Data wyk. ćwiczenia : 20.11.2001

AKADEMIA BYDGOSKA

MATERIAŁOZNAWSTWO METALI

Temat: Układy fazowe z eutektyką z brakiem rozpuszczalności w stanie stałym.

Grupa d

Marcin Łyszcz

Mariusz Lenc

Tomasz Jędrzyński

Spis treści:

1. Wstęp. str.3

2. Konstrukcja wykresu układu równowagi sto-

pów dwuskładnikowych. str.4,5

3. Dwuskładnikowy układ równowagi fazowej

o całkowitym braku rozpuszczalności w

stanie stałym składników z eutektyką. str.6,7

4. Ćwiczenie. str.8,9 5. Wnioski. str.10

1.WSTĘP

Na podstawie ustalonych wykresów (układów) równowagi faz można odczytać zakresy stabilności gaz ciekłych i stałych występujących w danym układzie w zależności od temperatury i składu chemicznego. Jeżeli w układzie występują dwa, trzy, cztery lub więcej składników, to odpowiednio mówimy o wykresach równowagi faz dla stopów podwójnych, potrójnych, poczwórnych itd. Stopniowe poznawanie prostych, podwójnych wykresów równowagi faz , następnie wykresów równowagi faz dla stopów potrójnych, poczwórnych itd.

Wykresy równowagi faz są słuszne tylko w przypadku bardzo powolnego ( nieskończenie wolnego ) chłodzenia stopów, kiedy przy każdej temperaturze ustalają się stany równowagi termostatycznej między fazami. Ze wzrostem prędkości chłodzenia niektóre krzywe na wykresie równowagi faz, jak również pola między krzywymi przesuwają się coraz bardziej ku niższym temperaturom i równowaga między fazami już nie zachodzi.

Złożone wykresy równowagi faz mają wiele pól między krzywymi równowagi (wykres Cu - Zn, zawierający m. in. stopy zwane mosiądzami, ma 22 takie pola ). Te wykresy złożone można przedstawiać za pomocą kilku typów wykresów podstawowych.

2.KONSTRUKCJA WYKRESU UKŁADU RÓWNOWAGI STOPÓW DWUSKŁADNIKOWYCH.

Stopy metali mogą być substancjami jedno- lub wielofazowymi, przy czym pod pojęciem fazy rozumie się jednorodny pod względem składu chemicznego i właściwości fizycznych obszar stopu oddzielony od jego reszty powierzchnią rozdziału, tzw. granicą międzyfazową. Podstawowymi rodzajami faz występującymi w stopach metali są:

-czyste metale,

-roztwory stałe metali,

-fazy międzymetaliczne,

-związki chemiczne.

W zależności od temperatury, ciśnienia oraz stężenia składników tworzących stop zmieniają się warunki równowagi termodynamicznej pomiędzy fazami, skutkiem czego skład stopu ulega zmianom zarówno pod względem liczby, jak i rodzaju faz. Przebieg tego zjawiska można opisać w postaci tzw. wykresów równowagi fazowej, które stanowią podstawę analizy przemian fazowych zachodzących w stopach metali.

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.

Na podstawie analizy teoretycznej, jak również doświadczeń przeprowadzonych na metalach oraz ich stopach stwierdzono, że w trakcie przemian fazowych odchylenia na krzywych ujawniają się w postaci przystanków temperatury, bądź też odcinków przegięcia krzywej. Schematycznie przykład takiej krzywej chłodzenia (w porównaniu z krzywą bez uwzględnienia przemian fazowych) pokazano na rys. Przystanek temperatury pojawia się na krzywych podczas topnienia, krystalizacji lub przemiany alotropowej czystego metalu, natomiast w stopach dwuskładnikowych wówczas, kiedy w przemianie biorą udział trzy fazy, jak np. podczas przemiany eutektycznej (eutektoidalnej) czy perytektycznej (perytektoidalnej). Przemiany fazowe w stopach mogą zachodzić również podczas spadku lub wzrostu temperatury, czego przykładem może być wydzielanie z ciekłego stopu kryształów roztworu stałego, czy rozpuszczanie wydzieleń fazy wtórnej w osnowie. Na krzywych pojawia się wówczas zakres o odmiennym przebiegu temperatury w stosunku do normalnej zmiany tej wielkości. Przyczyną tego zjawiska jest wymiana utajonej energii cieplnej przemiany z otoczeniem i w związku z tym zmienia się prędkość nagrzewania lub chłodzenia stopu. Bezpośrednie badanie przebiegu tego zjawiska jest możliwe po wyznaczeniu pierwszej oraz drugiej pochodnej z krzywych nagrzewania lub chłodzenia w określonych przedziałach temperatury.

