Akademia Bydgoska

im. Kazimierza Wielkiego

w Bydgoszczy

Wydział Matematyki, Techniki i Nauk Przyrodniczych

Instytut Techniki

Pracownia nauki o materiałach

Temat sprawozdania:

„Układ z eutektyką z brakiem rozpuszczalności w stanie stałym”.

Wykonał:

Anna Świątek

Aleksandra Zdanowicz

Anna Harłozińska

Damian Brzozowiec

Spis treści:

Wiadomości ogólne 2

Podstawowe pojęcia z budowy stopów 4

Metody sporządzania wykresów 6

Wstęp (eutektyka) 8

Cel ćwiczenia 10

Opis wykresu równowagi 12

Opis poszczególnych stopów ( 1; 2; 3 ) 14

Literatura 19

Wiadomości ogólne.

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, zwanych krótko układami równowagi. Ilustrują one całokształt przemian zachodzących w stopach zarówno w stanie ciekłym, jak i w stanie stałym, w zależności od temperatury i składu chemicznego. Można za ich pomocą ustalić, jakie przemiany zachodzą w stopach o określonym składzie chemicznym podczas nagrzewania czy też chłodzenia i jaką strukturę otrzymuje się w wyniku tych przemian. Ponadto z wykresów układów równowagi fazowej można odczytać, z jakich faz składa się stop o określonym składzie w określonej temperaturze oraz ustalić ich liczbę. Układy te dlatego zwane są układami równowagi, ponieważ przedstawiają trwałe stany stopów, odpowiadające w danych warunkach najmniejszemu zapasowi energii swobodnej układu, a w praktyce otrzymywane przez bardzo wolne nagrzewanie czy też chłodzenie. Pomocą przy konstrukcji wykresów układów równowagi oraz sprawdzeniem prawidłowego ich wykonania jest reguła faz Gibbsa, dająca jakościową charakterystykę układów wielofazowych w stanie równowagi. Na podstawie reguły faz można przewidzieć, czy przemiany zachodzą w stałej temperaturze, czy też w zakresie temperatur, oraz ile faz może równocześnie występować w stanie równowagi.

Podstawowymi pojęciami, którymi operuje się przy omawianiu układów równowagi, a które już były używane bez podania ich właściwego znaczenia, są: układ, faza, składnik i stopnie swobody. Wyodrębnioną z otoczenia grupę ciał, będącą przedmiotem badań, nazywamy układem; będzie więc układem np. stop metaliczny, w którym badamy przemiany zachodzące przy nagrzewaniu czy też chłodzeniu. Faza jest jednorodną częścią układu o jednakowych właściwościach fizycznych i jednakowym składzie chemicznym, oddzielona powierzchnią rozdziału od pozostałych części układu. Stop dwu metali nie rozpuszczających się w sobie w stanie stałym, np.: żelaza i ołowiu, będzie się składał po zakrzepnięciu z dwu faz: kryształów ołowiu i żelaza. Natomiast stop dwu metali rozpuszczających się nieograniczenie w stanie ciekłym po stopieniu stanowi tylko jedną fazę, tj. ciekły roztwór tych metali. Wszystkie cząstki tej samej substancji tworzące zawiesinę, uważa się za jedną fazę, pomimo że są oddzielone od siebie powierzchniami rozdziału, gdyż nie różnią się między sobą właściwościami. Składnikami nazywamy substancje proste i złożone, z których w odpowiednich warunkach mogą powstać wszystkie fazy danego układu. Składnikami mogą być pierwiastki albo związki chemiczne. Niemożliwa jest przemiana jednego składnika w drugi, natomiast poszczególne składniki mogą przechodzić z jednej fazy do drugiej. Związki chemiczne można uważać za składniki jedynie wtedy, gdy nie rozpadają się w rozpatrywanym zakresie temperatur. Jest rzeczą istotną wyraźne wyróżnienie pojęcia składnika i fazy (np.: czysty metal w temperaturze topnienia jest układem jednoskładnikowym, lecz składa się z dwu faz, tj. kryształów i cieczy). Brąz jest stopem złożonym z dwu składników: z miedzi i cyny, a po stopieniu składa się z jednej fazy ciekłego roztworu obu tych składników.

Stan układu zależy od temperatury i ciśnienia oraz składu chemicznego poszczególnych faz, przy czym wielkości są zmienne. Liczby stopni swobody układu nazywamy tę liczbę zmiennych czynników niezależnych, które można zmieniać dowolnie, niezależnie od siebie, bez spowodowania zmiany liczby faz układu.

