AKADEMIA BYDGOSKA

im. Kazimierza Wielkiego

w Bydgoszczy

Wydział Matematyki Techniki i Nauk Przyrodniczych

INSTYTUT TECHNIKI

PRACOWNIA MATERIAŁOZNAWSTWA METALI

SPRAWOZDANIE

Temat: Układy fazowe dwuskładnikowe z eutektyką o ograniczonej rozpuszczalności.

Wykonali:

Robert Pęzioł

Rafał Zywert

Michał Nowak

Bydgoszcz 2002/2003

1. Spis treści:

1. Spis treści............................................................................................str. 2

2. Cel ćwiczenia.......................................................................................str. 3

3. Dwuskładnikowy układ równowagi fazowej o ograniczonej rozpuszczalności z eutektyką.............................................................str. 6

4. Ćwiczenie.............................................................................................str. 8

5. Wnioski...............................................................................................str.11

6. Literatura...........................................................................................str.12

2. Cel ćwiczenia.

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.

3. Dwuskładnikowy układ równowagi fazowej o ograniczonej rozpuszczalności z eutektyką.

rys. 1. Dwuskładnikowy układ równowagi fazowej o ograniczonej rozpuszczalności z eutektyką.

Dla tego typu wykresu rozróżniamy dwa rodzaje kryształów roztworu stałego. Jeden ze składników lub oba , są zdolne przyjąć do swojej sieci ograniczoną liczbę atomów drugiego składnika.

Przy powstawaniu kryształów roztworu można więc ograniczyć się w wyborze składu do dwóch małych obszarów. Leżący między nimi obszar braku rozpuszczalności stanowi tak zwany zakres mieszanin roztworów. Kształty roztworu oznaczone są małymi literami greckimi. Struktura roztworu jest taka sama jak czystego składnika. Tak powstają na przykład kryształy roztworu β , zbudowane z sieci składnika B z wbudowanymi w nią atomami składnika A. Z wykresu nie można odczytać , czy jest to roztwór międzywęzłowy czy węzłowy. Można z pewnością powiedzieć o układzie przedstawionym wyżej , że tylko jeden z dwóch rodzajów kryształów roztworu stałego może powstać jako międzywęzłowy , do czego niezbędna jest wyraźna różnica średnic atomowych.

Wykres tego układu ma tylko jeden zakres mieszanin , który w temperaturze eutektycznej odpowiada odcinkowi prostej eutektycznej. Ze spadkiem temperatury zakres ten poszerza się ponieważ przy obniżaniu temperatury rozpuszczalność atomów w sieci krystalicznej maleje.

Wykres równowagi faz daje informację o procesach zachodzących przy przekraczaniu linii rozpuszczalności granicznej w stanie stałym. Gdy chłodzi się

przykładowo stop L powoli z pola cieczy , po osiągnięciu punktu a powstaje struktura złożona z kryształów pierwotnych a o zawartości 22 % składnika B.

Po dalszym chłodzeniu osiągamy w punkcie b nowe pole , przez które przechodząc poziomo do następnej granicy faz otrzymamy punkt c. Punkt c podaje wtórnych kryształów roztworu stałego β, które obecnie zaczynają rosnąć z roztworu α.

Po przekroczeniu granicznej linii rozpuszczalności będące w nadmiarze atomy B , które już dłużej nie mogą być utrzymywane w sieci A , dyfundują do pewnych obszarów , wypierają tam atomy A z ich miejsc i tworzą jako atomy B w pewnym nadmiarze kryształy o sieci B , w których niewiele atomów A jest rozpuszczonych. Jest to roztwór stały wtórny β atomów A w sieci B.

Wyrugowane atomy A dyfundują równocześnie na opuszczone przez atomy B miejsca. Jako punkt docelowy , atomy wybierają podczas dyfuzji granice ziaren gdysz tam na skutek różnej orientacji sieci wielu ziaren atomy leżą w większych odstępach od siebie. W takich miejscach podwyższonej energii swobodnej udaje się atomom najprościej zbudować nową sieć.

Mówi się potocznie: „ wydzielił się kryształ roztworu stałego β", chociaż żaden z istniejących kryształów roztworu stałego nie został usunięty ze struktury. Zachodzi tu raczej zjawisko powstawania nowych kryształów na skutek wydzielania nowych atomów B w strukturze. Zjawisko to odbywa się w sposób ciągły ze spadkiem temperatury. Przy tym wydzielone kryształy roztworu stałego β oddają jeszcze atomy składnika A, ponieważ również rozpuszczalność atomów składnika A w sieci składnika B maleje z obniżaniem temperatury. W temperaturze otoczenia struktura składa się z kryształów roztworu stałego α o składzie punktu d i kryształków roztworu stałego β o składzie punktu e.

Ograniczona rozpuszczalność w stanie stałym występuje bardzo często , nie jest jednak możliwością jedyną. Niekiedy istnieje rozpuszczalność tylko jednego składnika. Ze spadkiem temperatury rozpuszczalność wzrasta lub jest stała. Zdarzają się niekiedy rzadkie przypadki , w których rozpuszczalność ze spadkiem temperatury najpierw maleje a potem wzrasta.

4. Ćwiczenie.

rys. 2. ZADANIE

Opis stopu L₁:

- stop ten zacznie krzepnąć w temperaturze 1150°C (pkt.l)

- wydzielają się pierwsze kryształy składnika A.

- podczas dalszego krzepnięcia w miarę ujednorodniania się później wydzielonych kryształów składnika A , osiąga linię eutektyki (pkt. 2) o temperaturze 700°C. Pozostająca z kryształami ciecz osiągnie wówczas skład eutektyczny określony punktem E.

