Диаграмма состояния и структура сплавов систем «медь – никель» и «свинец – сурьма»

ЛАБОРАТОРНАЯ  РАБОТА №7 

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ И СТРУКТУРА СПЛАВОВ  СИСТЕМ «МЕДЬ – НИКЕЛЬ» И «СВИНЕЦ  – СУРЬМА» 

1. Цель  работы

 

   1.1. Научиться, пользуясь диаграммами состояния, анализировать формирование структуры сплавов при изменении химического состава и температуры.

   1.2. Ознакомиться со структурами  сплавов систем «медь – никель»  и «свинец – сурьма» в равновесном состоянии. 

2. Основные  понятия теории сплавов

 

   Металлический сплав представляет собой макроскопически однородное вещество (систему), полученное сплавлением (соединением в жидком состоянии) двух или большего числа металлов (реже металлов и неметаллов) и имеющее характерные металлические свойства.

   Индивидуальные  химические вещества (химические элементы, устойчивые химические соединения), при  сплавлении которых образуется сплав, называются компонентами.

   Компоненты  сплава при сплавлении вступают между  собой в физико-химическое взаимодействие, что приводит к образованию в  сплавах различных фаз. Фаза представляет собой однородную по химическому составу, строению и свойствам часть системы, отделённую от других частей системы (фаз) границей раздела. При переходе через границу раздела фаз свойства меняются скачком.

   В жидком состоянии большинство металлических  сплавов представляют собой однородные жидкие растворы. В твёрдом состоянии могут образовываться твёрдые растворы, промежуточные фазы (химические соединения) и смеси фаз.

   Твёрдыми  растворами называют кристаллические фазы переменного состава, при образовании которых кристаллическая решётка одного из компонентов (растворитель) сохраняется, а атомы других (растворённые компоненты) занимают места в кристаллической решётке растворителя.

   Различают твёрдые растворы замещения и твёрдые растворы внедрения. При образовании твёрдых растворов замещения атомы растворённого компонента замещают атомы растворителя в узлах его кристаллической решётки (Рис.1,а), а при образовании твёрдых растворов внедрения атомы растворённого компонента располагаются в порах между узлами кристаллической решётки растворителя (Рис.1, б). 

   

                     а)           б) 

   Рис. 1. Схема строения твердых растворов замещения (а) и внедрения (б) 

   При изменении количественного соотношения  компонентов твёрдые растворы сохраняют  свою однородность. Растворимость компонентов  в твёрдом состоянии может  быть ограниченной и неограниченной. При образовании твёрдых растворов внедрения растворимость всегда ограничена. Растворимость по типу замещения может быть как ограниченной, так и неограниченной. Неограниченная растворимость проявляется при соблюдении определённых условий:

1. компоненты должны иметь однотипную кристаллическую решётку;
2. разница в величине атомных радиусов компонентов не должна превышать 8-15 %;
3. компоненты должны иметь близкое строение валентной элек-тронной оболочки атомов.

    

3. Диаграммы состояния

 

   В зависимости от изменения внутренних факторов (концентрация компонентов) и внешних факторов (температура, давление) изменяется фазовое состояние системы: образуются и исчезают фазы, меняется их химический состав и относительное количество.

   Все эти изменения состояния сплавов удобно отображать графически в виде диаграммы состояния. Диаграмма состояния характеризует изменение фазового состояния сплавов в зависимости от их состава и температуры. Любая точка на диаграмме состояния отображает фазовое состояние конкретного сплава при конкретной температуре. Вид диаграммы состояния зависит от характера взаимодействия компонентов при изменении концентрации и температуры. 

1. Диаграмма состояния системы «медь-никель»

 

   При сплавлении этих металлов образуется неограниченные твердые растворы замещения, не образуются химические соединения и механические смеси фаз.

   Медь  и никель имеют одинаковую решётку (ГЦК) и близкие атомные радиусы (Сu – 0,128 нм, Ni – 0,125 нм).