Chemicznie jednorodny gaz doskonały ma trzy zmienne: ciśnienie, temperaturę i objętość. Tylko dwie jednak z nich mogą zmieniać się niezależnie, ponieważ równanie stanu gazu doskonałego wiąże je z trzecią zmienną (np.: przy określonym ciśnieniu i w określonej temperaturze określona jest objętość gazu). Układ więc, jakim jest gaz doskonały, ma dwie zmienne niezależne, czyli dwa stopnie swobody. W przypadku układu zależy od dwu zmiennych, ciśnienia i temperatury.

Tylko jedna z tych zmiennych może się zmienić niezależnie, np.: woda może znajdować się w równowadze z parą wodną o określonym ciśnieniu tylko w określonej. Układ więc jedną zmienną niezależną, tj. jeden stopień swobody. Współistnienie trzech faz w układzie jednostkowym, np.: wody, lodu i pary, jest możliwie tylko przy określonym ciśnieniu i w określonej temperaturze. Układ jest więc niezmienny i nie ma żadnego stopnia swobody. W układach wieloskładnikowych przybywają nowe zmienne- stężenia składników w poszczególnych fazach.

Podstawowe pojęcia z budowy stopów:

Faza- fazą nazywamy część układu, jednorodną pod względem chemicznym i krystalograficznym, oddzieloną od reszty układu powierzchnią rozdziału, czyli granicą międzyfazową.

Układ- układem nazywamy zbiór faz. Jeśli fazy znajdują się w równowadze termodynamicznej mówimy o układzie równowagi. Istnieją układy jednoskładnikowe- pojedyncze, dwuskładnikowe- podwójne itp.

Składniki- składnikami układu nazywamy substancje proste (np. pierwiastki) lub złożone (związki) nie ulegające przemianom, z których składają się fazy układu.

Pojęcia te można wyjaśnić na przykładzie stopu żelaza z węglem, gdzie żelazo i węgiel są składnikami, natomiast roztwór ciekły węgla w żelazie, roztwory stałe węgla w Fe-α i Fe-γ (zwane ferrytem i austenitem) i cementyt (związek Fe3C) są fazami.

Równowaga fazowa- równowaga fazowa następuje wówczas, gdy w określonych warunkach termodynamicznych stosunki ilościowe między fazami układu pozostają stałe. W tym przypadku potencjały chemiczne składników we wszystkich fazach stopu są równe.

Równowaga termodynamiczna- jest pojęciem wykorzystywanym do określania stanu układu. Kryterium równowagi termodynamicznej jest

energia swobodna, która w warunkach równowagi osiąga wartość minimalną.

Energia swobodna- jest jednoznaczną funkcją stanu (tzn. jednoznacznie określa stan układu). Funkcję tę możemy rozpatrywać w różnych warunkach termodynamicznych (temperatury T, ciśnienia V). Jeżeli układ znajduje się w stałej temperaturze i objętości, równowaga jest opisywana za pomocą tak zwanej energii swobodnej Helmholtza.

Metody sporządzania wykresów.

Wykres równowagi przedstawia temperatury, przy których zachodzi zmiana liczby stopni swobody, w funkcji składu chemicznego stopu. Możemy więc z niego odczytać, przy jakich temperaturach zachodzą przemiany w układzie i jakie fazy istnieją w równowadze w określonych zakresach temperatur. Linie te określają również zmiany składu chemicznego faz pozostających w równowadze przy różnych temperaturach. Z tego też względu wykresy równowagi są bardzo przydatne, gdyż na ich podstawie można przedstawić strukturę stopu.

Równowagę w układzie 1- składnikowym można przedstawić za pomocą osi temperatur, na której zostaną naniesione punkty przemian. Na rysunku przedstawiono w ten sposób układ równowagi czystego żelaza, na którym oznaczono zakresy występowania poszczególnych faz.

Wykresy równowagi układu 2- składnikowego przedstawia się we współrzędnych prostokątnych, gdzie na osi rzędnych nanosi się temperaturę przemian, a na osi odciętych skład stopu w procentach

ciężarowych lub atomowych, rzadziej w ułamkach molowych. W ten sposób w jednym kierunku można odczytywać zawartość jednego składnika,

a w przeciwnym- drugiego. Do sporządzania równowagi musimy określić temperatury, przy których występuje zmiana liczby stopni swobody. Do tego celu możemy stosować różne metody: metalograficzne, dilatometryczne, rentgenograficzne, ale najczęściej stosowaną metodą jest analiza cieplna. Przedstawiamy najprostszą metodę analizy cieplnej polegającą na sporządzeniu wykresów nagrzewania lub chłodzenia stopu w układzie: temperatura- czas.