Schemat krzywej chłodzenia bez przemian fazowych

Schemat krzywej chłodzenia z uwzg­lędnieniem przemian fazowych; 1-2 odcinek przegięcia krzywej chłodzenia, 2 -3 przystanek temperatur

3.DWUSKŁADNIKOWY UKŁAD RÓWNOWAGI FAZOWEJ O CAŁKOWITYM BRAKU ROZPUSZCZALNOŚCI SKŁADNIKÓW Z EUTEKTYKĄ.

Cechą charakterystyczną dwuskładnikowego układu równowagi o całkowitym braku rozpuszczalności składników z eutektyką jest występowanie mieszaniny czystych składników A+B o energii swobodnej, której obrazem jest prosta łącząca energie swobodne czystych składników.

Słowo eutektyka po grecku oznacza dobrze zbudowany - ze względu na drobną strukturę, oraz dobrze topiący się - ponieważ jest stopem o najniższej temperaturze topnienia ze wszystkich stopów pierwiastków A i B na wykresie. Podczas krystalizacji z cieczy eutektyki, będącej mieszaniną drobnych kryształów A i B, temperatura stopu jest stała. Gdy ciecz wyczerpie się, temperatura stopu znowu obniża się. W stopie L₁ przy przejściu do nowego pola, zaczynają rosnąć kryształy czystego składnika A, pływające w cieczy, która zaczyna procentowo bogacić się w składnik B i jej skład przesuwa się w prawo, zaś temperatura początku jej krystalizacji obniża się. Z cieczy znów wydziela się czysty składnik A, ciecz bogaci się procentowo w składnik B i przesuwając swój skład w prawo w niższej temperaturze zaczyna wydzielać składnik A. W rzeczywistości proces odbywa się w sposób ciągły, tzn. rosną kryształy czystego składnika A, ciecz bogaci się w składnik B i jej skład przesuwa się stopniowo w prawo, zgodnie z krzywą ciągłą, temperatura w sposób ciągły maleje, ilość cieczy zmniejsza się wagowo. Uwolniona energia krystalizacji powoduje, że krzywa chłodzenia opada nie tak stromo jak krzywa poprzednia. Jeżeli temperatura pozostałej cieczy osiągnie linię poziomą i będziemy w obszarze nowego pola, rozpocznie się krystalizacja eutektyki. Odtąd temperatura stopu będzie stała do chwili wykrystalizowania całej cieczy. Po wyczerpaniu się cieczy, temperatura ciała stałego będzie maleć przy dalszym chłodzeniu.

Stopy tego układu przy chłodzeniu, gdy temperatura ich obniży się do linii poziomej mają resztę cieczy o składzie eutektycznym, która krystalizuje pod postacią eutektyki. Dlatego linię poziomą nazywamy linią eutektyki. Ilość eutektyki w stopie jest tym większa, a przystanek eutektyczny jest tym dłuższy, im skład stopu jest bliższy składu eutektycznego. W zawartościach składów, będących czystymi składnikami A lub B, w ogóle nie ma eutektyki, lecz tylko kryształy A lub B. Składy te nie są stopami, tylko szczególnymi, granicznymi przypadkami układu A-B.

Linia eutektyki pokrywa się dla tego układu z linią solidusu, tzn. linią, poniżej której wszystkie stopy są wyłącznie w stanie stałym. Linia ograniczająca od dołu pole cieczy nosi nazwę likwidusu, tzn. linii, powyżej której wszystkie stopy układu są wyłącznie w stanie ciekłym.

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.

Reguła dźwigni nie może być 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, 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.

4.Ćwiczenie.

