Akademia Bydgoska

im. Kazimierza Wielkiego

Wydział:

Matematyki Techniki i Nauk Przyrodniczych

Kierunek:

Edukacja Techniczno-Informatyczna

Materiałoznawstwo Metali

Temat: Analiza układu z eutektyką z całkowitą, nieograniczoną rozpuszczalnością w stanie ciekłym, ograniczoną rozpuszczalnością w stanie stałym

Wykonali:

Andrzej Weber

Marcin Wiśniewski

Sebastian Gałęzewski

Grupa: 3

Bydgoszcz, listopad 2004

Spis treści

Układy fazowe dwuskładnikowe z eutektyką o ograniczonej rozpuszczalności.

1. Cel ćwiczenia 3

2. Pojęcia podstawowe 3

3. Konstrukcja wykresu układu równowagi stopów dwuskładnikowych 4

4. Wstęp 6

5. Stop pierwszy (L1) 8

6. Stop drugi (L2) 9

7. Stop trzeci (L3) 10

8. Wnioski................................................................................................. 11

1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z układami równowagi fazowej z układem z ograniczoną rozpuszczalności w stanie stałym (eutetyka), zapoznanie się z przemianami zachodzącymi w stopach zarówno w stanie ciekłym, jak i w stanie stałym w zależności od temperatury i składu chemicznego a także odczytywanie z wykresów liczby faz, z których składa się dany stop. Student zapoznaje się także z podstawowymi pojęciami dotyczącymi układów równowagi fazowej (układ, faza, składnik, reguła dzwigni, stopnie swobody, roztwór i mieszanina). oraz zasadami wykonywania konstrukcji wykresów układu równowagi stopów.

Znajomość fazowej budowy stopu pod względem jego składu chemicznego, struktury i parametrów stereometrycznych ma zasadnicze znaczenie w metaloznawstwie, gdyż od tych wielkości w głównej mierze zależą właściwości fizyczne stopów w skali makroskopowej.

2. Pojęcia podstawowe

Przebieg przemian zachodzących podczas analizy termicznej czystych metali jest prosty. W określonych temperaturach krytycznych następują tylko zmiany stanu skupienia lub przemiany alotropowe w stanie stałym, czemu odpowiadają na krzywych chłodzenia czy też nagrzewania przystanki temperatur.

Inaczej jest w przypadku stopów. Przemiany zachodzące w tego rodzaju układach wieloskładnikowych są bardziej złożone i przedstawia się je graficznie na wykresach układów równowagi fazowej. Ilustrują one całokształt przemian zachodzących w stopach zarówno w stanie ciekłym jak i stanie stałym, w zależności od temperatury i składu chemicznego. Można za ich pomocą określić jakie przemiany zachodzą w stopach podczas nagrzewania czy też chłodzenia i jaką strukturę otrzymuje się w wyniku tych przemian.

Podstawowymi pojęciami, którymi operuje się przy omawianiu układów równowagi są: układ, faza, składnik, stopnie swobody, roztwór i mieszanina.

Stop jest ciałem metalicznym, składającym się z co najmniej dwóch pierwiastków chemicznych. Stop powstaje przy wzajemnym stopieniu się jego składników. Wyroby wytwarzane przez prasowanie i spiekanie uprzednio wymieszanych proszków metalicznych często nazywamy pseudostopami.

Stopy powstają również na drodze dyfuzji. Dyfuzja jest to wędrówka atomów w sieci krystalicznej, szybkość dyfuzji zależy od temperatury, w wyższych temperaturach osiąga ona znaczne wartości.

Układem nazywamy wyodrębnioną z otoczenia grupę ciał, będąca przedmiotem badania np. układ stopów żelazo-węgiel.

Składnikami nazywamy pierwiastki chemiczne, z których składa się dany stop.

Fazą nazywamy jednorodną, mechaniczną oddzieloną część układu. Stop jednorodny stanowi tylko jedną fazę, ponieważ zawiera wiele ziaren różnego kształtu i wielkości, które można oddzielić od siebie, lecz wszystkie ziarna mają ten sam skład chemiczny.

Roztwór - jeżeli składniki krystalizują w jednej sieci (jeden całkowicie rozpuszcza się w drugim) i w całości stanowią jedna fazę.

