Akademia Bydgoska

im. Kazimierza Wielkiego

w Bydgoszczy

Sprawozdanie

Temat: UKŁAD RÓWNOWAGI Z FAZAMI MIĘDZYMETALICZNYMI

Wykonali:

Anna Świątek

Anna Harłozińska

Aleksandra Zdanowicz

Damian Brzozowiec

Spis treści

1. Cel ćwiczenia.................................................................................................

2. Wiadomości ogólne........................................................................................

2.2) Powstawanie związków międzymetalicznych....................................

2.3) Roztwory stałe pierwiastków w związku międzymetalicznym

3. Omówienie wykresu.......................................................................................

3.1) Omówienie stopu I.....................................................................

3.2) Omówienie stopu II....................................................................

3.3) Omówienie stopu III..................................................................

4. Literatura......................................................................................................

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodą konstrukcji wykresu układu równowagi fazowej z fazą międzymetaliczną.

2. Wiadomości ogólne

2.1) Powstawanie związków międzymetalicz­nych

Wiele metali tworzy między sobą związki o charak­terze metalicznym
(np. Al₂Cu) lub z niemetalami (np. Fe₃C). Związek międzymetaliczny A_mB_n nie krystalizuje w strukturze sieci któregoś ze swoich składników, lecz ma sieć własną, strukturę typową dla związku, w której atomy obu składników A i B są wbudowane

w odpowiednim związkowi stosunku m : n (oznaczamy Z). I tak np. w związku
Al₂Cu stosunek Al do Cu równa się 2:1.

Powszechnie przyjęte w chemii przedstawianie mo­lekuł nie odnosi

się do związków międzymetalicznych ze względu na ich wiązania metaliczne.

Powstawanie związku międzymetalicznego trwałego do linii likwidusu. Krzywa chłodzenia związku A_m B_n, A_I — krysz­tały pierwotne składnika A, B — kryształy pierwotne skład­nika B, Z — kryształy związku chemicznego A_m B_n, Z_I — krysz­tały pierwotne związku chemicznego Am B_n pod postacią kryształów Z. Krzepnie więc

jak czysty pierwiastek i krzywa chłodzenia ma tylko jeden przystanek temperatury. Podczas ogrze­wania stop Z jest w stanie stałym aż do chwili po­czątku topnienia

w punkcie maksimum przy stałej temperaturze. Zawiera wówczas w stanie ciekłym nie molekuły Z, lecz pierwiastki A i B rozpuszczone w sobie w stosunku atomowym m.in. Mówimy, że związek międzymetaliczny jest trwały poniżej linii likwidusu. Przedstawiony na rys. 19 wykres równowagi faz można rozpatrywać ogólnie jako dwa leżące obok siebie wykresy i odpowiednio odczytywać procesy zachodzące przy chłodzeniu wszystkich innych sto­pów. W układzie z ograniczoną rozpuszczalnością np. składnika B w składniku A, stop L w tempera­turze pokojowej składa

się z kryształów α i kryształów Z. Przy ogrzewaniu kryształy α bogacą się w składnik B czerpiąc go od Z tak, że po osiągnięciu jedno­rodnego pola, stop składa się tylko

z kryształów α. Należy bronić się przed błędnym poglądem, że przy rozpuszczaniu kryształów Z, molekuły Z są wbudowywane do kryształów α jako składowe części sieci. W rzeczywistości istnieje sieć A z wbudowanymi w nią atomami B. Jakiekolwiek składniki o składzie A_mB_n nie istnieją.

2.2) Roztwory stałe pierwiastków w związku międzymetalicznym.

W sieciach niektórych związków atomy jednego pierwiastka można zastąpić atomami innego pier­wiastka. Sieć związku zachowuje swą charaktery­styczną budowę, ale nie mamy już do czynienia ze związkiem o stałym stosunku m : n, lecz

z kryształem roztworu stałego pierwiastka w związku między­metalicznym

y. Ten przypadek przedstawia rys. 20. Również ten wykres można rozważać jako

dwa leżące obok siebie układy. Stop o składzie Z ma tylko jeden przystanek

na krzywej. Chłodzenia. Pozostałe zjawiska są identyczne jak w poprzednio rozpatry­wanych wykresach równowagi faz.

Powstawanie związku międzymetalicznego trwałego do linii likwidusu
z ograniczoną rozpuszczalnością związku oraz obu składników w stanie stałym: na lewo opis strukturalny na prawo opis faz; Z — związek chemiczny składników
A i B, α_I — roztwór stały pierwotny składnika B w A, α_II — roztwór stały wtórny składnika B w A, γ_I — roztwór stały pierwotny skła­dników A i B w Z,
γ_II — roztwór stały wtórny składnika A i B w Z, ft — roztwór stały składnika
A w B

Istnieją połączenia międzymetaliczne, które podczas ogrzewania

nie utrzymują się do właściwej dla nich temperatury topnienia, lecz rozpadają

się poniżej niej na ciecz i jakiś rodzaj kryształów, przy czym obie fazy ilościowo razem wzięte dają ten związek. Mówimy, że związek międzymetaliczny jest trwały poniżej linii solidusu.

