется.

Цементит – это химическое соединение Fe3C. Хрупкая, очень твердая фаза.

При охлаждении и достижении температуры, соответствующей точке а, из жидкого металла начинают выделяться твердые кристаллы аустенита с составом в. При дальнейшем охлаждении состав жидкости изменяется по линии ad, а состав аустенита — по линии be.

По достижении точки е вся жидкость перешла в аустенит. В интервале ef существует только аустенит состава с. Ниже точки f аустенит оказывается пересыщен по углероду и из него выделяются пластины цементита (цементит вторичный).

В ходе охлаждения состав аустенита изменяется по линии fS. При температуре 721оС происходит эвтектоидное превращение – аустенит с содержанием углерода 0,8% распадается на феррит и цементит. При последующем охлаждении феррит оказывается пересыщен по углероду и из него выделяется цементит (цементит третичный).

При охлаждении состав феррита изменяется по линии PQ.

Химический состав фаз при температурах:

· 721 оС – феррит состава точки Р и цементит;

· 1100 оС – аустенит состава точки с;

· 1300 оС – аустенит состава точки b' и жидкий металл состава точки a'.

Количество фаз при температуре 1300 оС определяется по правилу рычага:

· содержание аустенита ma'/a'b' = 1,6/2,0 = 80 %;

· содержание жидкой фазы b'm/a'b' = 0,4/2,0 = 20 %.

Структурные составляющие при комнатной температуре:

Перлит (феррит + цементит), вторичный цементит и третичный цементит.

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДИАГРАММАХ СОСТОЯНИЯ ДВОЙНЫХ СИСТЕМ………………………………………………
1.1. Диаграмма состояния сплавов, образующих механическую смесь компонентов……………………………………………
1.2. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии……….
1.3. Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы……………………………………………..
1.4. Диаграмма состояния сплавов, образующих химические соединения…………………………………………………….
1.5. Диаграмма состояния сплавов, образующих перитектику…
1.6. Метод определение количества и состава фаз в сплаве……
1.7. Система железо-углерод………………………………………
2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ДОМАШНЕГО ЗАДАНИЯ…………………………………………
3. ВАРИАНТЫ ДОМАШНИХ ЗАДАНИЙ………………………….
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ НЕКОТОРЫХ ДВОЙНЫХ СИСТЕМ………………………………………………….
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ ДОМАШНЕГО ЗАДАНИЯ………………………………………………………………

Учебное издание

СПЛАВЫ И ИХ СТРУКТУРА

Составитель Барышев Евгений Евгеньевич

Редактор И.В. Коршунова

Компьютерный набор Е.Е. Барышева

ИД № 06263 от 12.11.2001

_______________________________________________________

Источник: https://lektsii.org/11-5586.html

3. Методика проведения лабораторной работы

Построение диаграммы плавкости системы магний-свинец

Послесобеседования с преподавателем студентможет приступить к выполнению одной изданных лабораторных работ. Каждая работаимеет следующую структуру:

ТеоретическаяЧастьРезультаты экспериментаЗадание по лабораторной работе

Дляработы удобно использовать следующиесочетания клавиш :

Дляоткрывания нужного раздела структуры

нажмитеCTRLи щелкните по названию раздела.

Длявозврата к началу лабораторной работы–

нажмитеCTRLи Home

Вразделе «Теоретическая часть» приведеныкраткие сведения о различных типахдиаграмм и о термическом анализе.Пользуясь клавишами управления в любоймомент можно обратиться к какому-либовопросу этого раздела для лучшегопонимания материала.

Вразделе «Результаты эксперимента»приведены кривые охлаждения исследуемойсистемы. Если масштаб приведенных кривыхохлаждения покажется вам недостаточендля точного «считывания» значенийтемпературы — его легко увеличить вверхнем меню, указав вместо 100 % какое-либодругое значение, например 200%.

