WWW.MASH.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - онлайн публикации
 

««Московский государственный университет путей сообщения» _ Кафедра «Строительные материалы и технологии» В.Д.Парфенов Принципы построения диаграмм состояния сплавов ...»

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Московский государственный

университет путей сообщения»

___________________________________

Кафедра «Строительные материалы и технологии»

В.Д.Парфенов

Принципы построения

диаграмм состояния сплавов

Методические указания

к лабораторным работам

Москва – 2015

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Московский государственный университет путей сообщения»

__________________________________

Кафедра «Строительные материалы и технологии»

В.Д.Парфенов Принципы построения диаграмм состояния сплавов Рекомендовано редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний для студентов специальностей СЖД, СТП, СМТ и СГС Москва – 2015 УДК 669.1 П–18 Парфенов В.Д. Принципы построения диаграмм состояния сплавов: Методические указания. – М.: МГУПС (МИИТ), 2015. – 24 с .

В методических указаниях описывается метод изучения процесса затвердевания сплавов – термический анализ. Рассматриваются принципы построения на его основе диаграмм состояния фазового равновесия сплавов. Анализируются различные типы диаграмм. На примере сплавов систем свинец–сурьма и олово–цинк студенты выполняют экспериментальное построение 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 специальностей (СЖД, СТП, СМТ и СГС) .



© МГУПС (МИИТ), 2015 Содержание Введение………………………………………………………………………………….4 1.. Основные теоретические сведения…………………………………… 4 2.. Диаграмма состояния фазового равновесия сплавов……….8 3.. Типы диаграмм состояния сплавовов………………………………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…………………………………………………………………24 Введение Всевозможные агрегатные и фазовые состояния сплавов в зависимости от их температуры и химического состава можно графически изобразить в виде диаграммы состояния фазового равновесия .

Для сплава любого состава с помощью диаграммы можно проследить 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 охлаждения и диаграмму состояния .

В процессе работы студенты вырабатывают навыки анализа по виду диаграмм фазового и структурного составов сплавов, характера взаимодействия компонентов в твёрдом состоянии а также выявления 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 растворяться (ограниченно или неограниченно) или не растворяться, а также образовывать новые химические соединения. Взаимодействуя 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 правило, в жидком состоянии компоненты сплавов хорошо растворяются друг в друге. При понижении температуры и кристаллизации из жидкого сплава выделяются твёрдые фазы, которые могут быть твёрдыми растворами, чистыми элементами и химическими соединениями .

Твёрдыми растворами называют кристаллические фазы переменного состава, в которых атомы одного элемента размещаются в пространственной решётке другого элемента, не изменяя её типа .

Если происходит замещение в узлах кристаллической решётки атомов растворителя А атомами растворяемого элемента В, то образуется твёрдый раствор замещения. В случае их внедрения между узлами в поровое пространство решётки образуется твёрдый раствор внедрения .

Твердые растворы замещения могут обладать как ограниченной растворимостью элементов друг в друге, так и неограниченной. Условиями неограниченной растворимости являются: одинаковый тип кристаллической решётки, близкий радиус атомов и одинаковая валентность элементов А и В. Способностью неограниченно растворяться 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 алюминий, серебро–свинец – практически не растворимы друг в друге в твёрдом состоянии .

Твёрдые растворы внедрения возникают при сплавлении металлов с неметаллами, имеющих малый атомный радиус (напр., с углеродом, водородом, азотом, бором). В них растворимость неметалла всегда ограничена.Твёрдые растворы обозначаются буквами греческого алфавита,, .

Кристаллы, образованные различными элементами, вступившими в химическую связь, и имеющие собственный тип кристаллической решётки, отличающийся от решёток, составляющих их элементов, называются химическими соединениями .

Строение металлических сплавов зависит от того, в какие взаимодействия вступают образующие их компоненты. Различают структуру и фазовый состав сплава. Структура характеризует форму, размеры и взаимное расположение фаз в сплаве и состоит из структурных составляющих. Фазовый состав состоит из фаз .

