Мета роботи: вивчити методику побудови діаграм стану двохкомпонентних систем; отримати навички у вивченні сплавів методом термічного аналізу, навчитися аналізувати діаграми стану з застосуванням правила фаз і правила відрізків.

Забезпечення роботи: набір сплавів різного хімічного складу, тигельна піч, термопара (або термометр).

Теоретичні відомості

У техніці широко застосовуються сплави, які мають більший комплекс механічних, фізико-хімічних, експлуатаційних і технологічних властивостей ніж чисті метали. Сплави – це з’єднання двох, трьох і більше металів або металів і неметалів. Речовини, які входять до складу сплаву, називаються компонентами. В процесі кристалізації компоненти, взаємодіючи між собою, утворюють фази - однорідні за хімічним складом частини сплаву, які мають поверхні поділу, при переході через які властивості фаз змінюються стрибкоподібно. Сплави можуть бути одно- і багатофазними.

Основними фазами в сплавах можуть бути чисті компоненти, тверді розчини і хімічні сполуки. Чисті компоненти в сплавах виділяються тоді, коли атоми компонентів не взаємодіють і взаємно відштовхуються. У процесі кристалізації утворюється механічна суміш вихідних компонентів. Тверді розчини утворюються на основі чистих компонентів або хімічних сполук. Атоми другого компонента (розчинного) розташовуються в кристалічній гратці розчинника. За характером розташування атомів розчинного компонента розрізняють тверді розчини заміщення (атоми розчинного компонента розташовуються у вузлах кристалічної гратки розчинника) і тверді розчини проникнення (атоми розчинного компонента розташовуються у міжвузлових проміжках кристалічної гратки). Хімічні сполуки утворюються при взаємодії атомів компонентів. Основними видами хімічних сполук у металевих сплавах є фази впровадження і електронні з'єднання.

Процеси, які відбуваються у металах і сплавах при фазових перетвореннях, підпорядковані загальному закону рівноваги - правилу фаз Гіббса, яке виражає залежність між числом ступенів свободи, числом компонентів і фаз в умовах рівноваги:

С= К - Ф + 1 (3.1)

де С - число ступенів свободи (кількість незалежних змінних, зміна яких не призводить до зміни стану рівноваги системи); К - число компонентів, які входять до складу сплаву; Ф - число фаз, що знаходяться в рівновазі; 1 - число зовнішніх чинників (температура).

Фазовий склад сплавів не постійний - він змінюється в залежності від температури і концентрації. Графічне зображення зміни фазового складу сплавів даної системи в залежності від температури і концентрації називається діаграмою стану.

Діаграма стану двохкомпонентного сплаву будується у координатах “температура – концентрація”: на осі ординат відкладається температура (в градусах Цельсія), на осі абсцис - концентрація компонентів (у відсотках). Таким чином, кожна точка діаграми характеризує фазовий склад даного сплаву при заданій температурі.

Вид діаграми стану визначається характером взаємодії компонентів системи у твердому стані (у рідкому стані компоненти утворюють необмежено рідкі розчини). На рис.3.1 зображені основні типи діаграм стану двохкомпонентних сплавів.

Діаграму стану першого типу (рис.3.1, а) утворюють компоненти, які не взаємодіють і кристалізуються у вигляді механічної суміші. Характерними лініями діаграми є: ліквідус (АСВ) - геометричне місце критичних точок початку кристалізації сплавів, вище якої усі сплави даної системи знаходяться в рідкому стані; солідус (ДСЕ) - геометричне місце критичних точок кінця кристалізації сплавів, нижче якої усі сплави знаходяться у твердому стані. У системі є сплав, який кристалізується при найменшій і постійній (як і у чистих компонентів) температурі – евтектичний (точка С). У процесі його кристалізації утворюється однорідна механічна суміш двох компонентів - евтектика. Сплави, розташовані зліва від точки С, називаються доевтектичними. У них структурно вільними (надлишковими) є кристали компонента А. Сплави, розташовані справа від точки С, називаються заевтектичними. У них структурно вільними є кристали компонента В.