Каждаякривая охлаждения снята в системеопределенного состава, он задан массамивеществ, образующих систему. Для диаграммыплавкости нужно рассчитать значениемассовой доли того компонента, которыйуказан в названии системы вторым — .

Дляпостроения диаграммы плавкости необходимов каждом опыте зафиксировать температурыизломов или горизонтальных участковна кривых охлаждения. Анализируя кривуюохлаждения, уже можно соотнести полученныетемпературы к тем или иным процессам всистеме. Это сложный процесс и, наверное,как наиболее простой метод построениядиаграммы можно порекомендоватьследующую очередность действий:

1.Начертить оси будущей диаграммыплавкости, исходя из того, что массоваядоля изменяется от 0 до 1, а размахизменения температуры можно примерноопределить повсемкривым охлаждения. Переводить температуруиз шкалы Цельсия в шкалу Кельвинанеобязательно.

2. Иззначений массовых долей, соответствующихразным опытам последовательно восстановитьперпендикуляры и на каждом отложитьвсе отмеченные по соответствующейкривой охлаждения температуры перегибовили горизонтальных участков.

3. Сопоставляязнания по различным диаграммам иполученные данные, попытаться соединитьотмеченные точки.

Вразделе «Задания по лабораторной работе» даны задания, которые нужно выполнить.Для удобства работы эти же заданияприведены

в концеметодических указаний.

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

1.Указание целей поставленных передстудентом при выполнении лабораторнойработы

2.Описание метода получения кривыхохлаждения и примеры кривых охлаждения(соответствующих п.4 задания).

3.Диаграмму плавкости изучаемой системыи ее полный анализ ( в произвольнойформе) согласно п. 2 — 4 задания налабораторную работу.

4.Ответы на задания 5 и 6 .

5.Выводы, касающиеся метода получениядиаграммы плавкости и характеристикиданной диаграммы: наличие эвтектики,перитектики, устойчивого химическогосоединения и т.д.

Заданияпо лабораторным работам

Лабораторнаяработа 10 а

Построениедиаграммы плавкости системы «магний-свинец»

1.Постройте по кривым охлаждения диаграммуплавкости системы «магний-свинец».

2.Обозначьте все области на диаграмме иукажите природу и число сосуществующихтам фаз, а также условную вариантностьсистемы.

3.Укажите особые точки на диаграмме,вычислите условную вариантность системыв них.

4. Опишите процессохлаждения расплавов в опытах № 4 и №6.

5. Какойкомпонент (укажите состав) выкристаллизуетсяиз системы, если расплав состава опыта№ 14 охладить до температуры 350 оС.

6. Какоеколичество жидкой фазы будет находитьсяв системе первоначального состава,соответствующего расплаву № 6 при 550оС,если общая масса системы 2 кг?

Лабораторнаяработа 10 б

Диаграммасостояния бинарной системы «железо -сурьма»

1.Постройте по кривым охлаждения диаграммуплавкости системы «железо — сурьма».

2.Обозначьте все области на диаграмме иукажите природу и число сосуществующихтам фаз, а также условную вариантностьсистемы.

3.Укажите особые точки на диаграмме,вычислите условную вариантность системыв них.

4. Опишите процессохлаждения расплавов в опытах № 3 и №9.

5. Какойкомпонент (укажите состав) выкристаллизуетсяиз системы, если расплав состава опыта№ 11 охладить до температуры 800 оС.

6. Какоеколичество твердой фазы и что это зафаза выделится из расплава № 5 приохлаждении его до 1100 оС из системы, общей массой 1 кг.

Лабораторнаяработа 10 в

Построение ианализ диаграммы состояния системы«железо — цирконий»

1.Постройте по кривым охлаждения диаграммуплавкости системы «железо — цирконий».

2.Обозначьте все области на диаграмме иукажите природу и число сосуществующихтам фаз, а также условную вариантностьсистемы.

3.Укажите особые точки на диаграмме,вычислите условную вариантность системыв них.

