Материаловедение

Утверждаю

Ректор университета

________________А.В.Лагерев
«____»___________2008 г.

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ ИЗ СВИНЦА И СУРЬМЫ МЕТОДОМ ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА. ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУР СПЛАВОВ

Методические указания

к выполнению лабораторной работы № 3

для студентов всех специальностей и форм обучения

Издание 2-е, стеоретипное

Брянск 2008
УДК 669.01
Материаловедение. материаловедение и технология конструкционных материалов. Построение диаграммы состояния сплавов из свинца и сурьмы методом термического анализа. Изучение микроструктур сплавов. Методические указания к выполнению лабораторной работы № 3 для студентов всех специальностей и форм обучения. Изд. 2-е, стеоретипн. - Брянск: БГТУ, 2008- 13 с.

Разработал:

В.П. Мельников,

канд.техн.наук, доц.

Рекомендовано кафедрой "Технология металлов и металловедение" БГТУ (протокол № 3 от 04 апреля 2008)
Печатается по изданию: Материаловедение, материаловедение и технология конструкционных материалов и другие совмещенные дисциплины. Построение диаграммы состояния сплавов из свинца и сурьмы методом термического анализа. Изучение микроструктур сплавов. Методические указания к выполнению лабораторной работы № 3 для студентов всех специальностей и форм обучения. - Брянск: БГТУ, 1999. - 13 с.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧА РАБОТЫ

Цель работы - показать, что всевозможные агрегатные и фазовые состояния сплавов в зависимости от их температуры и химического состава можно графически изобразить в виде диаграммы равновесного состояния, с помощью которой для сплава любого состава можно проследить за фазовыми превращениями, происходящими в нем при охлаждении и нагревании, и получить качественную характеристику структурных составляющих в его микроструктуре для любой температуры.

Задача работы - на примере сплавов из свинца и сурьмы научиться самостоятельно экспериментально определять температуры (критические точки) фазовых превращений металлов и сплавов с помощью упрощенного метода термического анализа, строить кривые охлаждения и диаграмму состояния в координатах температура - химический состав; ознакомиться с особенностями окончательно сформировавшейся микроструктуры литого состояния сплавов различного химического состава; при выполнении индивидуальных заданий по виду диаграмм выработать навыки (логические приемы) анализа характера взаимодействия компонентов в твердом состоянии, выявления типа и общих закономерностей фазовых превращений, протекающих в сплавах, и их последовательности при изменении температуры и состава (с одновременным анализом фазового и структурного составов каждого данного сплава).

Продолжительность работы - 4 часа.

2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Диаграмма состояния сплавов представляет собой графическое отображение обобщенной информации о фазовом составе, агрегатном состоянии и фазовых превращениях, происходящих в сплавах при постоянном давлении и чрезвычайно медленном их охлаждении или нагревании, в зависимости от химического состава сплава и характера взаимодействия компонентов.

Диаграммы состояния сплавов из двух компонентов строятся в координатах: температура - концентрация (см.рис.1).

Тип (вид) диаграммы состояния (рис.1) определяется характером взаимодействия компонентов в сплавах. Умение анализировать диаграммы позволяет судить, какие фазы компоненты образуют, какие структурные составляющие (микроструктуру) будут иметь сплавы в состоянии равновесия, можно ли путем теплового воздействия (термической обработки) изменять строение сплавов. Более того, понимая диаграмму можно не только представить полную картину формирования микроструктур литых сплавов любого химического состава, но и теоретически (грубоприближенно прогнозировать физико-химические, механические и технологические свойства их, понимать чем они обусловлены; рационально подходить к выбору сплава для изготовления конкретного изделия, к выбору вида и режима упрочняющей (термической) его обработки. При производстве заготовок, например методом литья, диаграмма состояния позволяет качественно оценить жидкотекучесть выбранного сплава, решить вопрос об оптимальной температуре его заливки и пр.

