Термический анализ и диаграммы состояния...

московский государственный университет

путей сообщения (миит)

Кафедра «Строительные материалы и технологии»

В.Д.Парфенов

Термический анализ и

диаграммы состояния

сплавов

Методические указания

к лабораторным работам

Москва – 2009

московский государственный университет

путей сообщения (миит)

Кафедра «Строительные материалы и технологии»

В.Д.Парфенов

Термический анализ и диаграммы

состояния сплавов

Рекомендовано редакционно-издательским советом

университета в качестве методических указаний для студентов

специальностей СЖД, МТ и СГС

Москва – 2009

УДК 669.1

П–18

Парфенов В.Д.,Термический анализ и диаграммы состояния сплавов:

Методические указания. – М.: МИИТ, 2009. – 24с.

В методических указаниях описывается метод изучения процесса за-

твердевания сплавов – термический анализ. Рассматриваются принципы по-

строения на его основе диаграмм состояния фазового равновесия сплавов.

Анализируются различные типы диаграмм. На примере сплавов систем сви-

нец–сурьма и олово–цинк студенты выполняют экспериментальное постро-

ение диаграмм и работают с ними при решении практических задач.

Методические указания предназначены для лабораторных занятий

по разделу «Металлические материалы в строительстве» и разработаны

в соответствии с планом и программой по дисциплине «Материаловедение.

Технология конструкционных материалов» для студентов строительных спе-

циальностей (СЖД, МТ и СГС).

©Московский государственный университет

путей сообщения (МИИТ), 2009

Подписано к печати– Усл.-печ.–

Формат 60х84х1/16 Тираж 100 экз.

Изд. № Заказ №

127994, Москва, ул. Образцова, д.9, стр.9

Типография МИИТа

Содержание

Введение………………………………………………………………………………………….....4

1. Основные теоретические сведения……………………………………….4

2. Диаграмма состояния фазового равновесия сплавов ………….8

3. Типы диаграмм состояния сплавов………………………………………10

4. Термический анализ и принципы построения диаграмм состояния сплавов на примере системы свинец–сурьма………………………………………………………………………12

5. Задание для студентов и порядок выполнения лабораторной работы …………………………………………………………..17

6. Контрольные вопросы и задачи……………………………………………21

Список литературы…………………………………………………………………………….25

3

Введение

Всевозможные агрегатные и фазовые состояния сплавов в зави-

симости от их температуры и химического состава можно графически

изобразить в виде диаграммы состояния фазового равновесия.

Для сплава любого состава с помощью диаграммы можно про-

следить за фазовыми превращениями, происходящими в нём при

охлаждении и нагревании, и получить характеристику структурных

составляющих и фаз в его микроструктуре для любой температуры.

Цель работы—научиться самостоятельно экспериментально

определять температуры фазовых превращений металлов и сплавов

с помощью метода термического анализа, строить кривые охлажде-

ния и диаграмму состояния.

В процессе работы студенты вырабатывают навыки анализа

по виду диаграмм фазового и структурного составов сплавов, харак-

тера взаимодействия компонентов в твёрдом состоянии а также вы-

явления последовательности фазовых превращений в сплавах.

1. .Основные теоретические сведения

Металлические сплавы – это сложные вещества, получаемые

сплавлением металлов (напр. дуралюмины Al–Cu) или металлов

с неметаллами (стали Fe–C). Простые вещества, образующие сплав,

называют компонентами сплава. Компоненты могут друг в друге

4

растворяться (ограниченно или неограниченно) или не растворяться,

а также образовывать новые химические соединения. Взаимодей-

ствуя между собой, они образуют различные по химическому составу,

типу связи и строению кристаллические фазы.

Фазой называют однородную часть системы, ограниченную

от другой части системы поверхностью раздела, при переходе через

которую состав и свойства сплава меняются скачкообразно. Как пра-

вило, в жидком состоянии компоненты сплавов хорошо растворяются

друг в друге. При понижении температуры и кристаллизации из жид-

кого сплава выделяются твёрдые фазы, которые могут быть твёрдыми

растворами, чистыми элементами и химическими соединениями.

Твёрдыми растворами называют кристаллические фазы пере-

менного состава, в которых атомы одного элемента размещаются в

пространственной решётке другого элемента, не изменяя её типа.