W piecu (1) znajduje się tygiel (2) zawierający badany stop (3). Do stopu wkłada się termometr (5)w ceramicznej rurce (4). Temperaturę odczytuje się na miliwoltomierzu (6). Analiza polega na odczytywaniu temperatury w stałych odstępach czasu przy chłodzeniu i nagrzewaniu, lub wykonaniu wykresu na przyrządzie samopiszącym. Jeżeli w badanym zakresie temperatur zachodzą jakieś zmiany (następuje zmiana S), zostaje to zarejestrowane w postaci załamania lub przystanku na krzywej: temperatura- czas (punkt przełomowy).

Wstęp:

Całkowity brak rozpuszczalności w stanie stałym (eutektyka).

Przykładem pary metali, które zupełnie nie rozpuszczają w sobie w stanie stałym ani też nie tworzą związków chemicznych, a w stanie ciekłym rozpuszczają się wzajemnie nieograniczenie, jest bizmut i kadm. Dla ustalenia układu równowagi należy przeprowadzić analizę termiczną zarówno obu czystych metali, jak też pewnej liczby stopów. Uzyskane krzywe chłodzenia przedstawia rys.

Dla bizmutu i kadmu występują na nich przystanki temperatur przy 271°C oraz przy 521°C, odpowiadające krzepnięciu tych metali. Również stop 3krzepnie przy stałej temperaturze 144°C (E). Wszystkie inne stopy krzepną w pewnym zakresie temperatur. Na krzywej ostygania obserwuje się punkty przegięcia. Występujące dla każdego stopu przy innej temperaturze (punkty 2,4,6,8) oraz przystanek, leżący dla wszystkich stopów przy stałej temperaturze.

Wydzielenie się pierwszych kryształów następuje w momencie pojawienia się punktu przegięcia; koniec krzepnięcia następuje przy stałej temperaturze.

Nanosząc uzyskane temperatury krytyczne na linie pionowe reprezentujące poszczególne stopy, otrzymuje się dwie linie 1-2-4-E oraz E-6-8-10, przecinające się w punkcie E linie te nazywamy linią likwidus. Linia 1-11-E-12-10 jest linią solidus. Powyżej linii likwidus występuje jednorodny ciekły roztwór, zaś poniżej linii solidus występuje mieszanina kryształów. Punkt E określa skład ciekłego roztworu, z którego powstała eutektyka , nosi nazwę punktu eutektycznego, zaś pozioma linia przechodząca przez punkt E, odpowiadająca temperaturze krzepnięcia eutektyki, czyli temperaturze eutektycznej, nosi nazwę linii eutektycznej (linia 11-E-12). Stopy o składach na lewo od punktu E, tj. pomiędzy punktami 11-E, noszą nazwę stopów podeutektycznych, zaś stopy o składach leżących pomiędzy punktami E-12 nazywamy nadeutektycznymi.

W poszczególnych polach układu występują następujące fazy lub składniki strukturalne:

A - jednorodny ciekły roztwór metali A-B,

B - kryształy metalu A oraz ciekły roztwór A-B,

C- kryształy B oraz ciekły roztwór A-B,

W polach poniżej linii eutektycznej występują:

D- kryształy A oraz eutektyka (A+B),

F- kryształy B oraz eutektyka (A+B),

Aby określić skład poszczególnych kryształów należy przeprowadzić prostą zwaną izotermą do przecięcia z linią likwidus i solidus. Przecięcie z linią likwidus będzie określać zawartość fazy ciekłej danego stopu zaś przecięcie z linią solidus określi nam zawartość kryształów w danym stopie. Rzutując poszczególne punkty przecięcie się izotermy na oś poziomą odczytamy przedziały zmiany cieczy oraz kryształów oraz zawartość poszczególnych składników w stopach.

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia było określenie składu kryształów, fazy ciekłej oraz zawartości składnika A i B w stopach przedstawionych na poniższych wykresach równowagi fazowej. Dla każdego stopu można w każdej temperaturze wyznaczyć zawartość poszczególnych faz za pomocą reguł dzwigni. 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 poszczególnych faz lub składników.

Dla stopu L zawartość wagowa składników wynosi:

odległość a-d=100%

Dla stopu L zawartość wagowa faz wynosi:

Odległość a-c=100%

Dla cieczy o składzie c zawartość poszczególnych składników wynosi:

Odległość a-d=100%

Opis wykresu równowagi:

Powyżej lin ni likwidus znajduje się ciecz powyżej linii eutektyki znajdują się czyste kryształy danego stopu (w naszym przypadku stopu 1,2,3) bądź ciekłe roztwory tych stopów. Natomiast poniżej linii eutektyki występują kryształy poszczególnych stopów bądź ich eutektyki. Na linii poziomej określa się skład procentowy danego stopu a lin nie pionowe określają temperatury krzepnięcia.

