Диаграмма состоянии сплавов - механических смесей (I тип)

Категория:
Металлы


Диаграмма состоянии сплавов - механических смесей (I тип)

Диаграмма состояний сплавов — механических смесей рассматривается на примере системы свинец—сурьма.

Сплавы свинца с сурьмой используются в типографском деле для шрифтов, на железнодорожном транспорте в качестве свинцовых баббитов для подшипников, при штамповке деталей из листовых алюминиевых сплавов в качестве материала для отливки штампов.

Для построения диаграммы состояний термическим методом нужно иметь в качестве исходных материалов чистые свинец и сурьму, а в качестве оборудования и приборов — печь, тигель, термоэлектрический пирометр и секундомер. Термоэлектрический пирометр для низкоплавких сплавов может быть заменен обыкновенным ртутным термометром.

Сплавляя свинец и сурьму, можно получить бесконечное множество сплавов, различных по химическому составу.

Однако для построения диаграммы состояний достаточно взять несколько составов:
0% РЬ, 100% Sb. 25% РЬ, 75% Sb 50% РЬ, 50% Sb 87% РЬ, 13% Sb 90% РЬ, 10% Sb 95% РЬ, 5% Sb 100% РЬ, 0% Sb.

Чистые компоненты и сплавы последовательно расплавляются и затем подвергаются охлаждению, в процессе которого проводится наблюдение за падением температуры с отсчетами через равные промежутки времени. По полученным данным строятся термические кривые охлаждения, которые имеют вид, представленный в левой части рис. 2.

Рис. 1. Схема строения кристаллической решетки сплава — химического соединения

Чистые свинец и сурьма имеют по одной критической точке, характеризуемой остановкой в виде горизонтальной площадки на соответствующей температурной кривой, левая крайняя точка горизонтального участка на обеих кривых соответствует началу, а правая — концу кристаллизации этих металлов.

На кривых для сплавов 2, 3, 5 и 6 наблюдается по две критические точки: верхняя в виде перелома кривой, нижняя в виде температурной остановки.

Рис. 2. Схема построения диаграммы состояний по термическим кривым

Сплав, содержащий 13% сурьмы и 87% свинца, имеет одну критическую точку в виде температурной остановки; его поведение по виду термической кривой напоминает поведение чистых металлов. Однако указанная критическая точка лежит значительно ниже, чем точки затвердевания чистых компонентов.

Сплав с 13% сурьмы — особый сплав в системе и его называют эвтектическим; природа этого сплава будет описана ниже. Сплавы с концентрацией меньше 13% сурьмы называют доэв-тектическими, а с большей концентрацией — заэвтектическими.

Если наблюдать за поведением доэвтектических сплавов перед моментом образования перелома на термической кривой, в момент перелома и далее до наступления второй критической точки, то можно легко обнаружить, что выше критической точки 1 сплавы находятся в жидком состоянии и что в момент наступления перелома на кривой (точка /) в них начинается процесс затвердевания с выделением первых кристалликов.

Этот процесс продолжается вплоть до наступления температурной остановки (точка 2).

Кристаллики, образующиеся в температурном интервале от точки 1 до точки 2, можно легко отделить от жидкого сплава и проанализировать. Химический анализ покажет, что они состоят из чистого свинца. Следовательно, доэвтектические сплавы в интервале критических температур кристаллизуются с выделением кристаллов чистого свинца.

Подобно изложенному заэвтектические сплавы в интервале критических температур от точки 1 до точки 2 выделяют кристаллы чистой сурьмы. Важно отметить, что точка / начала кристаллизации чистого свинца в доэвтектических сплавах понижается с повышением концентрации сурьмы. Аналогично точка / начала кристаллизации чистой сурьмы в заэвтектических сплавах понижается с повышением концентрации свинца.

Чистый свинец и чистая сурьма, выделяющиеся соответственно в доэвтектических и заэвтектических сплавах как избыток против эвтектического состава, называются избыточными.

Точка 2 присуща всем доэвтектическим и заэвтектическим сплавам, кроме чистых металлов, и лежит она для всех сплавов при одной и той же температуре 246°. Эвтектический сплав имеет только нижнюю критическую точку 2, лежащую при той же температуре. Нижняя точка 2 является температурой начала и конца кристаллизации жидкой части сплава, оставшейся после выпадения кристаллов избыточного свинца в доэвтектических и кристаллов избыточной сурьмы в заэвтектических сплавах. Если проанализировать в сплавах 2, 3, 4, 5 и 6 химический состав жидкой части перед самой точкой 2, то окажется, что этот состав во всех случаях совершенно одинаков и равен эвтектическому — 13% сурьмы и 87% свинца. Такой жидкий раствор определенного состава называют жидким раствором эвтектической концентрации. В точке 2 при 246° начинается и заканчивается кристаллизация этого раствора. При этом компоненты неспособны образовывать твердый раствор, а дают механическую смесь кристаллов чистого свинца и чистой сурьмы. Эта смесь называется эвтектикой.

Таков физический смысл процессов, наблюдающихся при охлаждении сплавов системы свинец—сурьма и отражающихся на термических кривых в виде критических точек.

Верхние и нижние критические точки, сведенные в один график с координатами температура — концентрация, дают диаграмму состояний. При этом критические точки переносятся на ординаты, соответствующие концентрации выбранных для исследования сплавов (см. рис. 2).

Соединяя линией верхние критические точки, получим кривую из двух ветвей АЕ и ЕС, именуемую линией ликвидус (от атинского liquidus — жидкий). Линия BED, соединяющая нижние критические точки, является горизонтальной прямой, носящей название солидус (от латинского solidus — твердый) или для данного типа диаграммы — эвтектической горизонтали.

