materiały sprawozdanie nr 4

Mechanika i budowa maszyn

grupa: L1

Jan Wyduba

Sprawozdanie nr 4

Dwuskładnikowe układy równowagi fazowej.

Wykresy równowagi fazowej wyznacza się doświadczalnie. Do tego służy analiza cieplna. Polega ona na pomiarze temperatur nagrzewania lub chłodzenia w funkcji czasu. Materiałem badanym jest stop danego układu. Pomiary temperatur zapisujemy w formie krzywej chłodzenia na której możemy zaznaczyć punkty krytyczne, które mogą obrazować temperaturę: krzepnięcia, przemian alotropowych itp. Istnieją także inne metody wyznaczania tych punktów, takie jak: metoda różnicowa Robertsa-Austena, analiza dylatometryczna oraz automatycznego zapisu przy pomocy komputera.

Metoda różnicowa Robertsa-Austena polega na porównaniu temperatur próbek umieszczonych w jednym piecu: próbka stopu badanego i próbka odniesienia która nie ulega przemianom podczas nagrzewania. Pomiar przeprowadza się za pomocą zwykłej termopary oraz różnicowego obwodu z dwoma termoparami, który reaguje na różnicę temperatur obu próbek.

Metoda dylatometryczna polega na pomiarze zmiany długości próbek wraz ze zmianą temperatury. Wynika to z tego, że różne fazy mają swoje własne właściwości. Jedną z nich jest objętość zmieniająca się pod wpływem temperatury. Temperatura krzepnięcia zależy od rodzaju próbki, gdyż czyste metale, fazy międzymetaliczne, a także mieszaniny eutektyczne
i perytektyczne krzepną w stałej temperaturze, natomiast roztwory stałe krzepną w pewnym zakresie temperatury co nie pozwala na dokładne określenie temperatury krzepnięcia.

Fazą nazywamy jednorodną część układu równowagi rozdzieloną od innych granicą faz. Na tej granicy właściwości i skład zmieniają się skokowo. Rozróżnia się fazy ciekłe i stałe. Do faz stałych zalicza się: czyste pierwiastki, roztwory stałe i fazy międzymetaliczne.

Reguła faz Gibbsa jest stosowana w celu określenia liczby stopni swobody (czynników), takich jak temperatura, ciśnienie, które wywołają zmianę liczby faz w stopie. Jest ona opisana wzorem:

S = m – f + 1

S – liczba stopni swobody układu,

m – liczba składników niezależnych,

f – liczba faz.

Dla układów dwuskładnikowych „S” przyjmuje wartości 0, 1 i 2.

Reguła dźwigni – służy do obliczania na podstawie wykresu równowagi fazowej stosunku udziału danej fazy w całym stopie. W tym celu aby obliczyć udział np. fazy stałej
w stopie, bierzemy do obliczeń stosunek długości odcinka między pionową linią oznaczającą stężenie stopu a punktem leżącym po przeciwnej stronie na tym samym poziomie do długości odcinka poziomego między liniami likwidus i solidus.

Dwuskładnikowe układy równowagi fazowej można podzielić ze względu na ich wzajemną rozpuszczalność w sobie na układy:

Układ o nieograniczonej rozpuszczalności składników w stanie stałym.

Likwidus jest to linia, powyżej której stopy są w stanie ciekłym (tA-1-tB). W tej temperaturze podczas chłodzenia stopu zaczynają wydzielać się zarodki roztworu stałego. Linia solidus (tA-2-tB) symbolizuje temperaturę całkowitego krzepnięcia. Poniżej tej temperatury stop w całości jest ciałem stałym. Między liniami likwidus i solidus w zależności od stężenia stopu mamy mieszaninę stanu ciekłego i zarodków. W zależności od stężenia własności stopu zmieniają się, do których należy również temperatura topnienia.