Mieszanina - składa się z co najmniej dwóch różnych rodzajów kryształów (składnik nie rozpuścił się w drugim i powstały dwa różne rodzaje sieci).

Liczbą stopni swobody układu nazywamy tę liczbę zmiennych czynników niezależnych, które można zmieniać dowolnie, niezależnie od siebie, bez spowodowania zmiany liczby faz układu.

s = n - f + 1

Reguła dzwigni - za jej pomocą dla każdego stopu można w każdej temperaturze wyznaczyć wagową zawartość poszczególnych faz. W tym celu zakłada się, że odległość mierzona wg prostej poziomej między poszczególnymi fazami wynosi wagowo 100%. Wówczas poszczególne odcinki poziome, mierzone w tej samej skali mają się do siebie w stosunku odwrotnym do zawartości procentowej poszczególnych faz lub składników.

3. Konstrukcja wykresu układu równowagi stopów dwuskładnikowych

Układy równowagi stopów dwuskładnikowych może być przedstawiony wykreślnie na płaszczyźnie, jak to przedstawia rys. 1.

Rys.1.

Zasada konstrukcji wykresu układu równowagi fazowej stopów dwuskładnikowych.

Na poziomym odcinku AB odczytuje się skład chemiczny stopu, wyrażony w procentach wagowych. Punkty końcowe A i B odpowiadają 100% - owym zawartościom składników A i B w stopie, tj. punkt A oznacza czysty składnik A, a punkt B czysty składnik B. Każdemu punktowi w obrębie odcinka AB odpowiada stop obu tych składników o określonym składzie chemicznym. Zawartość procentowa składnika A wzrasta od punktu B w lewo, tj. od 0% składnika A w punkcie B do 100% w punkcie A. Podobnie zawartość procentowa składnika B wzrasta w prawo od 0% w punkcie A do 100% w punkcie B. Skład chemiczny w punkcie x wynosi więc Ax% składnika B oraz Bx% składnika A. Sumaryczna zawartość tych składników wynosi oczywiście 100%. Temperaturę odczytuję się na osi rzędnych.

Każdemu punktowi na wykresie odpowiada stop o określonym składzie chemicznym, znajdujący się w określonej temperaturze. Dla odczytania składu chemicznego stopu trzeba go zrzutować pionowo na podstawę wykresu. Stop określony punktem m na rys.1 zawiera 60% składnika A oraz 40% składnika B i znajduje się w temperaturze t₁. Stop o składzie z punktu N jest czystym metalem B, znajdującym się w temperaturze t₂. Wszystkie stopy leżące na jednej linii pionowej mają oczywiście ten sam skład chemiczny, a wszystkie stopy leżące na tej samej linii poziomej znajdują się w tej samej temperaturze.

Istnieje wiele sposobów budowy wykresów równowagi faz. Przedstawiony wykres na rys.2 zbudowano w następujący sposób. Zmieszano ze sobą czyste składniki A i B w stosunku wagowym podanym na rysunku, stopiono, po czym uzyskano krzywe chłodzenia dla poszczególnych stopów. Szczególne punkty tych krzywych (załamania, przystanki) przerzutowano na wykres układu równowagi. Ta metoda rysowania wykresu równowagi faz nosi nazwę analizy cieplnej lub termicznej.

Rys.2. Budowa wykresu równowagi faz za pomocą krzywych chłodzenia

4.Wstęp

Wykres równowagi fazowej dwóch metali A i B, które całkowicie rozpuszczają się w sobie wzajemnie w stanie ciekłym, a ich wzajemna rozpuszczalność jest ograniczona tylko w stanie stałym przedstawiony jest poniżej. Oprócz ciekłego roztworu występują dwie fazy, które oznacza się jako kryształy pierwotne α i drugą jako kryształy pierwotne β.Kryształy pierwotne α to roztwór składnika B w składniku A, natomiast kryształy pierwotne β to roztwór metalu A w metalu B. Metodę czytania takiego wykresu przedstawimy

poniżej. S2 L S

L+α L+β

α α+E E+β β

A 3 6 B

α - roztwór B w A E - eutektyka

β - roztwór A w B L - ciecz

Linię pionową oznaczoną przez nas 2-3 przyjęło się nazywać graniczną rozpuszczalnością składnika B w składniku A, zaś pionowa linia oznaczona przez nas 5-6 określa graniczną rozpuszczalność składnika A w składniku B.