Полученная диаграмма состояний позволяет предсказать поведение любого сплава системы свинец—сурьма при нагревании и охлаждении.

Изучая поведение того или иного сплава, последний принято обозначать на диаграмме в виде ординаты, соответствующей по положению на оси абсцисс составу (концентрации) этого сплава. Так, например, сплав состава.5% сурьмы и 95% свинца изображен на диаграмме (рис. 18) ординатой, сплав состава 50% сурьмы и 50% свинца — ординатой II-II и т. д.

Рис. 19. Диаграмма состояний сплавов свинца с сурьмой

Если требуется изобразить данный сплав при определенной температуре, то на указанной ординате обозначают точку, соответствующую этой заданной температуре. Точка, изображающая на диаграмме состояний сплав определенного состава при заданной температуре, называется фигуративной. Перемещение фигуративной точки по ординате сплава вверх или вниз обозначает соответственно нагревание или охлаждение сплава.

Если рассмотреть какой-нибудь конкретный сплав, например сплав с 50% сурьмы и 50% свинца, при разных температурах (рис. 3), то окажется, что о состоянии сплава, например при охлаждении, можно судить по положению фигуративной точки на ординате сплава.

Такое рассмотрение полезно вести, имея в виду и термическую кривую охлаждения для данного сплава (рис. 3, справа). Если фигуративная точка 1 лежит выше линии верхних критических точек (линии ликвидус), то сплав находится в состоянии жидкого раствора компонентов друг в друге.

При остывании сплава до температуры точки 2, лежащей на линии ликвидус, он еще полностью находится в состоянии жидкого раствора. Однако при этой температуре жидкий раствор оказывается насыщенным до предела, т. е. готовым при малейшем понижении температуры начать выделение кристаллов пересыщающего компонента, в данном случае сурьмы.

Если сплав характеризуется фигуративной точкой 3, лежащей между линией ликвидус и линией солидус, то в нем продолжается кристаллизация чистой сурьмы, начавшаяся на линии ликвидус, причем оставшийся жидкий раствор за счет выделения из него избытка сурьмы обогащается свинцом, постепенно приближаясь к эвтектическому составу (13% Sb и 87% РЬ).

Выделяющаяся теплота кристаллизации сурьмы замедляет охлаждение, вследствие чего термическая кривая ниже точки 2 является более пологой, чем до этой точки (рис. 3, справа).

При охлаждении сплава до температуры, соответствующей фигуративной точке, кристаллизация избыточной сурьмы полностью заканчивается, а жидкий раствор, приобретая точно эвтектический состав, при этой температуре начинает кристаллизоваться в виде механической смеси кристалликов чистого свинца и чистой сурьмы. Процесс кристаллизации эвтектики соответствует на термической кривой охлаждения участку 4-4’ (рис. 3, справа), где точка 4 — начало, а точка 4’ — конец кристаллизации эвтектики во времени. Температура кристаллизации постоянна и равна температуре эвтектической горизонтали 246°.

При дальнейшем охлаждении в интервале от эвтектической горизонтали до комнатной температуры и ниже сплав сохраняет свою структуру без изменения (точка 5).

Охлаждение любого доэвтектического сплава приведет к аналогичным результатам с той разницей, что в интервале критических температур будет выпадать избыточный свинец, а не сурьма. При температуре нижней критической точки по-прежнему будет кристаллизоваться эвтектика.

Если на основании разобранных примеров рассмотреть теперь поведение различных сплавов в зависимости от того, в какой области диаграммы состояний будут находиться их фигуративные точки, то можно указать следующие общие закономерности (

Рис. 19, слева).

I область соответствует для всех сплавов состоянию однородных жидких растворов свинца и сурьмы.
II область — в сплавах присутствуют избыточные кристаллы свинца + жидкий раствор.
III область —в сплавах присутствуют избыточные кристаллы сУрьмы + жидкий раствор.
IV область — в сплавах присутствуют избыточные кристаллы сурьмы + эвтектика.
V область — в сплавах присутствуют избыточные кристаллы свинца + эвтектика.

Рис. 4. Микроструктуры сплавов свинца с сурьмой: а — доэвтектического; б — эвтектического; в — заэвтектического. Ув. 200, травитель — 2% HN03 в спирте

Структуры затвердевших сплавов различной концентрации при рассмотрении в микроскоп очень характерны и существенно отличаются друг от друга.

На рис. 4 представлены микрофотографии образцов различных сплавов системы РЬ — Sb.

На рис. 4, а представлена структура доэвтектического сплава, содержащая избыточный чистый свинец в виде дендритов темного цвета и черно-белую кружевного вида составляющую— эвтектику.

На рис. 4, б изображена микроструктура эвтектического сплава, содержащая только черно-белую составляющую — чистую эвтектику.

На рис. 4, в структура заэвтектического сплава характеризуется наличием кристаллов избыточной сурьмы и эвтектики.

Чистый свинец и чистая сурьма имеют зернистое полиэдрическое строение.

Компоненты, образующие сплавы — механические смеси, имеют следующие характерные особенности:
1. В жидком состоянии такие компоненты неограниченно растворимы друг в друге.
2. В твердом состоянии они нерастворимы и образуют механические смеси.
3. Находясь в определенном весовом соотношении, образуют при кристаллизации однородную механическую смесь — эвтектику, состоящую из кристаллов чистых компонентов и обладающую наиболее низкой температурой плавления.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум