Akademia Bydgoska im. Kazimierza Wielkiego

Wydział Matematyki Techniki i Nauk Przyrodniczych

Sprawozdanie z laboratorium materiałoznawstwa metali

Temat ćwiczenia:

Wykres równowagi faz z eutektyką z brakiem rozpuszczalności w stanie stałym.

Wykonali:

Marek Mastalerski

Adam Mikołajczak

Sławomir Nowicki

II rok WT gr. E

BYDGOSZCZ 2001

Spis treści:

1. Wprowadzenie teoretyczne............................3

2. Układ równ. faz 4

3.Wykres .............................................................6

4. Stop I 7

5. Stop II 8

6. Stop III 9

1. Wprowadzenie teoretyczne

Przeprowadzając analizę cieplną czystego metalu i kilku stopów tych metali otrzymamy krzywe chłodzenia i wykres równowagi fazowej stopów. Połączone oddzielnie punkty początków krzepnięcia i oddzielnie punkty końca krzepnięcia, dają linie początków krzepnięcia, zwaną likwidus i linie końców krzepnięcia, zwana solidus. Otrzymujemy w ten sposób podwójny układ równowagi fazowej dwóch metali, które rozpuszczają się w sobie całkowicie w stanie stałym.

Ponad linią likwidusu istnieje jedna faza - roztwór ciekły dwóch metali, pomiędzy liniami likwidusu i solidusu - roztwór stały i roztwór ciekły, a poniżej linii solidus - roztwór stały.

2.Układ równowagi fazowej

Pod pojęciem fazy rozumie się jednorodna fizycznie część układu, oddzieloną od reszty układu powierzchnią rozdziału. Jednorodność fizyczna fazy wyraża się w tym, że jeśli jakąkolwiek najdrobniejszą część tej fazy oddzieli się mechanicznie od reszty, będzie ona taka sama jak reszta fazy pod względem własności, struktury i składu chemicznego ( z dopuszczalną w pewnych granicach niejednorodnością).

Reguła faz wprowadzona przez J.W. Gibbsa w r. 1876 dotyczy układów wieloskładnikowych i wielofazowych znajdujących się w stanie równowagi termodynamicznej ( np. stopów metalu) i wyraża matematyczną zależność pomiędzy liczbą stopni swobody S układu a liczba występujących składników n, liczbą reakcji chemicznych c oraz liczbą parametrów p ( czynników wpływających na równowagę):

S = n - c -f + p.

W ogólnym pojęciu czynnikami wpływającymi na równowagę, czyli parametrami układu, jest temperatura i ciśnienie.

W układach, w których nie występuje stan gazowy, a tylko ciekły i stały, w tzw. stanach skondensowanych, niewielkie zmiany ciśnienia nie wpływają w sposób istotny na ich stan równowagi. Dopiero zastosowanie bardzo wysokich ciśnień wpływa na zmianę stanu takiego układu. Metale maja na ogół temperatury wrzenia wysokie, toteż ich stopy można uważać za układy skondensowane, ( co pozwala na pominięcie czynnika ciśnienia ( p = 1)). Dalszego uproszczenia reguły faz dla stopów można dokonać, dlatego, że w stopach w stanie stałym na ogół nie zachodzą reakcje chemiczne, ( czyli można przyjąć c = 0). Reguła faz Gibbsa ma, więc w zastosowaniu do stopów metali uproszczoną formę:

S = n - f +1

Pod pojęciem liczby stopni swobody S rozumie się liczbę czynników, które można zmieniać niezależnie od siebie bez zmiany stanu równowagi układu; czynnikami takimi dla stopów są temperatura i stężenie poszczególnych faz. Z równowagi reguły faz wynika, że z chwilą pojawienia się w układzie nowej fazy, liczba stopni swobody zmniejsza się o 1.

Nie można zmienić temperatury układy, w którym podczas krzepnięcia współistnieją fazy ciekłego i stałego metalu.

Wnioski wypływające z reguły faz doskonale potwierdzają występowanie przystanków temperaturowych w krzywych stygnięcia układów metalicznych w czasie topnienia, czyli krzepnięcia w wyniku wydzielania się, względnie pobierania utajonego ciepła krzepnięcia.

Fazy znajdujące się ze sobą w stanie równowagi tworzą tzw. układ równowagi. Składniki stanowiące substancje proste lub złożone w określonych warunkach mogą tworzyć wszystkie fazy danego układu.

Składniki nie mogą przemieniać się jedna w drugą, ale mają możliwość przechodzenia z jednej fazy w drugą.

Składniki dzielimy na:

• Niezależne; nie zachodzą między nimi reakcje chemiczne,

• Zależne; zachodzą między nimi odwracalne reakcje chemiczne.