Kryształy α po osiągnięciu składu chemicznego określonego punktem 3 stają się roztworem nasyconym, podobnie jest z kryształami β tylko, że one stają się takim roztworem po osiągnięciu punktu 6. Stopy o składach między A-3 i 6-B krzepną jak roztwory stałe ciągłe i w stanie stałym mają jednolitą budowę, to znaczy, że zbudowane są z kryształów α(stopy o składzie A-3) lub kryształów β (stopy o składzie 6-B). Chłodząc stop S poruszamy się na wykresie w dół po linii jego składu zgodnie ze spadkiem temperatury. Pierwszym charakterystycznym punktem jest punkt 7. W tym punkcie rozpoczyna się krzepnięcie polegające na wydzielaniu się z cieczy kryształów pierwotnych roztworu stałego β. Należy pamiętać, iż skład cieczy zmienia się wzdłuż linii likwidus od punktu 7 do 10. Natomiast skład kryształów pierwotnych β zmienia się wzdłuż linii solidus od punktu 8 do 9. Punkt 9 jest punktem przecięcia z linią solidus i po jej przecięciu stop całkowicie krzepnie w postaci kryształów β.To znaczy, że po schłodzeniu stopu poniżej temperatury jaka występuje w punkcie 9 stop funkcjonuje jako ciało stałe o budowie kryształów β.

Inaczej jest ze stopami, których skład waha się między punktami 3-6. W celu pokazania sposobu odczytywania tego wykresu omówimy stop przedstawiony na wykresie jako S2. Chłodząc stop S2 osiągamy punkt 11, rozpoczyna się krzepnięcie i zaczynają wydzielać się kryształy α. Identycznie jak w poprzednim przypadku chłodząc stop skład cieczy zmienia się po linii likwidus od punktu 11 do E, natomiast wytrącające się kryształy α zmieniają swój skład po linii solidus od punktu 12 do 2.

2. Po osiągnięciu temperatury eutektycznej (na wykresie linia oznaczona 2-5). Po przekroczeniu tej temperatury stop składa się kryształów α na tle eutektyki, które tworzą mieszaninę eutektyczną.

5. Stop pierwszy L1.

1200- L1 L2 L3

1100- 1

1000-

900-

800-

700- C

2

600- 4 2 SOLIDUS 2 E

500-

400-

300-

200-

100-

0

Stop nazwany przez nas L1 jest stopem podeutektycznym, ponieważ znajduje się na lewo od stopu eutektycznego, którego skład jest następujący 31% A i 69% B. Nasz stop L1 ma następujący skład 87% A i 13% B. Chłodząc stop L1 po przecięciu linii likwidus rozpoczyna się jego krystalizacja, punkt przecięcia linii L1 z linią likwidus nazwaliśmy 1.

Punkt 1 jest określony przez temperaturę 1080° C i sam określa początek krystalizacji.

Po przekroczeniu linii likwidus w cieczy, której skład zmienia się wzdłuż linii likwidus od punktu 1 do punktu E, krystalizują kryształy pierwotne α, których skład zmienia się na linii solidus od 3 do 4. W obszarze tym wybraliśmy pewien punkt, który charakteryzuje stop w temperaturze 700° C i oznaczyliśmy go jako C. Stop w temperaturze 700° C (punkt C) ma postać krystalizujących kryształów pierwotnych z cieczy. Skład tych kryształów jest następujący: 92% A i 8% B, natomiast ciecz, z której krystalizują kryształy pierwotne ma następujący skład: 23% A i 67% B. Chłodząc dalej stop, czyli obniżając jego temperaturę, osiągamy temperaturę 595° C, czyli na wykresie punkt 2 w tej temperaturze stop składa się z cieczy eutektycznej i kryształów α. W tej temperaturze krzepną resztki cieczy i po zakrzepnięciu wszystkich cząsteczek cieczy stop składa się z mieszaniny eutektycznej, czyli kryształów α i eutektyki.

