Wydział Matematyki, Techniki i Nauk Przyrodniczych

Instytut Techniki

PRACOWNIA MATERIAŁOZNAWSTWA

METALI

TEMAT: Układy równowagi z eutektyką z brakiem rozpuszczalności.

Wykonali:

Karolina Rocławska

Tomasz Podleszański

Daniel Rydzyński

II WT gr. f

BYDGOSZCZ 2003

Spis treści

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się metodą konstrukcji wykresu układu

fazowego dwuskładnikowego z eutektyką z brakiem rozpuszczalności w stanie stałym.

1. Wiadomości ogólne

Najprostszą metodą wyznaczania układu równowagi fazowej jest analiza cieplna stopów, oparta na pomiarze zmian temperatury podczas równomiernego nagrzewania lub studzenia stopu.

Rozpatrzymy układ, w którym metale A i B w stanie ciekłym rozpuszczają się w sobie całkowicie, a w stanie stałym nie rozpuszczają się wcale i tworzą tzw. mieszaninę dwu metali. Dla uproszczenia założymy, że poszczególne stopy A i B różnią się składem chemicznym, a więc np.:

stop 1 - 80% metalu A i 20% metalu B,

stop 2 - 60% metalu A i 40% metalu B,

stop 3 - 40% metalu A i 60% metalu B,

stop 4 - 20% metalu A i 80% metalu B,

poddajemy każdy z tych stopów ogrzaniu i chłodzeniu, zapisując jednocześnie w jednakowych odstępach czasu temperaturę. Po naniesieniu wyników pomiaru na układ współrzędnych otrzymujemy następujący wykres (rys. 1).

Zmiany fazowe łączą się ściśle ze zmianą energii wewnętrznej stopu

i towarzyszy im zawsze wydzielanie lub pochłanianie ciepła, a na krzywych temperatur następują przystanki, gdy zachodzi przemiana fazowa.

Z rysunku 1 widać, że stop 1 rozpoczyna krzepnięcie przy temperaturze t₁, w której wykrystalizowuje się czysty metal A, wobec czego ciecz ubożeje w metal A i skład jej zmienia się wraz obniżeniem temperatury. Wykrystalizowany z cieczy metal nazywamy metalem pierwotnym.

t A 1 2 3 4 B t A 1 2 3 4 B

t_A

t₁

t_B

t₂

t₄

_E t₃

Czas 0

Rys.1 Wykreślenie podwójnego układu równowagi metali A i B na podstawie krzywych ogrzewania i chłodzenia.

W temperaturze t₃ ciecz ma skład odpowiadający punktowi E, w tym momencie zaczyna krystalizować mieszanina obu metali. Punkt E nazywamy punktem eutektycznym, a tworzącą się mieszaninę eutektyczną lub eutektyką.

Przebieg krzepnięcia stopu 4 jest podobny, jak stopu 1, przy czym w temperaturze t₄ wykrystalizowuje czysty metal B. Stopy leżące na lewo od punktu E nazywamy podeutektycznymi. Stopy leżące na prawo od punktu E nazywamy nadeutektycznymi.

Każdy podwójny układ równowagi fazowej składa się z oddzielnych pól ograniczonych liniami, z których każde przedstawia zakres istnienia w stanie równowagi określonych faz.

Dla każdego stopu można w każdej temperaturze wyznaczyć wagową zawartość poszczególnych faz za pomocą reguły dźwigni. W tym celu zakładamy, 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.

1.1 Reguła dźwigni.

L

a b c d

0 20 40 60 80 100%

A B

Reguła dźwigni nie może by użyta do wyznaczania ilości składników strukturalnych stopu, jeżeli składają się one z więcej niż jednej fazy, gdyż w wielu przypadkach daje ona wówczas fałszywe wyniki. Przykładowo stosunek wagowy zawartości w stopie L pierwotnych kryształów A_I do eutektyki może być określony przy pomocy reguły dźwigni tylko w temperaturze gdy stop eutektyczny jest jedną fazą, tzn. na poziomej linii eutektyki. Podana zasada ma zastosowanie do wykresów równowagi faz również w przypadku ograniczonej rozpuszczalności składników w stanie stałym.

2. Wykres układu fazowego dwuskładnikowego z eutektyką z brakiem rozpuszczalności w stanie stałym.

2.1 Omówienie stopu I

Dla stopu nr I zawartość wagowa składników wynosi:

Zawartość składnika B / zawartość składnika A =

Ochładzając ciecz do temp. 1050⁰C w punkcie pierwszym zawartość cieczy wynosi 100% natomiast kryształów A 0%. Poniżej linii likwidus zaczynają pojawiać się pierwsze kryształy A. Wraz z obniżającą się temperaturą liczba kryształów wzrasta, zawartość cieczy maleje. Po przekroczeniu linii eutektycznej tworzy się ciało stałe w którego skład wchodzi stop eutektyczny i kryształy A.

2.2 Omówienie stopu II

Dla stopu nr II zawartość wagowa składników wynosi:

Zawartość składnika B / zawartość składnika A =

Powyżej temperatury 700⁰C stop jest cieczą. Eutektyka jest to drobnoziarnista mieszanina kryształów różnych metali, wydzielające się z ciekłego roztworu o określonym składzie chemicznym w stałej temperaturze. W przypadku tym temp. Ta wynosi 700⁰C. W punkcie drugim: eutektyka (50%A + 50%B). Poniżej punktu drugiego występuje ciało stałe składające się z eutektyki w skład której wchodzą kryształy A i B.

2.3 Omówienie stopu III

Dla stopu nr III zawartość wagowa składników wynosi:

Zawartość składnika B / zawartość składnika A =

Ochładzając ciecz do temp. 1150⁰C w punkcie trzecim zawartość cieczy wynosi 0% natomiast kryształów B 100%. Poniżej linii likwidus zaczynają pojawiać się pierwsze kryształy B. Wraz z obniżającą się temperaturą liczba kryształów wzrasta, zawartość cieczy maleje. Po przekroczeniu linii eutektycznej tworzy się ciało stałe w którego skład wchodzi stop eutektyczny i kryształy B.

W każdym stopie tego układu równowagi podczas krystalizacji występują dwie fazy, z których żadna nie ma składu stopu wyjściowego. Po skończonym krzepnięciu w stopie istnieją tylko kryształy czystego pierwiastka A lub B, występujące jako gruboziarniste kryształy pierwotne lub jako drobne kryształy w eutektyce. Wykres równowagi fazowej ma zatem pola, w których występuje jedna faza - są to pola jednorodne, istnieją też pola w których występuje mieszanina dwóch faz - są to tzw. pola niejednorodne.

3) Literatura:

• Ciszewski A, Radomski T, „Ćwiczenia laboratoryjne z materiałoznawstwa” Oficyna Wyd Polit. Warszawskiej W-wa 1995.

• Dobrzański L.A, Nowosielski R „Metody badań metali i stopów” T1 i T2 Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 1986.

• Dobrzański L.A „materiałoznawstwo z podstawami nauki o materiałach” WTN W-wa 1998.

• Janas R, „Materiałoznawstwo z ćwiczeniami laboratoryjnymi” PWN W-wa 1987.

4

Temperatura

---