Najbardziej rozpowszechnioną metodą otrzymywania stopów jest metoda stapiania składników, a następnie chłodzenie, podczas którego następuje krystalizacja wszystkich faz danego stopu.

Aby stop po wykrystalizowaniu i ochłodzeniu do temperatury otoczenia był w równowadze termodynamicznej, chłodzenie musi zachodzić bardzo wolno. Podczas krzepnięcia stopu głównie chodzi nam o to, by jego struktura była ujednorodniona.

Ujednorodnienie stopu podczas krzepnięcia można uzyskać podczas bardzo powolnego chłodzenia. W praktyce nie stosuje się bardzo powolnego chłodzenia.

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

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

Połączone oddzielnie punkty początków krzepnięcia i oddzielnie punkty końca krzepnięcia, dają linie początków krzepnięcia, zwaną likwidus i linie końców krzepnięcia, zwane solidus. Otrzymujemy w ten sposób podwójny układ równowagi fazowej dwóch metali, które rozpuszczają się w sobie całkowicie w stanie stałym.

Ponad linia likwidus istnieje jedna faza - roztwór ciekły dwóch metali L, pomiędzy liniami likwidus i solidus - roztwór stały i roztwór ciekły L, a poniżej linii solidus - roztwór stały.

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 i składników.

3.Wykres

4. Stop nr I

Powyżej linii likwidus AEB istnieje ciecz. Ochładzając stop I dochodzimy do punktu 1 odpowiadającemu temperaturze t₁, w którym następuje wydzielenie się pierwszego kryształu A.

Od punktu 1 do punktu 3 następuje zwiększone wydzielanie się kryształków A. W zakresie temperatur od t₁ do t₃ skład cieczy zmienia się wzdłuż likwidus od punktu 1 do punktu E, a skład ciała stałego zmienia się wzdłuż solidus od punktu 1' do punktu 3'.

W temperaturze 650^oC wydziela się eutektyka składająca się z drobnoziarnistych kryształów A i B. Poniżej temperatury 650^oC żadne przemiany nie zachodzą. Skład chemiczny w punkcie 2 wynosi 12% metalu A i 88% metalu B.

W miarę chłodzenia w temperaturze t₂ = 700^oC chłodzą się dwie fazy: ciecz o składzie punktu 2'' oraz kryształy o składzie punktu 2'. Wzajemny stosunek ilościowy tych faz w punkcie 2 określić możemy zależnością:

Jest to ilościowy stosunek fazy ciekłej do fazy stałej.

5. Stop nr II

Powyżej linii likwidus AEB istnieje ciecz. Ochładzając stop II dochodzimy do punktu 1 odpowiadającemu temperaturze t₁, w którym następuje wydzielenie się pierwszego kryształu B.

Od punktu 1 do punktu 3 następuje zwiększone wydzielanie się kryształków B. W zakresie temperatur od t₁ do t₃ skład cieczy zmienia się wzdłuż likwidus od punktu 1 do punktu E, a skład ciała stałego zmienia się wzdłuż solidus od punktu 1' do punktu 3'.

W temperaturze 650^oC wydziela się eutektyka składająca się z drobnoziarnistych kryształów A i B. Poniżej temperatury 650^oC żadne przemiany nie zachodzą. Skład chemiczny w punkcie 2 wynosi 69% metalu A i 31% metalu B.

W miarę chłodzenia w temperaturze t₂ = 800^oC chłodzą się dwie fazy: ciecz o składzie punktu 2'' oraz kryształy o składzie punktu 2'. Wzajemny stosunek ilościowy tych faz w punkcie 2 określić możemy zależnością:

Jest to ilościowy stosunek fazy ciekłej do fazy stałej.

6. Stop nr III

Powyżej linii likwidus AEB istnieje ciecz. Ochładzając stop III dochodzimy do punktu 1 odpowiadającemu temperaturze t₁, w którym następuje wydzielenie się pierwszego kryształu B.

Od punktu 1 do punktu 3 następuje zwiększone wydzielanie się kryształków B. W zakresie temperatur od t₁ do t₃ skład cieczy zmienia się wzdłuż likwidus od punktu 1 do punktu E, a skład ciała stałego zmienia się wzdłuż solidus od punktu 1' do punktu 3'.

W temperaturze 650^oC wydziela się eutektyka składająca się z drobnoziarnistych kryształów A i B. Poniżej temperatury 650^oC żadne przemiany nie zachodzą. Skład chemiczny w punkcie 2 wynosi 91% metalu A i 9% metalu B.

W miarę chłodzenia w temperaturze t₂ = 1000^oC chłodzą się dwie fazy: ciecz o składzie punktu 2'' oraz kryształy o składzie punktu 2'. Wzajemny stosunek ilościowy tych faz w punkcie 2 określić możemy zależnością:

Jest to ilościowy stosunek fazy ciekłej do fazy stałej.

9

---