Powstawanie związku trwałego do linii solidusu, A_I - kryształy pierwotne składnika A, B_I — kryształy pierwotne składnika B, Z - związek chemiczny składników
A i B

Porównanie z omawianymi wcześniej wykresami rów­nowagi faz wykazuje, że razem ze związkiem między­metalicznym, trwałym poniżej linii solidusu, wystę­puje zawsze przemiana perytektyczna (twierdzenie odwrotne nie jest słuszne!).

Jako przykład zostanie rozpatrzony stop L podczas chłodzenia. Po przekroczeniu punktu a zaczynają rosnąć w cieczy kryształy pierwotne B.

Powstawanie związku, trwałego do linii solidusu krzywe chłodzenia

Po osiągnięciu linii perytektyki stop L składa się w 25% z kryształów pierwotnych B i w 75% z reszty cieczy o składzie b. Przy stałej temperaturze zamieniają się obecnie wszystkie kryształy pierwotne B z częścią cieczy w kryształy Z. Przy przekroczeniu (w dół) linii perytektyki stop L składa się w 50% z kryształów Z i w 50% z cieczy o składzie b. Ze spadkiem temperatury wydzielają się z reszty cieczy

dalsze kryształy, przy czym skład cieczy zmienia się wg krzywej b—c.
Po osiągnięciu linii eutektyki stop składa się w 75% z kryształów Z i w 25 z reszty cieczy o składzie punktu c, która obecnie krzepnie jako eutektyka, składająca się z kryształów A i Z.

3. Omówienie wykresu

3.1) Omówienie stopu I

Stop I reprezentowany przez linię I zaczyna krystalizować w temperaturze 1250^OC. W tej temperaturze z cieczy o składzie 95%A i 5%B wydzieli się pierwszy kryształ α o składzie 99%A i 1%B. Przy dalszym chłodzeniu stop osiągnie

punkt 1. w tym punkcie z cieczy o składzie 80% A i 20% B wydzieli się kryształ

α o składzie 97% A i 3% B. Od przekroczenia punktu 1₁ aż do punku 1₂ występować będą kryształy fazy stałej roztworu oznaczane przez α. Po przekroczeniu punktu

1₂, który znajduje się na linii granicznej rozpuszczalności zaczynają wydzielać się wtórne kryształy γ''.

3.2) Omówienie stopu II

Stop reprezentowany przez linię II zaczyna krystalizować w temperaturze 1100^OC. W tej temperaturze z cieczy o składzie 75% A i 25% B wydzieli się pierwszy kryształ fazy stałej α o składzie 95% A i 5% B. Podczas dalszego chłodzenia skład cieczy będzie się zmieniał wzdłuż linii likwidus a skład kryształów będzie się zmieniał wzdłuż linii solidus. Po osiągnięciu punktu 2 pojawi się nowy składnik strukturalny- eutektyka, to znaczy mieszanina α+Z. W tej temperaturze stop składa się z cieczy eutektycznej L oraz kryształów α. Zgodnie z regułą dzwigni ilościowy stosunek tych faz wynosi 45%L i 55%E. W temperaturze eutektycznej z cieczy wydzielają

się równocześnie kryształy α i Z tworząc mieszaninę eutektyczną. Po zakrzepnięciu stop będzie się składał z pierwotnie wydzielonych kryształów α na tle eutektyki.

Przy dalszym ostyganiu żadne zmiany w strukturze stopu już nie zachodzą.

3.3) Omówienie stopu III

Stop reprezentowany przez linię III rozpoczyna krzepnięcie w temperaturze 1150^OC. W tej temperaturze z cieczy o składzie 80%Z i 20%B wydzieli się pierwszy kryształ γ o składzie 97% Z i 3% B. Podczas dalszego ochładzania skład cieczy będzie się zmieniał wzdłuż linii likwidus, a skład kryształów wzdłuż linii solidus. Po osiągnięciu punktu 3 z cieczy o składzie 50% Z i 50% B wydzieli się kryształ

γ o składzie 90% Z i 10 % B. Po osiągnięciu punktu 3₁ pojawią się kryształy stałej fazy γ. Po ochłodzeniu do punktu 3₂, który znajduje się na linii granicznej rozpuszczalności B w Z zaczną wydzielać się wtórne kryształy B''.

4. Literatura

1) Roman Janas „Materiałoznawstwo z ćwiczeniami laboratoryjnymi”

Warszawa 1987 Państwowe Wydawnictwo Naukowe.

2) Stanisław Rudnik „Metaloznawstwo”

Warszawa 1998 Państwowe Wydawnictwo Naukowe.

6

7

3

10

2

3

3

5

8

8

9

9

10

0

100

80

60

40

20

1300

1200

1100

1000

900

800

700

600

500

400

300

200

100

III

II

I

1

1₁

1₂

2

3

3₁

3₂

A

B

L+α

α

α+γ''

E

α+E+Z

L+Z

γ

L+γ

B+L

γ+B''

γ+E+B

---