%α=$\frac{\text{ab}}{\text{cb}}$*100% %L=$\frac{\text{ca}}{\text{cb}}$*100%

Układ równowagi bez rozpuszczalności składników w stanie stałym z eutektyką.

Dany przykładowy wykres przedstawia układ o braku rozpuszczalności w stanie stałym. Jedynie w punkcie E zwanym temperaturą eutektyczną przy ściśle określonych warunkach mamy mieszaninę składników A i B. Stop o zawartości, jak w przykładzie, od 0 < 40% masowego składnika B nazywany jest stopem podeutektycznym. Od linii (tA-1-E) do
tE następuje krystalizacja, gdzie wydzielają się z roztworu zarodniki pierwiastka A. Poniżej linii tE mieszanina w całości krystalizuje i powstaje stop składający się z kryształów metalu
A zatopionych w stałym roztworze o składzie punktu E. Stop o zawartości pierwiastka
B powyżej 40% nazywany jest stopem nadeutektycznym. Między liniami (E-2-tB) a tE znajduje się mieszanina fazy ciekłej i kryształów pierwiastka B i podobnie poniżej linii tE powstaje stop, który składa się z kryształów pierwiastka B zatopionymi w stałym roztworze o składzie punktu E.

Układ równowagi o ograniczonej rozpuszczalności składników w stanie stałym z eutektyką.

Termin ograniczona rozpuszczalność dotyczy granicy rozpuszczalności w stanie stałym metalu B w metalu A co wynika z nasycenia pierwiastkiem i przez to tylko część atomów może być rozmieszczona w sieci przestrzennej składnika bazowego. W tym układzie rozróżniamy kilka różnych faz. Z fazy ciekłej w procesie krzepnięcia może powstać wiele rozwiązań:

  1. dla 100% A z fazy ciekłej powstaje faza stała α i przy spadku temperatury w obrębie (tA-2-5-D-H-A-tA) zawartość pierwiastka B może się zmieniać od 0 do około 18% zależnie też od temperatury przy niezmiennym stanie fazowym

  2. w obszarze (tA-1-3-E-D-tA) z fazy ciekłej wytrącają się kryształy pierwiastka A

  3. w punkcie E powstaje mieszanina eutektyczna

  4. w obszarze (tB-C-E-tB) z fazy ciekłej wytrącają się kryształy składnika B

  5. dla 100% B z fazy ciekłej powstaje faza stała β i przy spadku temperatury w obrębie (tB-N-B-tB) zawartość pierwiastka A może się zmieniać od 0 do 26% zależnie też od temperatury przy niezmiennym stanie fazowym.

  6. poniżej temperatury eutektyki w zakresie od 5 do 18% zawartości masowej składnika B jako faza stała istnieje stop składający się z kryształów pierwiastka A i fazy wtórnej βII.

  7. między 18-40% zawartości składnika B znajduje się stop podeutektyczny składający się z kryształów metalu A zatopionych w stałym roztworze o składzie punktu E.

  8. między 40-74% zawartości składnika B znajduje się stop nadeutektyczny składający się z kryształów metalu B zatopionych w stałym roztworze o składzie punktu E.

  9. między 74-95% zawartości składnika B znajduje się stop składający się z kryształów pierwiastka B i fazy wtórnej αII.

Wnioski:

Poznanie struktury stopów dwuskładnikowych pozwoli nam na stwierdzenie właściwości materiału w zależności od stężeń pierwiastków i ich przydatność w procesach produkcyjnych. Każda różnica od danego stężenia pierwiastków może mieć negatywny wpływ na wykorzystanie w danej produkcji i nowy stop nie będzie posiadał tych możliwości na których nam zależało. Ta wiedza ma też wpływ w czasie podejmowania decyzji dotyczącej doboru procesów chemicznych dla detalu wykonanego z danego stopu. Tak więc wykresy równowagi faz są jednymi z podstawowych danych, jakie potrzebuje technolog przy projektowaniu nowego elementu wykonanego ze stopu.


Wyszukiwarka