Рис.3.1. Основні типи діаграм стану двохкомпонентних сплавів

Діаграми стану другого типу (рис.3.1, б) характерні для компонентів, які у твердому стані утворюють необмежено тверді розчини (Сu - Ni, Аu - Ni, Bi – Sb). Лінією ліквідус є лінія А_mВ; лінією солідус – А_nB.

Діаграми стану третього типу характерні для компонентів, які утворюють обмежені тверді розчини. Такі розчини прийнято позначати буквами грецької абетки: α - твердий розчин компонента В у кристалічній гратці компонента А; β - твердий розчин компонента А в кристалічній гратці компонента В. На рис.3.1, в наведено діаграму стану третього типу з евтектичною кристалізацією.

Діаграми стану четвертого типу (рис.3.1, д) характерні для компонентів, які при взаємодії утворюють хімічні сполуки. Такі діаграми є комбінованими, оскільки хімічна сполука поводиться в системі як самостійний компонент. Тоді можна розглядати системи A – A_mB_n і А_mB_n- B. Конкретний вид діаграми визначається характером взаємодії хімічної сполуки з основними компонентами системи.

Діаграми стану будують за критичними точками - температурами фазового перетворення. Оскільки фазові перетворення мають температурний гістерезис (критичні точки при нагріванні й охолодженні у багатьох сплавах не співпадають), то вони позначаються так: Ас - при нагріванні; Аr - при охолодженні. Сплави можуть мати декілька критичних точок.

Простим і доступним методом визначення критичних точок є термічний аналіз, який грунтується на побудові кривих нагрівання або охолодження. За рахунок аномалії теплових ефектів, пов'язаних із протіканням фазових перетворень, на кривих утворяться температурні зупинки чи перегини, за якими і визначають критичні точки (рис.2.2).

Криві охолодження чистих металів, хімічних сполук, евтектичних сплавів (рис.2.2.а) мають одну критичну точку Аr (ділянка 1-1). Доевтектичні, заевтектичні сплави і сплави, які утворюють тверді розчини, мають дві критичні точки: Аr₁ і Аr₂.

Рис.3.2. Криві охолодження: а - чисті метали, хімічні сполуки, евтектичні сплави; б - доевтектичні і заевтектичні сплави; г – тверді розчини

На рис.3.3 зображена схема установки для проведення термічного аналізу.

Рис.3.3. Схема установки для термічного аналізу: 1 - електрична піч, 2 – тигель з розплавом; 3 - кришка; 4 - термопара; 5 - мілівольтметр

Для вимірювання температури застосовують термометри або термоелектричні пірометри, що складаються з термопари і мілівольтметра. Термопара – це спай двох різнорідних провідників, при нагріванні якого в електричному колі виникає струм, сила якого залежить від опору ланцюга і значення термоелектрорушійної сили термопари. Застосовують різні типи термопар, наприклад, ПП (платина-платинородій) - максимальна температура 1300 °С; ХА (хромель-алюмель), максимальна температура до 1000 °С; НК (ніхром-константан), максимальна температура 900 °С; МК (мідь-константан), температура 200…400 °С.

Порядок виконання роботи

Робота виконується п’ятьма бригадами, кожна з яких досліджує один сплав. Для побудови кривої охолодження температуру вимірюють безперервно через кожні 15 с. Дані вимірів заносяться в таблицю результатів. По перегинах і температурних зупинках на кривій визначаються критичні точки. Перенісши їх на площину діаграми стану і з'єднавши однойменні точки плавними лініями, отримаємо лінії ліквідус і солідус.

Контрольні запитання

1. Що таке сплави? 2. Що називають компонентами сплаву? 3. Що таке фази сплаву? 4. Які є види твердих розчинів? 5. В чому полягає суть правила фаз Гіббса? 6. Що таке діаграма стану сплаву? 7. Які є основні типи діаграм стану двохкомпонентних сплавів? 8. Що таке лінія ліквідус? 9. Що таке лінія солідус? 10. Що таке евтетика? 11. Які сплави називають доевтектичними? 12. Які сплави називають заевтектичними?

Лабораторна робота № 4

1 234 5