Рис.1. Вид диаграмм состояния при различном характере

взаимодействия компонентов:

1 - температуры начала затвердевания (ликвидус);

2 - температуры конца затвердевания (солидус);

3 - линия показывает (кроме температур) изменение растворимости компонента "F" в α -растворе при изменении температуры

В отливках и сварных соединениях сплавов, не испытывающих в твердом состоянии вторичной перекристаллизации, крупнозернистая структура первичной кристаллизации сохраняется в сплавах из компонентов, претерпевающих полиморфные превращения, а следовательно, испытывающих вторичную перекристаллизацию, зерна измельчаются, и свойства улучшаются.

Для свариваемых изделий большое значение имеет характер взаимодействия компонентов. Лучше всего свариваются сплавы из компонентов, образующих непрерывный ряд твердых растворов, хуже - твердые растворы ограниченной концентрации, ещё хуже -химические соединения.

3. УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ И СОДЕРЖАНИЮ ОТЧЕТА
3.1. Необходимые материалы и оборудование
1. Электропечь, нагретая до температуры ~ 700 °С.

2. Тигли со сплавами из свинца и сурьмы, содержащими 7, 13, 56, 20 и 40 % сурьмы, а также с одним свинцом и одной сурьмой. Каждый тигель должен быть снабжен защитным колпачком для термопары.

3. Термопара и прибор для измерения температуры.

4. Фигурные клещи для загрузки и выгрузки тиглей из электропечи.

5. Секундомер.

6. Комплект микрошлифов сплавов этих же составов.

7. Металлографический микроскоп для изучения микроструктур.
3.2. Техника безопасности
1. Не разрешается касаться электропроводки руками, вскрывать защитный кожух терморегулятора на электропечах находящихся под напряжением.

2. Электропечи включать и выключать рубильниками.

3. Тигли со сплавами загружать и выгружать из отключенной электропечи только фигурными клещами.
3.3. Методика проведение работы с использованием

простейшего метода термического анализа
Термический анализ построен на фиксации тепловых эффектов превращений: переход из одного агрегатного состояния в другое, фазовое и полиморфное превращения происходят с выделением тепла при охлаждении и поглощением тепла при нагревании металлов и сплавов.

Для простейшего термического анализа используют несложную установку, схема которой приведена на рис.2.

Рис.2. Схема несложной установки для выполнения исследований методом термического анализа;

1 - тигель (ванна) для расплавления сплава; 2 - расплав заданного химического состава; 3 - горячий спай термопары; 4 - защитный чехол для термопары; 5 - термопара; 6 - холодный спай термопары;

7 - потенциометр (прибор) для замера температур

Вначале сплав заданного химического состава переводят в жидкое состояние (расплавляют в электропечи), а затем тигель с расплавом переносят на установку, вводят в защитный чехол горячий спай термопары и подвергают медленному охлаждению. Во время охлаждения расплава периодически через равные промежутки времени замерять температуру. На основании полученных результатов строят термические кривые (кривые охлаждения) в координатах температура (ось ординат) - время (ось абсцисс). Тепловые эффекты фазовых превращений с течением времени отражаются на монотонности хода кривой охлаждения: на кривой появляется либо перегиб (точка перегиба), либо температурная остановка в охлаждении (горизонтальная площадка).

Спроектировав точки перегибов и температурных остановок на ось ординат, определяют температуры начала и конца всех фазовых превращений, которые происходят в исследуемом сплаве.

3.4. Последовательность выполнения работы
Работа выполняется за два занятия.

Первое занятие (2 часа):

1. Получить тигли со сплавами заданных составов.

2. Каждый тигель поочередно помещать в предварительно нагретую электропечь примерно на 3...6 мин для расплавления и перегрева сплава.

3. После расплавления сплава извлечь тигель из печи, поставить на основание штатива и ввести горячий спай термопары в защитный колпачок. Проверить по прибору, показывающему температуру, нагрет ли исследуемый сплав (металл) до необходимой температуры:

свинец до 380...430 °С;

сурьма до 680.. .700 °С;

сплавы:

с 7 % Sb до 400...420 ^oС;

c 13 % Sb до 280...320 °С;

с 20 % Sb до 400...420 °С;

с 40 % Sb до 500...520 °С.

Если сплав (металл) недостаточно нагрет, поставить тигель повторно в электропечь и догреть расплав.

4. С момента начала охлаждения сплава через равные промежутки времени (в работе через 30 с) фиксировать температуру и записывать в табл.1.