6. Stop drugi L2.

1200- L2

1100-

1000-

900-

800-

700-

D

600- E

500-

400-

300-

200-

100-

0

A 20 40 60 80 B

Stop nazwany przez nas L2 jest stopem podeutektycznym, ponieważ znajduje się na lewo od stopu eutektycznego, którego skład jest następujący 31% A i 69% B. Nasz stop L2 ma następujący skład 35% A i 65% B. Chłodząc stop L2 po przecięciu linii likwidus rozpoczyna się jego krystalizacja, punkt przecięcia linii L2 z linią likwidus nazwaliśmy 1.

Punkt 1 jest określony przez temperaturę 750° C a sam określa początek krystalizacji.

Po przekroczeniu linii likwidus w cieczy, której skład zmienia się wzdłuż linii likwidus od punktu 1 do punktu E, krystalizują kryształy pierwotne α, których skład zmienia się na linii solidus od 3 do 4. W obszarze tym wybraliśmy pewien punkt, który charakteryzuje stop w temperaturze 650° C i oznaczyliśmy go jako D. Stop w temperaturze 650° C (punkt D) ma postać krystalizujących kryształów pierwotnych z cieczy. Skład tych kryształów jest następujący: 89% A i 11% B, natomiast ciecz, z której krystalizują kryształy pierwotne ma następujący skład: 22% A i 68% B. Chłodząc dalej stop, czyli obniżając jego temperaturę, osiągamy temperaturę 595° C, czyli na wykresie punkt 2 w tej temperaturze stop składa się z cieczy eutektycznej i kryształów α. W tej temperaturze krzepną resztki cieczy i po zakrzepnięciu wszystkich cząsteczek cieczy stop składa się z mieszaniny eutektycznej czyli kryształów α i eutektyki.

7. Stop trzeci L3.

1200- L3

1100-

1000-

900- 1

3

800- F

700-

600- 6 E

500-

400- 5

300-

200-

100-

0 7

A 20 40 60 80 B

Stop nazwany przez nas L3 jest stopem nadeutektycznym, ponieważ znajduje się na prawo od stopu eutektycznego, którego skład jest następujący 31% A i 69% B. Nasz stop L3 ma następujący skład 8% A i 92% B. Chłodząc stop L3 po przecięciu linii likwidus rozpoczyna się jego krystalizacja, punkt przecięcia linii L3 z linią likwidus nazwaliśmy 1.

Punkt 1 jest określony przez temperaturę 840° C a sam określa początek krystalizacji. Po przekroczeniu linii likwidus w cieczy, której skład zmienia się wzdłuż linii likwidus od punktu 1 do punktu 4, krystalizują kryształy pierwotne β, których skład zmienia się na linii solidus od 3 do 2. W obszarze tym wybraliśmy pewien punkt, który charakteryzuje stop w temperaturze 830° C i oznaczyliśmy go jako F. Stop w temperaturze 830°C (punkt F) ma postać krystalizujących kryształów pierwotnych z cieczy. Skład tych kryształów jest następujący: 2% A i 98% B, natomiast ciecz, z której krystalizują kryształy pierwotne ma następujący skład: 22% A i 78% B. Chłodząc dalej stop, czyli obniżając jego temperaturę, osiągamy temperaturę 650° C, czyli na wykresie punkt 2 w tej temperaturze krzepną resztki cieczy i powstają kryształy pierwotne β, jednak to nie koniec zachodzących zmian. Podczas dalszego chłodzenia osiągamy temperaturę 380° C, nazwaliśmy ten punkt jako 5. Poniżej punktu 5 z kryształów pierwotnych β wytrącają się kryształy wtórne α'.

8. Wnioski.

Z technicznego punktu widzenia są to 3 różne stopy, które mają zupełnie inne właściwości fizyczne. Najlepsze właściwości ma stop nazwany przez nas L2, ponieważ jego budowa jest najbardziej zbliżona do stopu eutektycznego. Eutektyka to struktura drobnokrystaliczna o doskonałych właściwościach mechanicznych. Stop L2 jest najlepszym stopem z pośród 3 przedstawionych, gdyż to ten stop ma strukturę, w której najwięcej jest eutektyki.

6

2

13

5 9

11

7

4

1

LIKWIDUS

3

α + C

1

3

β+C

4

2

β

α

α + C

β + C

2

4

β

α

---