4.Опишите процесс охлаждения расплавовв опытах № 6 и № 13.

5. Какойкомпонент (укажите состав) выкристаллизуетсяиз системы, если расплав состава опыта№ 8 охладить до температуры 1500 оС.

6. Какоеколичество жидкой фазы будет находитьсяв системе, соответствующей расплаву №5 при1400 оС,если общая масса системы 2 кг.

Лабораторнаяработа 10 г

Физико-химическийанализ двухкомпонентной системы

1.Постройте по кривым охлаждения диаграммуплавкости системы «лантан — таллий».

2.Обозначьте все области на диаграмме иукажите природу и число сосуществующихтам фаз, а также условную вариантностьсистемы.

3.Укажите особые точки на диаграмме,вычислите условную вариантность системыв них.

4.Опишите процесс охлаждения расплавовв опытах № 6 и № 11.

5. Какойкомпонент (укажите состав) выкристаллизуетсяиз системы, если расплав состава опыта№ 7 охладить до температуры 1000 оС.

6. Какоеколичество твердой фазы будет в системе,соответствующей расплаву № 2 при 700 оС,если общая масса расплава 1 кг?

Источник: https://studfile.net/preview/1887694/page:6/

Материаловедение

Построение диаграммы плавкости системы магний-свинец

Оглавление

Опишите строение и основные характеристики кристаллической решетки ниобия (параметры, координационное число, плотность упаковки). 3

Вычертите диаграмму состояния системы свинец-магний. Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях, укажите структурные составляющие во всех частях диаграммы и объясните изменение свойств сплавов с помощью правил Курнакова. 5

Опишите механизм упругой и пластической деформаций реального (поликристаллического) металла. 9

Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, опишите структурные составляющие во всех частях диаграммы, опишите превращения и постойте кривую нагревания в интервале температур от 0 до 1600°С (с применением правила фаз) для сплава содержащего 1,9%С. Выберите для рассматриваемого сплава любую температуру между линиями ликвидус и солидус и определите: состав фаз, это значит процентное содержание углерода в фазах; количественное соотношение фаз. 14

Основные точки диаграммы железо-углерод 14

Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для стали У8, нанесите на ее кривую режима термической обработки, которая обеспечит получение твердости НВ550. Укажите, как режим называется, опишите сущность превращений. Какая структура получается в этом случае? 22

Литература 23

Опишите строение и основные характеристики кристаллической решетки ниобия (параметры, координационное число, плотность упаковки)

Ниобий (лат. Niobium), Nb, химический элемент V группы периодической системы Менделеева; атомный номер 41, атомная масса 92,9064; металл серо-стального цвета. Элемент имеет один природный изотоп 93Nb.

Кларк ниобия 18 г/т. Содержания ниобия увеличивается от ультраосновных (0,2 г/т Nb) к кислым породам (24 г/т Nb). Ниобию всегда сопутствует тантал. Близкие химические свойства ниобия и тантала обуславливают совместное их нахождение в одних и тех же минералах и участие в общих геологических процессах.

Ниобий способен замещать титан в ряде титансодержащих минералов (сфен, ортит, перовскит, биотит). Форма нахождения ниобия в природе может быть разной: рассеянной (в породообразующих и акцессорных минералах магматических пород) и минеральной. В общей сложности известно более 100 минералов, содержащих ниобий.

Из них промышленное значение имеют лишь некоторые: колумбит-танталит (Fe, Mn)(Nb, Ta)2O6, пирохлор (Na, Ca, TR, U)2(Nb, Ta, Ti)2O6(OH, F) (Nb2O5 0 — 63 %), лопарит (Na, Ca, Ce)(Ti, Nb)O3 ((Nb, Ta)2O5 8 — 10 %), иногда используются эвксенит, торолит, ильменорутил, а также минералы, содержащие ниобий в виде примесей (ильменит, касситерит, вольфрамит). В щелочных — ультраосновных породах ниобий рассеивается в минералах типа перовскита и в эвдиалите. В экзогенных процессах минералы ниобия и тантала, являясь устойчивыми, могут накапливаться в деллювиально-аллювиальных россыпях (колумбитовые россыпи), иногда в бокситах коры выветривания. Концентрация ниобия в морской воде 1·10−5 мг/л.