Если происходит замещение в узлах кристаллической решётки ато-

мов растворителя А атомами растворяемого элемента В, то образует-

ся твёрдый раствор замещения. В случае их внедрения между узлами

в поровое пространство решётки образуется твёрдый раствор внед-

рения.

Твердые растворы замещения могут обладать как ограничен-

ной растворимостью элементов друг в друге, так и неограниченной.

Условиями неограниченной растворимости являются: одинаковый тип

кристаллической решётки, близкий радиус атомов и одинаковая

5

валентность элементов А и В. Способностью неограниченно раство-

ряться друг в друге в твёрдом состоянии , образуя твёрдые растворы

замещения, обладают только металлы (напр., никель– медь, медь–

золото, медь– никель, железо–никель, железо–хром.).

Металлы в сплавах: свинец–сурьма, олово–цинк, олово алю-

миний, серебро–свинец – практически не растворимы друг в друге

в твёрдом состоянии.

Твёрдые растворы внедрения возникают при сплавлении ме-

таллов с неметаллами, имеющих малый атомный радиус (напр., с уг-

леродом, водородом, азотом, бором). В них растворимость неметал-

ла всегда ограничена.Твёрдые растворы обозначаются буквами грече-

ского алфавита α, β,γ.

Кристаллы, образованные различными элементами, вступив-

шими в химическую связь, и имеющие собственный тип кристалличе-

ской решётки, отличающийся от решёток, составляющих их элемен-

тов, называются химическими соединениями.

Строение металлических сплавов зависит от того, в какие взаи-

модействия вступают образующие их компоненты. Различают струк-

туру и фазовый состав сплава. Структура характеризует форму, разме-

ры и взаимное расположение фаз в сплаве и состоит из структурных

составляющих. Фазовый состав состоит из фаз.

При кристаллизации сплавов могут образоваться твёрдые рас-

6

творы, химические соединения и механические смеси различных фаз,

что наглядно демонстрируют диаграммы состояния фазового равно-

весия сплавов.

Кривая охлаждения металла или сплава – это график уменьше-

ния температуры во времени. Она строится в координатах темпера-

тура – время (рис.1).

– а – – б –

Рис. 1 Кривые охлаждения сплава: а – доэвтектического и заэвтектического; б – с образованием твёрдого раствора

Критическими температурами (точками) называют температу-

ры, соответствующие горизонтальным участкам (температурным

остановкам) и перегибам на кривой изменения температур во време-

ни, указывающие на превращения в металлах или сплавах.

7

2. Диаграмма состояния фазового равновесия сплавов

Диаграмма состояния фазового равновесия сплавов представ-

ляет собой графическое изображение фазового состояния сплавов

данной системы, т.е. зависимость температур фазовых превращений в

сплавах от их состава. Она строится в координатах температура –

концентрация одного из компонентов в сплаве (состав сплава). Каж-

дая точка диаграммы состояния соответствует определённому составу

сплава при заданной температуре.

Левая крайняя точка на оси концентраций соответствует100%

содержанию компонента А. Процентное содержание второго компо-

нента В откладывается на этой оси слева направо. Правая крайняя

точка соответствует 100% содержанию второго компонента В. Линии

на диаграмме состояния отмечают температуры изменения фазового

состава, а поля, ограниченные этими линиями, характеризуют области

существования различных фазовых состояний.

Для экспериментального построения диаграммы состояний

сплавов, образованных компонентами А и В, необходимо изготовить

ряд сплавов, содержащих различные количества компонентов А и В.

Для каждого состава сплава по результатам термического анализа

строят кривую охлаждения и определяют критические точки, т.е. тем-

пературы фазовых превращений.

8

Полученные значения критических точек исследуемых сплавов

откладывают на вертикальных линиях, соответствующих химическому

составу этих сплавов. Затем соединяют критические точки, соответ-

ствующие определённым фазовым превращениям, и получают линии

диаграммы состояний.

Линия, представляющая собой геометрическое место всех верх-

них критических точек, которые определяют температуры начала кри-

сталлизации, называется линией ликвидуса, а геометрическое место

всех нижних критических точек, определяющих температуры конца

кристаллизации, это –линия солидуса. Эти линии разделяют диа-

грамму состояний на области определённого фазового состава.