   Линия асв на диаграмме состояния Сu – Ni (рис. 2) называется ликвидус ﴾от слова liquidus (лат.) – жидкий﴿. Выше этой линии все сплавы данной системы находятся в жидком состоянии. Линия адв называется  солидус (solidus ﴾лат. ﴿- твердый ﴿. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. Между ликвидусом и солидусом одновременно находятся две фазы: жидкий и твердый рас-творы. Чтобы охарактеризовать фазовое состояние конкретного спла-ва при заданной температуре, необходимо определить природу фаз, находящихся в равновесии при данной температуре, их химический состав и относительное количество. Для примера рассмотрим изменение фазового состояния, происходящее при снижении темпе-ратуры в сплаве, содержащем 30 % Ni и 70 % Сu (см рис. 2). 
 

     

   Рис. 2. Диаграмма состояния системы «медь – никель». 

   Для определения фазового состояния сплава в интервале кристал-лизации применяют правило отрезков. Например, при произвольно выбранной температуре t₁ (см. рис. 2) через точку К, лежащую на ординате сплава, проводят горизонтальную линию - изотерму - до пересечения с ближайшими линиями диаграммы. Точки пересечения укажут, какие фазы находятся в равновесии у данного сплава при      t₁ : m – соответствует жидкому раствору, n – твердому раствору α. По проекциям точек пересечения на ось концентрации определяют химические составы равновесных фаз: в жидкой фазе содержится   оm' % Ni (остальное – Сu); в α-фазе - оn' % Ni (остальное – Сu).

   Количественное  соотношение равновесных фаз  определяют по отрезкам: количество жидкой фазы пропорционально кn, а α-фазы -mk . Линию mn называют конодой.

   При охлаждении сплава из жидкого состояния ниже точки 1, лежа-щей на линии ликвидус, начинается кристаллизация. При переходе через точку 2 на линии солидус кристаллизация заканчивается. В про-цессе кристаллизации концентрация компонентов в жидком растворе изменяется согласно ликвидусу от точки 1 до точки 2', а в растворе     α – согласно солидусу от точки 1' до точки 2.

   После окончания кристаллизации структура  сплава состоит из зерен твердого раствора α, имеющих одинаковый состав. Поскольку сплав был выбран произвольно, то рассуждения о формировании его структуры применимы к любому сплаву этой системы, кроме чистых Cu и Ni. 

2. Диаграмма состояния системы «свинец – сурьма»

 

   Диаграмма состояния данного типа характеризуется  тем, что ком-поненты, неограниченно растворимые друг в друге в жидком состоя-нии, лишь ограниченно растворимы в твердом состоянии и образуют эвтектику (рис. 3). 

     

   Рис. 3. Диаграмма состояния системы «свинец-сурьма».

   Ликвидус состоит из двух ветвей – ac и cb. Ниже ас начинается кристаллизация твердого раствора α (твердый раствор замещения Sb в Pb), а ниже линии cb– кристаллизация твердого раствора β (твер-дый раствор замещения Pb в Sb).

   Солидус состоит из трех участков: ad, bc и dce. Ниже линии ad завершается кристаллизация твердого раствора α, ниже линии be завершается кристаллизация твердого раствора β. На линии dce имеет место эвтектическое равновесие: 

     Ж_с ↔ α_d + β_e .           (1) 

   Все сплавы, лежащие в пределах линии dce, будут в последней стадии кристаллизации затвердевать, образуя согласно реакции (формула 1) смесь фаз α_d + β_e , которую называют эвтектикой, а такую кристаллизацию – эвтектической. Эвтектическая кристалл-лизация происходит при постоянной температуре. При этом жидкий раствор имеет определенный (эвтектический) состав (точка с).