Кристаллическая решетка ниобия объемноцентрированная кубическая с параметром а = 3,294Å. 

У кубической объемно-центрированной решетки плотность упаковки 68% и координационное число 8 приходится 68%:8=8,5%.

Рисунок 1. ОЦК решетка.

Вычертите диаграмму состояния системы свинец-магний. Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях, укажите структурные составляющие во всех частях диаграммы и объясните изменение свойств сплавов с помощью правил Курнакова

Рис.2. Диаграмма   состояния  для  сплава   системы   магний + свинец ,  образующий  химическое соединение.

Эта  диаграмма   отличается   наличием максимума   на   кривой  кристаллизации  (точка  С).  Этот  максимум  отвечает  температуре  плавления  соединения Mg2Pb.  На  диаграмме   имеются   две эвтектики Е1 и Е2.

Рис.3. Схематическая диаграмма состояния  для  сплава   системы   магний + свинец ,  образующий  химическое соединение

Данную диаграмму следует рассматривать как две диаграммы состояния для сплавов образующих механические смеси чистых компонентов (1-го рода): первая – для системы  А –  Аn Вm  и вторая – для системы  В –  АnВm. 

На диаграмме имеются две эвтектические точки  Е1 и  Е2. 

В этих точках из жидкости при температурах  TE1 и TE2  образуется две эвтектические смеси, соответственно                                            

Е1 =  A  + АnВm,      Е2  =  B  + АnВm.   

 В результате после окончания затвердевания в структуру сплавов кроме чистых компонентов будут входить две эвтектики  Е1 и Е2.

Н.С. Курнаков показал определенную зависимость между составом и структурой сплава, определяемой типом диаграммы состояния и свойствами сплава (твердостью, электропроводностью и.т.д.).

Свойства сплава зависят от того, какие соединения или какие фазы образовали компоненты сплава (рис. 4).

Рис. 4. Свойства сплавов и их диаграммы состояния

При образовании непрерывного ряда твердых растворов свойства (твердость, электропроводность и др.) изменяются по криволинейной зависимости (рис. 4, б).

Твердость компонентов А и В ниже, чем твердость сплавов.

При образовании смесей (рис. 4, а) свойства сплава изменяются по линейному закону (аддитивно).

Значение свойств сплавов находятся в интервале между свойствами чистых компонентов.

При увеличении Vохл происходит измельчение структуры, в связи с этим свойства против эвтектики оказываются более высокими (пунктирная линия).

ESK – линия эвтектического превращения.

ТА – температура плавления компонента А.

ТАSТВ – линия ликвидус.

В сплавах с ограниченной растворимостью (рис. 4, в; диаграммы с эвтектическим или перитектическим превращениями) свойства при концентрациях, отвечающих однофазовому твердому раствору изменяются по криволинейной зависимости, а в двухфазовой области – по прямой. Крайние точки на прямой являются свойствами предельно насыщенных твердых растворов.

Линия EN – линия ограниченной растворимости В в А.

При образовании химического соединения (рис. 4, г) на кривой концентрация – свойства, будет иметься максимум (или минимум) – а на прямой перелом.

Зная характер взаимодействия между двумя металлами и тип диаграммы состав – свойства, можно легче и быстрее определить состав сплава, обеспечивающий наилучшие свойства.

Опишите механизм упругой и пластической деформаций реального (поликристаллического) металла

Наличие  металлической  связи  придает  металлу  способность  к  пластической   деформации  и   к  самоупрочнению  в  результате   пластической   деформации.  Приложение  к  материалу  напряжения ( нагрузки )  вызывает  деформацию.