Все сплавы системы выше линии ликвидуса находятся в жидком

состоянии, а ниже линии солидуса – в твёрдом. В диапазоне темпера-

тур между линиями ликвидуса и солидуса сплавы являются частично

жидкими и частично твёрдыми.

Диаграммы состояния показывают изменения фазового состоя-

ния сплавов при изменении их состава и температуры, а также позво-

ляют предсказывать свойства сплавов. Связь между составом сплава и

его свойствами для различных типов диаграмм состояния впервые

была установлена Курнаковым Н.С. и получила название закономер-

ностей Курнакова.

9

3. Типы диаграмм состояния сплавов

К первому типу (рис.2) относят диаграммы состояния сплавов,

компоненты которых неограниченно растворяются друг в друге

в жидком состоянии и практически не растворяются в твёрдом(Pb–Sb,

Sn–Zn).

Сплавы, компоненты которых неограниченно взаимно раство-

ряются как в жидком, так и в твёрдом состоянии, создают диаграммы

второго типа (Ni–Cu, Fe–Ni, Ag–Au). (рис.3). Особенностью диаграммы

второго типа является отсутствие эвтектического сплава.

10

Рис. 2. Диаграмма состояния сплавов первого типа

для системы А—В (с распределением фаз, L–жидкий сплав)

Рис. 3. Диаграмма состояния сплавов второго типа ( на примере си-стемы медь–никель)

По третьему типу (Fe–C) (рис.4) затвердевают сплавы, компо-

ненты которых неограниченно растворяются друг в друге в жидком

состоянии и ограниченно в твёрдом.

Рис. 4. Диаграмма состояния сплавов третьего типа для сплава системы А–В (ж.с. – жидкий сплав, э – эвтектика)

11

4. Термический анализ и принципы построе-ния диаграммы состояния сплавов на при-мере системы свинец–сурьма

Термический анализ – это метод изучения процесса затверде-

вания металлов и сплавов. Для построения диаграмм состояния поль-

зуются результатами термического анализа, т.е. строят кривые охла-

ждения и по остановкам и перегибам на этих кривых, вызванных теп-

ловых эффектом превращений, определяют температуры, при кото-

рых происходят превращения в металлах в процессе охлаждения.

12

Рис. 5.Схема установки для исследования ме-таллов термическим методом: 1–электропечь; 2– нагреватель; 3–термопара; 4 гальванометр; 5–постоянный магнит; 6–катушка

Температуру металлов измеряют обычно при помощи термопа-

ры или термометра. На рис.5 приведена схема такой установки. Тем-

пературу кристаллизации определяют следующим образом. В печь 1

помещают тигелек 2, в котором расплавляют исследуемый сплав.

Затем в расплав погружают горячий спай 4 термопары5 и выключают

печь. Начинается охлаждение и температуру отмечают через опреде-

лённые промежутки времени (напр.30 сек). Появление изменений в

агрегатном состоянии в связи с выделением скрытой теплоты пре-

вращения отражается на кривой температура–время. Имея достаточ-

ное количество сплавов (напр. 5–7) разного состава и определив

в каждом сплаве температуры превращений, можно построить диа-

грамму состояния.

Рассмотрим подробнее на примере системы Pb–Sb. На кривых

охлаждения свинца и сурьмы (чистых металлов) имеется по одной

13

Рис. 6. Кривые охлаждения сплава Pb–Sb

критической точке, соответствующей переходу металла из жидкого

состояния в твёрдое (для свинца 327оС и сурьмы 631оС). На кривых же

охлаждения сплавов свинец–сурьма имеются не одна, а две критиче-

ские точки, соответствующие началу и концу их затвердевания (рис.6).

Затвердевание сплавов, содержащих мене 13% сурьмы, начина-

ется при температурах, соответствующих верхним критическим точ-

кам с выпадением кристаллов свинца. При дальнейшем снижении

температуры количество кристаллов свинца увеличивается и остаю-

щаяся жидкость обогащается сурьмой. При температуре 245оС, соот-

ветствующей нижним критическим точкам, концентрация сурьмы

в жидкости достигает 13%, и в этих условиях при дальнейшем охла-

ждении начинается одновременная кристаллизация свинца и сурьмы

с образованием эвтектики—сложной структурной составляющей

сплавов, представляющей собой механическую смесь из мелких рав-

номерно распределённых кристаллов сурьмы и свинца.