Наблюдение прекращать через 1,5...2 мин после окончания затвердевания (примерно через 3...5 отсчетов).

Аналогичные действия проделать и с другими сплавами.

5. Для сплавов каждого химического состава построить в отчете кривые охлаждения в координатах: температура (ось ординат) - время (ось абсцисс).

6. С помощью кривых охлаждения определить температуры начала и конца затвердевания и занести их в табл.2.

Черновые записи при выполнении работы

Таблица 1

Состав сплава

№ записи

Время замера, с

Температура, ⁰С

Примечание

Таблица 2

№ тиглей

Химический состав сплава, %

Температура затвердевания, ^оС

Микроструктура

свинец

сурьма

начальная

конечная

100

60

-

100

7. По данным, представленным в табл.2, построить в отчете диаграмму сплавов из свинца и сурьмы в координатах: температура (ось ординат) - химический состав (ось абсцисс) и одной жирной линией соединить температуры начала, другой - температуры конца затвердевания).

Второе занятие (2 часа):

1. Получить комплект микрошлифов исследованных сплавов и металлов.

2. С помощью металлографического микроскопа рассмотреть, изучить и зарисовать микроструктуры в отчете.

3. Выполнить индивидуальное задание по указанию преподавателя. Задания приведены в методических указаниях [6].

3.5. Содержание отчета
При составлении отчета необходимо:

- сформулировать цель и задачи работы;

- изложить краткие сведения о диаграммах состояния из теории сплавов;

- привести сведения о материалах и оборудовании, использованных при выполнении работы;

- описать методику выполнения работы, зарисовать схему установки для проведения экспериментов методом термического

анализа;

- по результатам наблюдений построить кривые охлаждения (в масштабе);

- проанализировать кривые охлаждения и определить температуры начала и конца затвердевания, кратко описать особенности процессов затвердевания (первичной кристаллизации) металлов и сплавов исследованных составов;

- представить результаты экспериментов в табл.2 приведенной формы;

- построить в масштабе диаграмму состояния;

- провести фазовый и структурный анализ диаграммы;

- описать происходящие при охлаждении сплавов превращения;

- привести рисунки микроструктур (максимально близко воспроизводящие, реальные), проанализировать их и описать изменение микроструктур при изменении химического состава сплава;

- отчет закончить выводами.

Дать определения терминам: компонент, фаза, структурная составляющая, микроструктура сплава.
4. ВЫПОЛНЕНИЕ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ
Задания выдаются преподавателем (условия задания приведены в [4] .Условия и решения заданий привести в отчете по лабораторной работе.

Под рисунком указать наименование сплава (доэвтектический, эвтектический, заэвтектический), фазы и структурные составляющие.

5. ЗАЩИТА ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
Защита работы (в том числе и решений индивидуальных заданий) производится в форме собеседования с преподавателем.

Перед защитой работы студентам необходимо проработать теоретические положения по теме работы и быть готовыми к ответу на вопросы, приведенные ниже.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ К ВЫПОЛНЕНИЮ И ЗАЩИТЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
1. Что понимают под сплавом, компонентом, фазой, структурной составляющей, микро- и макроструктурой? Какими буквами обозначают чистые компоненты; компоненты, претерпевающие полиморфные превращения; твердые растворы?

2. Чем является диаграмма состояния? В каких координатах она строится? Что она показывает? Какие линии диаграмм называют ликвидусом, солидусом и что они показывают?

3. От чего зависит тип (вид) диаграммы состояния?

4. Почему с момента начала затвердевания (перегиб на кривой) скорость охлаждения сплава замедляется (ход кривой становится более пологим)?

5. Почему в сплавах некоторых систем на кривых охлаждения (нагревания) наблюдаются температурные остановки (горизонтальные площадки)? От чего зависит продолжительность температурной остановки?

6. Какой вид имеют кривые охлаждения (нагревания) при затвердевании чистых компонентов, компонентов с полиморфными превращениями; сплавов из компонентов, образующих и жидкий, и твердый растворы; сплавов с наличием эвтектических и эвтектоидных превращений?