1. dane dotyczące stopu L₁:

- stop ten zaczyna krzepnąć w temperaturze 1250°C (na rysunku pkt.1)

- zaczynają się wydzielać i rosnąć kryształy składnika A

- podczas dalszego chłodzenia po osiągnięciu linii poziomej, tzw. Linii eutektycznej (pkt.2) , temperaturę eutektyczną (700°C),i przekroczeniu jej zaczynają się wydzielać i rosnąć kryształy czystych pierwiastków A i B. Rozpoczyna się krystalizacja eutektyki. Odtąd temperatura stopu będzie stała do chwili wykrystalizowania się całej cieczy. Po wyczerpaniu się cieczy, temperatura ciała stałego będzie maleć przy dalszym chłodzeniu.

Dla stopu L₁ zawartość wagowa składników wynosi :

82% pierwiastka A , a 18% pierwiastka B.

Dla stopu L₁ zawartość wagowa faz wynosi:

53% zawartości fazy ciekłej o składzie punktu 6', a 47% zawartości fazy pierwotnych kryształów pierwiastka A.

Dla cieczy o składzie 6”” zawartość poszczególnych składników wynosi:

63% pierwiastka A, a 37% pierwiastka B.

W stopie podeutektycznym znajduje się ok.80% pierwiastka A, a ok.20% Eutektyki.

2. dane dotyczące stopu L₂:

- stop ten zaczyna krzepnąć w temperaturze 1250°C (na rysunku pkt.1)

- zaczynają się wydzielać i rosnąć kryształy składnika A

- podczas dalszego chłodzenia po osiągnięciu linii poziomej, tzw. Linii eutektycznej (pkt.2) , temperaturę eutektyczną (700°C),i przekroczeniu jej zaczynają się wydzielać i rosnąć kryształy czystych pierwiastków A i B. Rozpoczyna się krystalizacja eutektyki. Odtąd temperatura stopu będzie stała do chwili wykrystalizowania się całej cieczy. Po wyczerpaniu się cieczy, temperatura ciała stałego będzie maleć przy dalszym chłodzeniu.

Dla stopu L₂ zawartość wagowa składników wynosi :

43% pierwiastka A , a 57% pierwiastka B.

Dla stopu L₂ zawartość wagowa faz wynosi:

69% zawartości fazy ciekłej o składzie punktu 7””, a 31% zawartości fazy pierwotnych kryształów pierwiastka A.

Dla cieczy o składzie 7' zawartość poszczególnych składników wynosi:

21% pierwiastka A, a 79% pierwiastka B.

W stopie podeutektycznym znajduje się ok. 4,5% pierwiastka A, a ok.95,5% eutektyki.

3. dane dotyczące stopu L₃:

- stop ten zaczyna krzepnąć w temperaturze 830°C (na rysunku pkt.3).

- zaczynają się wydzielać i rosnąć kryształy składnika B.

- podczas dalszego chłodzenia po osiągnięciu linii poziomej, tzw. Linii eutektycznej (pkt.8) , temperaturę eutektyczną (700°C),i przekroczeniu jej zaczynają się wydzielać i rosnąć kryształy czystych pierwiastków A i B. Rozpoczyna się krystalizacja eutektyki. Odtąd temperatura stopu będzie stała do chwili wykrystalizowania się całej cieczy. Po wyczerpaniu się cieczy, temperatura ciała stałego będzie maleć przy dalszym chłodzeniu.

Dla stopu L₃ zawartość wagowa składników wynosi :

5% pierwiastka A , a 95% pierwiastka B.

Dla stopu L₃ zawartość wagowa faz wynosi:

23% zawartości fazy ciekłej o składzie punktu 3, a 77% zawartości fazy pierwotnych kryształów pierwiastka B.

Dla cieczy o składzie 3 zawartość poszczególnych składników wynosi:

5% pierwiastka A, a 79% pierwiastka B.

W stopie nadeutktycznym znajduje się 23% eutektyki, a 77% pierwiastka B.

5.Wnioski.

W każdym stopie tego układu równowagi (rys. ćwiczenia) 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, występujących jako gruboziarniste kryształy pierwotne lub jako drobne kryształy w eutektyce. Wykres zatem ma pola, w których występuje jedna faza- są to pola jednorodne lub pola, w których występuje mieszanina dwóch faz- są to pola niejednorodne.

Układy równowagi metali o całkowitym braku rozpuszczalności składników praktycznie nie występują, jednak wykorzystuje się je do analizy stopów metali o bardzo małej wzajemnej rozpuszczalności składników w stanie stałym.

2

---