На кривой охлаждения сплава, содержащего 13% сурьмы, име-

ется только одна критическая точка, соответствующая 245оС. Такой

сплав после затвердевания состоит только из эвтектики. Затвердева-

ние сплавов, содержащих более 13% сурьмы, начинается с выпадения

кристаллов сурьмы, и при достижении концентрации сурьмы в жид-

кой фазе–13%, жидкость затвердевает, образуя эвтектику.

14

Чтобы получить диаграмму состояния сплавов, верхние и ниж-

ние критические точки переносят на координатные оси температура

— состав сплава, как это показано на рис.7.

Линия АСВ, представляющая геометрическое место критиче-

ских точек начала затвердевания, называется линией ликвидуса; вы-

ше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии. Линия DCE,

представляющая геометрическое место критических точек конца за-

твердевания, называется линией солидуса; ниже этой линии все

сплавы находятся в твёрдом состоянии.

Сплавы, содержащие менее 13% сурьмы, называют доэвтекти-

ческими. В интервале температур между линиями ликвидуса и соли-

дуса они состоят из кристаллов свинца и жидкости, а ниже линии

15

Рисунок 7 Диаграмма состояния микроструктуры сплавов Pb–Sb (ж. с.–жидкий сплав, э–эвтектика)

солидуса ( в твёрдом состоянии) – из кристаллов свинца и эвтектики.

Сплавы, содержащие больше 13% сурьмы называются заэвтектиче-

скими и состоят из кристаллов сурьмы и жидкости между линиями

ликвидуса и солидуса и из кристаллов сурьмы и эвтектики ниже линии

солидуса. Распределение структурных составляющих на диаграмме

состояний сплавов Pb–Sb показана на рис.7. В твёрдом состоянии все

сплавы состоят из двух фаз — кристаллов сурьмы и свинца, так как

сложная структурная составляющая –эвтектика–состоит из тех же фаз.

Рис. 8. Кривые охлаждения и диаграмма состояния сплавов

олово–цинк

На рис. 8 приведена диаграмма состояния сплавов системы Sn–Zn,

исследованию которой посвящена лабораторная работа.

16

5.Задание для студентов и порядок

выполнения лабораторной работы

Тема данной лабораторной работы – «Термический анализ и

принципы построения диаграммы состояния сплавов на примере

системы олово–цинк».

Студенты знакомятся с методикой проведения термического

анализа, приобретают практические навыки построения диаграмм

двойных систем, изучают и распределяют структурные составляющие

и фазы на исследуемых диаграммах.

Для выполнения работы создаётся шесть бригад и использует-

ся шесть сплавов системы олово – цинк (Sn–Zn) с различным содер-

жанием компонентов. Каждой из бригад предоставляется установка

для проведения термического анализа и выдаётся один из шести со-

ставов сплава, приведённых в табл.1.

Табл. 1 Сплавы системы олово–цинк для термического анализа

Номер сплава

(бригады)

1 2 3 4 5 6

Состав в % по массе

Sn 100 94 91 84 77 69

Zn 0 6 9 16 23 31

17

I. Задание

изучить схему установки для проведения технического

анализа;

провести исследование процесса кристаллизации сплава

олово—цинк (Sn–Zn);

изучить микроструктуру сплава и объяснить характер фа-

зовых превращений, происходящих при охлаждении;

определить критические точки сплава;

по полученным результатам построить кривые охлажде-

ния сплавов;

построить диаграмму состояния сплавов Sn–Zn.

распределить на диаграмме структурные составляющие и

фазы

II. Порядок проведения работы

По результатам термического анализа каждой бригаде:

1) Определить критические точки сплава своей бригады:

для этого произвести наблюдения за понижением температуры

сплава при равномерном охлаждении. Замеры температур произ-

водить каждые 30 сек. и записывать в журнал наблюдений

(табл.2). Запись заканчивается при температуре 160 о С;

18

Табл. 2. Журнал наблюдений

№ отсчёта 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Температура

№ отсчёта 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25


№ отсчёта 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38


№ отсчёта 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51


№ отсчёта 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64


№ отсчёта 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77


2) По полученным данным:

a) вычертить в крупном масштабе кривую охлаждения своего

сплава;

b) составить таблицу критических точек всех шести исследован-

ных сплавов (по данным всех бригад) (табл. 3).