Opis poszczególnych stopów:

Dla 1:

Ochładzamy powoli stop aż do przecięcia się z linią wyznaczającą granicę cieczy. W temperaturze 600⁰C wytrąca się pierwszy kryształ czystego metalu A (chłodzimy w zakresie temperatur (600-500⁰C). Na osi rzędnych odczytujemy procentowy skład metalu A i metalu B. Między linią eutektyczną a likwidusa wydziela się nadal czysty metal A. W tym czasie gdy wytrąca się metal A to w cieczy będzie większe stężenie metalu B, czyli skład cieczy zmienia się według krzywej od punktu b do punktu c. Skład mieszaniny zmienia się poprzez dyfuzję. Kryształki metalu A pływają w cieczy metalu (A,B). Po osiągnięciu punktu eutektycznego przestają się wytrącać kryształki A i wytrąca się mieszanina drobnych kryształków (A,B) tak długo aż cała ciecz się w nie zamieni. Temperatura podczas tego procesu nie ulega zmianie. Przekroczenie linii eutektyki osiągamy po dalszym obniżaniu temperatury. Po przekroczeniu linii eutektycznej otrzymujemy w stanie stałym metal A i mieszaninę eutektyczną. Dla cieczy stopu 1 zawartość składnika B wynosi 16%, a zawartość składnika A 84%. Zawartość fazy ciekłej o składzie punktu c wynosi

20% a zawartość fazy pierwotnych kryształów a wynosi 80%.

ab/bd = 20% / 80%

Dla 2:

Ochładzamy powoli stop aż do przecięcia się z linią wyznaczającą granicę cieczy. W temperaturze 800⁰C wytrąca się pierwszy kryształ czystego metalu A (chłodzimy w zakresie temperatur (800-500⁰C). Na osi rzędnych odczytujemy procentowy skład metalu B i metalu A. Między linią eutektyczną a likwidusa wydziela się nadal czysty metal B. W tym czasie gdy wytrąca się metal B to w cieczy będzie większe stężenie metalu A, czyli skład cieczy zmienia się według krzywej od punktu c do punktu b. Skład mieszaniny zmienia się poprzez dyfuzję. Kryształki metalu A pływają w cieczy metalu (A,B). Po osiągnięciu punktu eutektycznego przestają się wytrącać kryształki B i wytrąca się mieszanina drobnych kryształków (A,B) tak długo aż cała ciecz się w nie zamieni. Temperatura podczas tego procesu nie ulega zmianie. Przekroczenie linii eutektyki osiągamy po dalszym obniżaniu temperatury. Po przekroczeniu linii eutektycznej otrzymujemy w stanie stałym metal B i mieszaninę eutektyczną. Dla cieczy stopu 2 zawartość składnika B wynosi 65%, a zawartość składnika A 35%. Zawartość fazy ciekłej o składzie punktu c wynosi

40% a zawartość fazy pierwotnych kryształów a wynosi 60%. L/α= 40% / 60%

Dla 3:

Ochładzamy powoli stop aż do przecięcia się z linią wyznaczającą granicę cieczy. W temperaturze 850⁰C wytrąca się pierwszy kryształ czystego metalu A (chłodzimy w zakresie temperatur (850-500⁰C). Na osi rzędnych odczytujemy procentowy skład metalu B i metalu A. Między linią eutektyczną a likwidusa wydziela się nadal czysty metal B. W tym czasie gdy wytrąca się metal B to w cieczy będzie większe stężenie metalu A, czyli skład cieczy zmienia się według krzywej od punktu c do punktu b. Skład mieszaniny zmienia się poprzez dyfuzję. Kryształki metalu A pływają w cieczy metalu (A,B). Po osiągnięciu punktu eutektycznego przestają się wytrącać kryształki B i wytrąca się mieszanina drobnych kryształków (A,B) tak długo aż cała ciecz się w nie zamieni. Temperatura podczas tego procesu nie ulega zmianie. Przekroczenie linii eutektyki osiągamy po dalszym obniżaniu temperatury. Po przekroczeniu linii eutektycznej otrzymujemy w stanie stałym metal B i mieszaninę eutektyczną. Dla cieczy stopu 3 zawartość składnika B wynosi 90%, a zawartość składnika A 10%. Zawartość fazy ciekłej o składzie punktu c wynosi

79% a zawartość fazy pierwotnych kryształów a wynosi 21%.

L/α= 79% / 21%

Literatura:

Stanisław Rudnik: „Metaloznastwo" , Warszawa 1986r.

Wilhelm Domke: „Vademecum” , Warszawa 1977r.

---