   В сплавах, лежащих в пределах участка dc (доэвтектических), эвтектической кристаллизации предшествует образование твердого раствора α, а в сплавах, лежащих в пределах участка се (заэвтекти-ческих), эвтектической кристаллизации предшествует образование твердого раствора β. После завершения кристаллизации структура до-эвтектических сплавов будет состоять из кристаллов твердого раст-вора α и эвтектики, структура заэвтектических сплавов – из крис-таллов  твердого раствора β и эвтектики, структура эвтектического сплава содержит только эвтектику.

   Линии df и eg называют линиями  предельной растворимости (сольвусом): df определяет предельные концентрации Sb, которые могут раствориться в Pb при различных температурах; eg – предель-ные концентрации Pb, которые могут раствориться в Sb. Согласно наклону линий предельной растворимости, последняя с понижением температуры уменьшается.

   В качестве примера рассмотрим процессы, происходящие при фор-мировании структуры заэвтектического сплава «60 % Sb – 40 % Pb» (см. рис. 3).

     

   Рис. 4. Кривая охлаждения сплава «40 % Pb  + 40 % Sb». 

   При охлаждении из жидкого состояния (рис. 4) ниже точки 1 на-чинается кристаллизация твердого раствора β. В процессе крис-таллизации в интервале температур, соответствующих точкам 1 и 2, согласно правилу отрезков, состав жидкого раствора изменяется по линии ликвидус от точки 1 до точки e, а состав β-фазы по линии солидус от точки 1' до точки с. К моменту достижения температуры точки 2 в сплаве будут кристаллы твердого раствора β и жидкий раствор, имеющий состав точки с. Этот жидкий раствор при температуре ниже точки 2 закристаллизуется, образуя эвтектическую смесь Ж_с → α_d + β_e . После завершения кристаллизации сплав будет состоять из двух структурных составляющих: кристаллов твердого раствора β и эвтектики β +(α+β). 

   3.3. Определение по микроструктуре химического состава сплава 

   В сплавах, содержащих две структурные  составляющие, по их мик-роструктуре можно определить химический состав. Например, определим химический состав доэвтектического сплава состава Х (см. рис. 3). Весовое количество Sb в этом сплаве равно сумме его весовых количеств в первичных кристаллах α и эвтектике. Относи-тельное количество первичных кристаллов α и эвтектики можно определить по структуре сплава. Пусть F_α – относительная доля пло-щади шлифа, занимаемая первичными кристаллами α, F_эвт. – занимае-мая эвтектикой. Тогда, пренебрегая разностью удельных весов α и эвтектики, можно считать, что отношение F_α / F_эвт равно отношению весовых количеств этих структурных составляющих и, следовательно,

        

где 0,44 – содержание Sb в α-фазе, % ; 13 – содержание Sb в эвтек-тике, % .

   Микроструктура  сплавов выявлена травлением шлифов трави-телем состава 4 % HNO₃ + 96 % С₂Н₅ОН. При наблюдении и изобра-жении структур сплавов системы «Pb – Sb» необходимо иметь в виду, что α - фаза темная, β - фаза светлая, эвтектика – однородная смесь темной составляющей α с небольшим количеством светлых вклю-чений β –фазы. 

4. Содержание  отчета

 

Отчет должен содержать:

1) название работы;

2. цель работы;
3. сведения из теоретической части:

- об использовании правила отрезков для определения фазового   состояния, химического состава фаз и относительного количества фаз;

- о методике определения химического состава сплава по мик-роструктуре;

   4) диаграмму состояния системы «Cu – Ni»; кривые охлаждения чистой меди и сплава «80 % Cu - 20 % Ni» , построенные по диа-грамме состояния с указанием фазовых превращений; схемы структур чистой меди и сплава «80 % Cu - 20 % Ni» ;

     5) диаграмму состояния системы «Pb – Sb»; кривые охлаждения доэвтектического, эвтектического и заэвтектического сплавов, построенные по диаграмме состояния с указанием фазовых превращений; схемы структур сплавов доэвтектического, эвтек-тического и заэвтектического; определение химического состава сплавов;