Деформацией   называется   изменение  размеров   или   формы   тела   под   действием   внешних   сил   либо  физико-механических  процессов,  протекающих   в  самом   теле  ( перепад  температур,  фазовые  превращения   и   т .п .). Деформация тела   сопровождается   относительным   смещением   атомов   из   положения   равновесия.  Свойства   недеформированного  и   пластически  деформированного металла различны.

Различают  упругую  и  пластическую деформацию ( рисунок  5.1).

Рис.  5.1 – Диаграмма                 Рис. 5.2 – Плоскости и  

             деформации                            направления  скольжения  

                                                              в  объёмно — центрированной 

                                                              кубической  решётки

Упругой  деформацией   называют  деформацию,  влияние   которой  на   форму,  структуру  и  свойства   тела   исчезают   после  снятия   нагрузки;  и  она  не   вызывает  заметных остаточных  изменений  в структуре и  свойствах металла.

Степень деформации

где

l0 —  начальная длина ;

l1 —  длина после деформации.

Способность  металлов   к   остаточной   деформации    называется  пластичностью. При   возрастании  касательных  напряжений  выше  определенной   величины  деформация  становится   необратимой.

  При   снятии   нагрузки   исчезают  лишь  упругая     составляющая  деформации,  часть  же  деформации,  которую  называют  пластической,  остается .

  При   пластической   деформации  необратимо изменяется  структура    металла,  а  следовательно,  и  его  свойства .

В  поликристаллических  телах  пластическая   деформация  может   осуществляться  как  путем   перемещений   внутри   зерна ( внутризёренная),  так  и  смещения зёрен относительно  друг  друга ( межзёренная).

В  основе     протекания     пластической     деформации    лежит   явление  зарождения  и   движения  дислокаций  под   действием  касательных  напряжений путем   сдвига  (скольжения)  отдельных   частей   кристалла  относительно   друг  друга  по  плоскостям   с  наиболее   плотным   расположением   атомов  ( рисунок 6).  В металлах   с ОЦК решеткой  сдвиг происходит   по  диагональным плоскостям  (110)  в направлении пространственных   диагоналей  (111) (могут быть и другие  плоскости скольжения). Пластическая   деформация   поликристаллических   тел   происходит весьма  неоднородно.   Это объясняется двумя обстоятельствами:

1) различной    ориентацией  кристаллов   относительно   приложенной   силы,  что приводит к неодновременности деформации разных зёрен; 

2) наличием  границ   зёрен  и   неметаллических  включений ,  препятствующих  перемещению дислокаций и  вызывающих    их   локальное  скопление. 

Пластическая   деформация  в  основном   характеризуется   скольжением   и  двойникованием. 

Рис. 6 —  Схема сдвига  в   кристаллах

В  процессе    скольжения   возникают    новые   дислокации,  и   плотность  дислокаций  увеличивается.  В  недеформированном   кристалле  плотность  дислокаций  достигает 106  см-2,  а в сильнодеформированном   металле порядка 1012 см-2.

Пластическая   деформация  некоторых   металлов ,  имеющих  плотноупакованные  решетки   К12  и   Г 12,  кроме   скольжения,  может   осуществляться  двойникованием,  которое  заключается  в  переориентации   части  кристалла  в положение ,  симметричное  по  отношению  к   первой   части,  относительно  плоскости,  называемой плоскостью двойникования .

При   деформации    поликристалла    отдельные     зёрна    меняют    свою форму  (вытягиваются),  стремятся  принять  отдельную   кристаллографическую   ориентировку   вдоль  направления  действия   внешних   сил .

  Изменение ориентировки   происходит  постепенно   по  мере  увеличения   степени  деформации .

  При   большой   деформации  металл   приобретает  определенную  кристаллографическую  ориентировку  зёрен,  называемую текстурой.