При кристаллизации сплавов могут образоваться твёрдые растворы, химические соединения и механические смеси различных фаз, что наглядно демонстрируют диаграммы состояния фазового равновесия сплавов .

Кривая охлаждения металла или сплава – это график уменьшения температуры во времени. Она строится в координатах температура – время (рис.1) .

Рис. 1 Кривые охлаждения сплава: а – доэвтектического и заэвтектического; б – с образованием твёрдого раствора Критическими температурами (точками) называют температуры, соответствующие горизонтальным участкам (температурным остановкам) и перегибам на кривой изменения температур во времени, указывающие на превращения в металлах или сплавах .





2. Диаграмма состояния фазового равновесия сплавов Диаграмма состояния фазового равновесия сплавов представляет 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). Каждая точка диаграммы состояния соответствует определённому составу сплава при заданной температуре .

Левая крайняя точка на оси концентраций соответствует100% содержанию компонента А. Процентное содержание второго компонента 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. температуры фазовых превращений .

Полученные значения критических точек исследуемых сплавов откладывают на вертикальных линиях, соответствующих химическому составу этих сплавов. Затем соединяют критические точки, соответствующие определённым фазовым превращениям, и получают линии диаграммы состояний .

Линия, представляющая собой геометрическое место всех верхних критических точек, которые определяют температуры начала кристаллизации, называется линией ликвидуса, а геометрическое место всех нижних критических точек, определяющих температуры конца кристаллизации, это – линия солидуса. Эти линии разделяют диаграмму состояний на области определённого фазового состава .

Все сплавы системы выше линии ликвидуса находятся в жидком состоянии, а ниже линии солидуса – в твёрдом. В диапазоне температур между линиями ликвидуса и солидуса сплавы являются частично жидкими и частично твёрдыми .

Диаграммы состояния показывают изменения фазового состояния сплавов при изменении их состава и температуры, а также позволяют предсказывать свойства сплавов. Связь между составом сплава и его свойствами для различных типов диаграмм состояния впервые была установлена Курнаковым Н.С. и получила название закономерностей Курнакова .

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) .

Рис. 2. Диаграмма состояния сплавов первого типа для системы А—В (с распределением фаз, L–жидкий сплав) Сплавы, компоненты которых неограниченно взаимно растворяются 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 .

Рис. 3. Диаграмма состояния сплавов второго типа (на примере системы медь–никель) По третьему типу (Fe–C) (рис.4) затвердевают сплавы, компоненты 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)

4. Термический анализ и принципы построения диаграммы состояния сплавов на примере системы свинец–сурьма Термический анализ – это метод изучения процесса затвердевания металлов и сплавов. Для построения диаграмм состояния пользуются результатами термического анализа, т.е .

строят кривые охлаждения и по остановкам и перегибам на этих кривых, вызванных тепловых эффектом превращений, определяют температуры, при которых происходят превращения в металлах в процессе охлаждения .

Рис. 5.Схема установки для исследования металлов термическим методом: 1–электропечь; 2– нагреватель;

3–термопара; 4 гальванометр; 5–постоянный магнит;

6–катушка Температуру металлов измеряют обычно при помощи термопары или термометра. На рис.5 приведена схема такой установки. Температуру кристаллизации определяют следующим образом. В печь 1 помещают тигелек 2, в котором расплавляют исследуемый сплав .

Затем в расплав погружают горячий спай 4 термопары 5 и выключают печь. Начинается охлаждение и температуру отмечают через определённые промежутки времени (напр.30 сек) .

Появление изменений в агрегатном состоянии в связи с выделением скрытой теплоты превращения отражается на кривой температура–время. Имея достаточное количество сплавов (напр. 5–7) разного состава и определив в каждом сплаве температуры превращений, можно построить диаграмму состояния .

<

Рис. 6. Кривые охлаждения сплава Pb–Sb

Рассмотрим подробнее на примере системы Pb–Sb. На кривых охлаждения свинца и сурьмы (чистых металлов) имеется по одной 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 критические точки, соответствующие началу и концу их затвердевания (рис.6) .