19

Табл. 3. Критические точки сплавов

Состав сплава, % Температуры критических точек, оС

Sn Zn верхней нижней

100 0

94 6

91 9

84 16

77 23

69 31

3) По результатам термического анализа всех бригад:

a) вычертить шесть кривых охлаждения сплавов различного хи-

мического состава;

b) затем на их основе вычертить в масштабе две диаграммы со-

стояния сплавов Sn—Zn:

i) на первой распределить структурные составляющие;

ii) на второй распределить фазы.

20

5. Контрольные вопросы и задачи

1. Нарисуйте основные типы диаграмм состояния сплавов, состо-

ящих из компонентов А и В. Распределите на ней структурные

составляющие и фазы.

2. К какому типу относятся диаграммы состояния сплавов Pb–Sb,

Ni–Cu, Fe–C, Sn–Zn?

3. Какова структура и фазовый состав доэвтектических, эвтекти-

ческих и заэвтектических сплавов системы Pb–Sb при темпера-

туре 20о С?

4. Какова температура затвердевания свинца, олова, цинка,

сурьмы?

5. Перечислите компоненты, структурные составляющие и фазы

сплава свинец–сурьма.

6. Дайте определение фазе сплава.

7. Какие сплавы считают металлическими?

8. Что представляет собой эвтектика сплава Pb–Sb?

9. Перечислите структурные составляющие и фазы сплавов Pb–Sb

и Sn–Zn.

21

10. Какова структура и фазовый состав доэвтектических, эвтекти-

ческих и заэвтектических сплавов системы Sn–Zn при темпера-

туре 20о С?

11. Нарисуйте диаграмму состояния сплавов Pb–Sb. Распределите

на ней структурные составляющие и фазы.

12. Нарисуйте диаграмму состояния сплавов Sn–Zn. Распределите

на ней структурные составляющие и фазы.

13. Нарисуйте диаграмму состояния сплавов Ni–Cu.

14. Каковы принципы построения диаграмм состояния сплавов?

Охарактеризуйте их на примере сплавов системы

свинец-сурьма.

15. При какой температуре и в сплавах какого состава происходит

эвтектическое превращение в сплаве олово–цинк?

16. В каких координатах строится кривая охлаждения и диаграмма

состояния сплавов?

17. Дайте определение эвтектике.

18. Перечислите структурные составляющие и фазы сплава

олово– цинк.

22

19. При каких условиях сплавы образуют диаграммы первого,

второго или третьего типа?

20. Охарактеризуйте строение свойства твёрдых растворов заме-

щения и внедрения.

21. Нарисуйте диаграмму состояния первого типа для сплава, со-

стоящего из компонентов А и В. Распределите на ней струк-

турные составляющие и фазы.

22. Нарисуйте диаграмму состояния второго типа для сплава, со-



23. Нарисуйте диаграмму состояния третьего типа для сплава, со-



24. Охарактеризуйте диаграммы состояния сплавов первого, вто-

рого и третьего типа.

25. Дайте определения линиям ликвидуса и солидуса диаграмм

состояния сплавов. Покажите их на диаграмме сплава

олово–цинк.

26. Сколько критических точек расположено на кривых охлажде-

ния железа, свинца, сурьмы?

23

Список литературы

1. Шейкин А.Е. Строительные материалы/ Учебник для вузов.–

М.: Стройиздат, 1978. 432 с.

2. Гуляев А.П. Металловедение./Учебник для вузов.– М.: Метал-

лургия, 1977. 647 с.

3. Мозберг Р.К. Материаловедение./Учебное пособие.– Таллин,

Изд-во «Валгус», 1976. 554 с.

4. Основы материаловедения./Учебник для вузов./под ред. Сидо-

рина И.И..– М.: .Машиностроение, 1976. 436 с.

5. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка ме-

таллов/ Учебник для вузов.– М.: Металлургия, 1983. 360 с.

6. Технология металлов и сварка./Учебник для вузов / под общ.

ред. Полухина И.И..– М. Высшая школа, 1977. 464 с.

24

Термический анализ и диаграммы состояния...

Documents