- od tej chwili będą wydzielać się równocześnie drobne kryształy składnika A i kryształy , tworząc mieszaninę eutektyczną złożoną z kryształów nasyconego roztworu stałego metalu B w metalu A

- dalsze chłodzenie wprowadzi jeszcze pewne zmiany w budowie stopu , z kryształów A w miarę obniżania się temperatury wydzielać się będą kryształy β, a ponadto może się jeszcze zmniejszyć liczba kryształów A, ponieważ w miarę obniżania się temperatury można jeszcze w roztworze β pomieścić pewną liczbę atomów A . Dzięki tej możliwości część kryształów A ulegnie rozproszeniu w roztworze stałym β .

-dla stopu L₁ zawartość wagowa składników wynosi:

• 62% pierwiastka A , a 38% pierwiastka B.

-dla stopu l₁ zawartość wagowa faz wynosi:

• 72% zawartości fazy ciekłej o składzie punktu 8', a 28% zawartości fazy pierwotnych kryształów pierwiastka A.

-dla cieczy o składzie 8"" zawartość poszczególnych składników wynosi:

• 52% pierwiastka A, a 48% pierwiastka B.

-dla stopu l₁ ilość fazy w temperaturze otoczenia wynosi:

• 36% ilości fazy β w A i 64% fazy składnika A

Opis stopu l₂:

- stop ten zaczyna krzepnąć w temperaturze 850 °C (na rysunku pkt. 3).

- podczas dalszego krzepnięcia wydzielają się kryształy β

- po wydzieleniu w stałej temperaturze eutektyki (700°C) pkt.4 ,w stopie stygnącym w dalszym ciągu rozpuszczają się wolno kryształy p w kryształach A znajdujących się w eutektyce

- po skrzepnięciu w miarę chłodzenia mogą w stopie zachodzić jeszcze przemiany wynikające ze zmiany zakresu rozpuszczalności w stanie stałym

-dla stopu L2 zawartość wagowa składników wynosi:

• 25% pierwiastka A, a 75% pierwiastka B.

-dla stopu L₂ zawartość wagowa faz wynosi:

• 20% zawartości fazy ciekłej o składzie punktu 9', a 80% zawartości fazy pierwotnych kryształów pierwiastka B.

-dla cieczy o składzie 9"'zawartość poszczególnych składników wynosi:

• 30% pierwiastka A, a 70% pierwiastka B.

-dla stopu L₂fazy w temperaturze otoczenia wynosi:

• 74% ilości fazy ၢ w A i 26% fazy składnika A

Opis Stopu L₃:

- stop ten zaczyna krzepnąć w temperaturze 950° C (pkt.5).

- podczas dalszego krzepnięcia wydzielają się kryształy ၢ

- w odróżnieniu od dwóch pierwszych stopów stop ten nie osiąga stałej temperatury eutektyki, tylko w punkcie 6 (podczas dalszego chłodzenia) zaczną wydzielać się tylko kryształy ၢ.

- po osiągnięciu punktu 7 (skrzepnięciu) w miarę chłodzenia mogą w stopie zachodzić jeszcze przemiany z zakresu rozpuszczalności w stanie stałym . Z kryształów p w miarę obniżania się temperatury wydzielać się będą kryształy A, a ponadto może się jeszcze zmniejszyć liczba kryształów ၢ , ponieważ w miarę obniżania się temperatury można jeszcze w roztworze a umieścić pewną liczbę atomów B . Dzięki tej możliwości część kryształów ၢ ulegnie rozpuszczeniu w roztworze stałym A.

-dla stopu L₃ zawartość wagowa składników wynosi:

• 5% pierwiastka A , a 95% pierwiastka B.

-dla stopu l₃ zawartość wagowa faz wynosi:

• 72% zawartości fazy ciekłej o składzie punktu 0', a 28% zawartości fazy pierwotnych kryształów pierwiastka B.

-dla cieczy o składzie O"' zawartość poszczególnych składników wynosi:

• 18% pierwiastka A, a 82% pierwiastka B.

-dla stopu L₃ fazy w temperaturze otoczenia wynosi:

• 94% ilości fazy ၢ w A i 6% fazy składnika A

5. Wnioski.

W każdym stopie tego układu równowagi (rys. ZADANIA) podczas krystalizacji występują dwa rodzaje kryształów roztworu stałego, z których jeden ze składników jest zdolny przyjąć do swojej sieci ograniczoną liczbę atomów drugiego składnika w naszym ćwiczeniu jest to roztwór składnika B w A.

Po skończonym krzepnięciu w stopie istnieją tylko kryształy czystego pierwiastka A lub B, występujących jako gruboziarniste kryształy pierwotne lub jako drobne kryształy w eutektyce. Przy powstawaniu kryształów roztworu można więc ograniczyć się do jednego obszaru. Obszar obok o braku rozpuszczalności stanowi tak zwany zakres mieszanin roztworów. Kryształy roztworu oznaczane są małymi literami greckimi. Struktura roztworu jest taka sama jak czystego składnika. Tak powstają kryształy roztworu, zbudowane z sieci składnika B z wbudowanymi w nią atomami składnika A.

Układy równowagi metali o ograniczonej rozpuszczalności składników występują bardzo często, nie jest jednak możliwością jedyną. Ze spadkiem temperatury rozpuszczalność wzrasta lub jest stała. Zdarzają się niekiedy rzadkie przypadki, w których rozpuszczalność ze spadkiem najpierw maleje a potem wzrasta.

6. Literatura.

• Rudnik S. „Metaloznawstwo”, PWN, Warszawa 1998.

• Janas R. „Materiałoznawstwo z ćwiczeniami laboratoryjnymi” ,Warszawa 1987

• Domke Wilhelm „Vademecum materiałoznawstwa” Warszawa 1977

2

---