Затвердевание сплавов, содержащих мене 13% сурьмы, начинается при температурах, соответствующих верхним критическим точкам с выпадением кристаллов свинца. При дальнейшем снижении температуры количество кристаллов свинца увеличивается и остающаяся жидкость обогащается сурьмой. При температуре 245оС, соответствующей нижним критическим точкам, концентрация сурьмы в жидкости достигает 13%, и в этих условиях при дальнейшем охлаждении начинается одновременная кристаллизация свинца и сурьмы с образованием эвтектики—сложной структурной составляющей сплавов, представляющей собой механическую смесь из мелких равномерно распределённых кристаллов сурьмы и свинца .

На кривой охлаждения сплава, содержащего 13% сурьмы, имеется только одна критическая точка, соответствующая 245оС. Такой сплав после затвердевания состоит только из эвтектики. Затвердевание сплавов, содержащих более 13% сурьмы, начинается с выпадения кристаллов сурьмы, и при достижении концентрации сурьмы в жидкой фазе–13%, жидкость затвердевает, образуя эвтектику .

Рисунок 7 Диаграмма состояния микроструктуры сплавов Pb–Sb (ж. с.–жидкий сплав, э–эвтектика) Чтобы получить диаграмму состояния сплавов, верхние и нижние критические точки переносят на координатные оси температура — состав сплава, как это показано на рис.7 .

Линия АСВ, представляющая геометрическое место критических точек начала затвердевания, называется линией ликвидуса; выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии. Линия DCE, представляющая геометрическое место критических точек конца затвердевания, называется линией солидуса; ниже этой линии все сплавы находятся в твёрдом состоянии .

Сплавы, содержащие менее 13% сурьмы, называют доэвтектическими. В интервале температур между линиями ликвидуса и солидуса они состоят из кристаллов свинца и жидкости, а ниже линии солидуса (в твёрдом состоянии) – из кристаллов свинца и эвтектики. Сплавы, содержащие больше 13% сурьмы называются заэвтектическими 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 .

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 используется шесть сплавов системы олово – цинк (Sn–Zn) с различным содержанием компонентов. Каждой из бригад предоставляется установка для проведения термического анализа и выдаётся один из шести составов сплава, приведённых в таблице.1 .

Табл. 1 Сплавы системы олово–цинк для термического анализа

–  –  –

1. Задание изучить схему установки для проведения технического анализа;

провести исследование процесса кристаллизации сплава олово—цинк (Sn–Zn);

изучить микроструктуру сплава и объяснить характер фазовых превращений, происходящих при охлаждении;

определить критические точки сплава;

по полученным результатам построить кривые охлаждения сплавов;

построить диаграмму состояния сплавов Sn–Zn .

распределить на диаграмме структурные составляющие и фазы

2. 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 производить каждые 30 сек. и записывать в журнал наблюдений (таблица.2). Запись заканчивается при температуре 160 о С;

<

–  –  –

Температура

2) По полученным данным:

a) вычертить в крупном масштабе кривую охлаждения своего сплава;

b) составить таблицу критических точек всех шести исследованных сплавов (по данным всех бригад) (таблица 3) .

–  –  –

3) По результатам термического анализа всех бригад:

a) вычертить шесть кривых охлаждения сплавов различного химического состава;

b) затем на их основе вычертить в масштабе две диаграммы состояния сплавов Sn—Zn:

i) на первой распределить структурные составляющие;

ii) на второй распределить фазы .

6. Контрольные вопросы и задачи

1. Нарисуйте основные типы диаграмм состояния сплавов, состоящих 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, эвтектических и заэвтектических сплавов системы Pb–Sb при температуре 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 .

10. Какова структура и фазовый состав доэвтектических, эвтектических и заэвтектических сплавов системы Sn–Zn при температуре 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 .

19. При каких условиях сплавы образуют диаграммы первого, второго или третьего типа?

20. Охарактеризуйте строение и и свойства твёрдых растворов замещения и внедрения .