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ЗАЩИТЕ РАБОТЫ
1. Научитесь строить схемы кривых охлаждения (нагревания) для сплавов разных составов (с обозначением структурных составляющих) по диаграммам состояния. В каких координатах кривые строятся?

2. Рассмотрите наиболее типичные диаграммы состояния. Проведите анализ и объясните (исходя из вида диаграммы) характер взаимодействия в твердом состоянии. Напишите превращения, протекающие в них при непрерывном охлаждении и постоянных температурах.

3. Укажите на соответствующих диаграммах линии, показывающие (кроме температуры) растворимость компонентов в твердых растворах с изменением температуры.

4. Что понимают под эвтектоидой и эвтектикой и в чем их различие?

5. Возьмите несколько любых произвольных точек на диаграмме и проведите их фазовый анализ, указав количество фаз и их наименование.

6. Разберитесь и попрактикуйтесь в определении концентраций компонентов (химического состава) в фазах и их относительных количеств (см. правило концентрации и правило "отрезков")?

7. Попрактикуйтесь в изображении схем структур твердого раствора, гетерогенных микроструктур любого химического состава.

8. Уясните, из каких фаз состоят микроструктуры сплавов разного химического состава типичных диаграмм состояния.

9. Обратите внимание, как меняется вид (тип) диаграмм, если компоненты образуют устойчивые химические соединения, если один или оба компонента претерпевают полиморфные превращения. Какие модификации называют низко- и высокотемпературными? Как различные модификации компонентов обозначают?

10. В чем сущность полиморфного превращения?

11. Какую кристаллизацию называют первичной, а какую - вторичной?

12. Рассмотрите взаимосвязь характера микроструктуры с типом (видом) диаграмм состояния.

13. Приведите примеры зависимости физико-механических свойств сплава от типа диаграммы состояния.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Основная

Солнцев, Ю.П. Материаловедение: учеб. для вузов/ Ю.П.Солнцев, Е.И.Пряхин: под ред Ю.П.Солнцева. – 4-е изд. перераб. и доп. – СП.б.: Химиздат, 2007. – 784 с.
Арзамасов, Б.М. Материаловедение: учеб. для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.Н. Макарова, Г.Г. Мухин [и др.]: под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. – 5-е изд., стер. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. – 648 с.
Давыдов, С.В. Диаграммы состояний двойных сплавов: Материаловедение:Методические указания для самостоятельной подготовки к лабораторным занятиям студентов всех специальностей и форм обучения / С.В.Давыдов, В.П.Мельников. ― Брянск: БГТУ, 2004. ― 30 с.
Мельников, В.П. Материаловедение. Теория сплавов: индивид. задания / В.П.Мельников –Брянск: БИТМ, 2000. – 12 с.

Дополнительная

Лахтин, Ю.М. Материаловедение / Ю.М.Лахтин. – М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.
Гуляев, А.П. Металловедение / А.П. Гуляев. – М.: Металлургия, 1986.- 544 с.
Лахтин, Ю.Н. Металловедение и термическая обработка металлов / Ю.Н. Лахтин. – М.: Металлургия, 1984.- 321с.

Материаловедение. материаловедение и технология конструкционных материалов. Построение диаграммы состояния сплавов из свинца и сурьмы методом термического анализа. Изучение микроструктур сплавов. Методические указания к выполнению лабораторной работы № 3 для студентов всех специальностей и форм обучения. Изд. 2-е, стеоретипн. - Брянск: БГТУ, 2008- 13 с.

Мельников Валентин Павлович
Научный редактор С.В. Давыдов,

Редактор издательства Л.И.Афонина

Корректор М.Е. Амвросимова.

Иллюстрации В.П.Мельников

Темплан 2008 г., п.178

Подписано в печать Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Офсетная печать. Усл. печ. л. 0,75. Уч.-изд.л. 0,75. Тираж 50 экз. Заказ Бесплатно.

Брянский государственный технический университет.

241035, Брянск, бульвар 50-летия Октября, 7, БГТУ. 58-82-49.

Лаборатория оперативной полиграфии БГТУ, ул. Харьковская, 9

Состав сплава
№ записи	Время замера, с	Температура, ⁰С	Примечание