а —  структура металла до деформации;  б  —  волокнистая  структура деформированного металла;  в —  структура  металла после большой  степени деформации

 Рис.7 —  Характер  изменения микроструктуры при пластической  деформации.

При   пластической   деформации  зёрна  металла  вытягиваются   в  направлении   прокатки ,  волочения  и   принимают   форму   листочков  или   волокон  ( рисунок  7  б ).  При   больших   степенях   деформации  зёрна разбиваются на   большее число фрагментов  и   блоков ,  увеличивается травимость   металла,  и   микроструктура выявляется  нечетко ( рисунок 7  в).

Образование  текстуры   деформации  способствует   тому,  что  поликристаллический   металл   становится   анизотропным ( свойства   его  изменяются  в зависимости  от   направления  испытания ).  Изменение  механических  свойств технического  железа  зависит  от  степени холодной пластической  деформации.

Упрочнение  металла  в  процессе   пластической   деформации —  наклёп объясняется   увеличением   числа  дефектов   кристаллического   строения  ( дислокаций,  вакансий,  межузельных   атомов ).

  Пластическая   деформация  приводит  к  изменению   физических  свойств  металла:  увеличиваются  искажения  решетки   и ,  следовательно,  его  внутренняя   энергия,  растут   твердость  и   прочность,  увеличивается  электрическое  сопротивление,  уменьшается   пластичность.

  Деформация  происходит  не   только   в  результате   приложения  внешних  сил ,  но  и   в  результате   фазовых  превращений .  Все  они   приводят   к  наклёпу.

Наклёпанные   металлы  более  склонны   к  коррозионному   разрушению  при   эксплуатации.

С  увеличением   степени  холодной  деформации  характеристики   прочности ( предел   прочности,  предел   текучести,  твёрдость)  возрастают ,  а  характеристики  пластичности   падают.

  После  деформирования  у   металла  со   степенью деформации  до 70 %  предел   прочности  и   твёрдость  возрастают   до 3 раз,  а предел   текучести —  до 8 раз,  при   этом  относительное  удлинение   снижается  до 40 раз.

Структурное  состояние  пластически  деформированного  металла  термодинамически   неустойчивое.  При   нагреве  пластически  деформированный  металл   постепенно   восстанавливает  свою  структуру  и   снова  переходит  в устойчивое  состояние.

Степень  и   характер   деформации,  температура,  скорость   и   продолжительность  нагрева  влияют  на   устранение   наклёпа  и   изменения  в  структуре  и свойствах  металла.  Различают   две  стадии   процесса   при   нагреве:  возврат ( отдых   и   полигонизация)  и   рекристаллизация  ( первичная,  собирательная  и   вторичная ).

Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, опишите структурные составляющие во всех частях диаграммы, опишите превращения и постойте кривую нагревания в интервале температур от 0 до 1600°С (с применением правила фаз) для сплава содержащего 1,9%С. Выберите для рассматриваемого сплава любую температуру между линиями ликвидус и солидус и определите: состав фаз, это значит процентное содержание углерода в фазах; количественное соотношение фаз

Рис. 8. Диаграмма железо-цементит.

Основные точки диаграммы железо-углерод

А – точка, соответствующая плавлению – кристаллизации чистого железа. Температура, отвечающая этой точке 1539 °С. Число степеней свободы в этой точке равно нулю.

На термических кривых для чистого железа температуре точки А соответствуют горизонтальные площадки, которые возникают за счет выделения скрытой теплоты кристаллизации.

Переход из твердого в жидкое состояние, соответствующий точке А, сопровождается резким увеличением объема (около 6%), связанным с нарушением дальнего порядка в кристаллическом строении d-железа. При кристаллизации чистого железа в этой точке наблюдаются обратные явления.

Источник: https://www.stud24.ru/metallography/materialovedenie/357770-1111189-page1.html

Biz-books
Добавить комментарий