21. Нарисуйте диаграмму состояния первого типа для сплава, состоящего из компонентов А и В. Распределите на ней структурные составляющие и фазы .

22. Нарисуйте диаграмму состояния второго типа для сплава, состоящего из компонентов А и В. Распределите на ней структурные составляющие и фазы .

23. Нарисуйте диаграмму состояния третьего типа для сплава, состоящего из компонентов А и В. Распределите на ней структурные составляющие и фазы .

24. Охарактеризуйте диаграммы состояния сплавов первого, второго и третьего типа .

25. Дайте определение линиям ликвидуса и солидуса диаграмм состояния сплавов. Покажите их на диаграмме сплава олово–цинк .

26. Сколько критических точек расположено на кривых охлаждения железа, свинца, сурьмы?

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.: Металлургия, 1977. – 647 с .

3. Мозберг Р.К. Материаловедение: Учебное пособие.– Талин:

Изд-во «Валгус», 1976. – 554 с .

4. Основы материаловедения: Учебник для вузов. – Под ред .

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

5. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов: 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 .

Учебно-методическое издание Парфенов Виктор Деонисиевич Принципы построения диаграмм состояния сплавов Методические указания к лабораторным работам




Похожие работы:

«COОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "ВЯЗЕМСКИЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ЗАВОД" Машины сушильные ЛС-55 ЛС-55П Руководство по эксплуатации Настоящий документ поставляется совместно с сушильной машиной ЛС-55, выпускаемой ОАО "Вяземский машиностроительный завод", содержит основные сведения о ней, комплекте...»

«ПРАВИЛА ЛАГЕРЯ "АТЛАС ЧАРІВНЕ ОЗЕРО" Уважаемые родители, просим вас обратить особое внимание на то, что, кроме оздоровления, развлечения и отдыха ваших детей мы имеем другую, не менее важную и вообще – первостепе...»

«Коммерческое предложение по функционалу Кабинета клиента форекс брокера Кабинет клиента форекс брокера представляет собой защищенный сайт, на котором клиент компании имеет возможность открывать то...»

«МИНИСТЕРСТВО ГАЗОВОЙ П О.Т ? м и л ости РГ Ы СОГЛАСОВАНА: ГУНО М СССР ВД 30.^ 1578г. У 7/6/2102 Госстроем СССР н2 . сентября 1078г.’ и -1-4 ПОЗ }b ИНСТРУКЦИЯ по проектирован:® магистральных трубопроводов да транспортирования с ш еш ш углеводородов ВСЯ 51-03-78 УТВЕРВДЕШ РЕШ ЕНИЕ:.: МИНГАЗПР01.1А от ЗО'Уюября № 8_ г. Донецк, 1978т,...»

«Благодарим Вас за приобретение генератора Robin. В настоящем руководстве содержится действительная на момент издания информация об эксплуатации и обслуживании оборудования.Особое внимание следует уделять следующим сообщениям: Потенциально опасная ситуация, которая может стать причиной серьезной травмы или смертельн...»

«1ИИАР П-231 Научно-исследовательский институт атомных реакторов им.В.И.Ленина Е.Ф.Давыдов, В.Н.Сюзев. В.В.Копесов ОСНОВНЫЕ ВИДЫ РАЗРУШЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ И ДИСПЕРСИОННЫХ ТВЭЛОВ С ОБОЛОЧКАМИ ИЗ АУСТЕНИТНЫХ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ Димитровград • 1974...»

«1.4. Внешнеэкономические источники ресурсного обеспечения модернизации Современная конкуренция основывается на динамично сменяю щих друг друга инновациях, полученных благодаря использованию научно технических знаний. Высокие результаты научно технической и инновационной...»

«УТВЕРЖДЕНО приказом Финуниверситета от 24.12.2014 № 2476/о (с изменениями, внесенными приказом Финуниверситета от 12.10.2016 № 1965/о) ПОЛОЖЕНИЕ об Управлении делопроизводства и архива 1. Общие положения 1.1. Управление делопроизводства и архива Финансового университета (далее – Управление) осуществляет докумен...»




 
2019 www.mash.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.