STRUKTURA STOPÓW UKŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Transkrypt

1 STRUKTURA STOPÓW UKŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

2 Wykresy układów równowagi faz stopowych Ilustrują skład fazowy stopów oraz przemiany fazowe jakie w nich zachodzą w funkcji składu chemicznego stopów i temperatury. Wykresy są graficznym odpowiednikiem rzeczywistych układów równowagi fazowej. Wyznacza się je doświadczalnie. Do tego celu służy analiza cieplna polegająca na pomiarze temperatur występujących w czasie nagrzewania lub chłodzenia poszczególnych stopów rozważanego układu równowagi. Mierząc temperaturę podczas chłodzenia wybranego stopu w określonych odcinkach czasu, można wyznaczyć dla niego krzywą chłodzenia i otrzymać charakterystyczne (krytyczne) punkty, które mogą odpowiadać temperaturom: krzepnięcia i przemian fazowych w stanie stałym. Najprostszym urządzeniem służącym do wyznaczania punktów krytycznych jest stanowisko z wykorzystaniem termopary. Układ zbiór faz w stanie równowagi termodynamicznej, należących do stopów zbudowanych z tych samych składników, od temperatury topnienia do temperatur najniższych o praktycznym znaczeniu. 2

3 Najprostszym urządzeniem służącym do wyznaczania charakterystycznych punktów jest stanowisko z wykorzystaniem termopary. Mierząc temperaturę stopu od stanu ciekłego do temperatury pokojowej co pewien czas (np. co 15 s), wyznacza się krzywe chłodzenia temperatura czas i punkty krytyczne. Powtarzając takie pomiary dla stopów o różnym stężeniu, utworzonych z tych samych składników, otrzymuje się odpowiednio wiele krzywych chłodzenia. Chłodzenie stopu (lub nagrzewanie) należy prowadzić wolno, w warunkach zbliżonych do stanu równowagi. Piec (1), termopara o zimnych końcach (3), zanurzonych w naczyniu z lodem, gorących końcach (2) w tyglu z badanym stopem (4), miliwoltomierz (5) 3

4 Faza jednorodna część stopu (układu równowagi fazowej), oddzielona od reszty stopu (układu) powierzchnią rozdziału, zwaną granicą faz. Na granicy faz skład i właściwości zmieniają się w sposób nieciągły (skokowy). Składniki układu pierwiastki i fazy międzymetaliczne, z których zbudowane są wszystkie stopy danego układu. Opis osi wykresu układu równowagi: % masy lub % atomowy (oś pozioma), temperatura C (oś pionowa) 4

5 Dwuskładnikowe układy równowagi fazowej Z nieograniczoną rozpuszczalnością składników stanie stałym O całkowitym braku rozpuszczalności składników w stanie stałym z eutektyką O ograniczonej rozpuszczalności składników w stanie stałym z eutektyką O ograniczonej rozpuszczalności składników w stanie stałym z perytektyką Z fazami międzymetalicznymi UWAGA: składniki tworzące wymienione układy, w stanie ciekłym rozpuszczają się w sobie w sposób nieograniczony. 5

6 z = s f + p z liczba stopni swobody układu jest to liczba czynników (temperatura, stężenie składników), które mogą zmieniać się niezależnie, nie wywołując zmian liczby faz f w układzie (równowagi układu) s liczba składników Reguła faz Gibbsa p liczba czynników fizycznych wpływających na stan układu W stopach metali p=1 (ciśnienie nie ma wpływu), czyli z=s-f+1, a w układach 2- składnikowych s=3-f Wnioski Równowaga 4 i więcej faz w układzie 2-składnikowym jest niemożliwa. Równowaga 3 faz w tym układzie jest możliwa w stałej temperaturze przy określonym stężeniu składników fazach, s=0. 2 fazy są w równowadze gdy s=1, czyli przy zmianie stężenia składników w fazach, bądź przy zmianie temperatury. Gdy istnieje 1 faza, s=2; bez naruszenia stanu równowagi zmianom mogą ulegać niezależnie stężenia i temperatura. 6

7 Budowa wykresu dwuskładnikowego układu równowagi fazowej o nieograniczonej rozpuszczalności składników w stanie stałym: a) krzywe chłodzenia b) wykres % masy B Reguła dźwigni określa udział faz w stopie w danej temperaturze. Np. w wypadku stopu I w temperaturze odpowiadającej poziomemu odcinkowi bc, udział fazy L określa długość odcinka ac, natomiast udział fazy długość odcinka ab. 7

8 Układy o nieograniczonej rozpuszczalności składników w stanie ciekłym i stałym: Ag Au, Au Bi, Bi Sb, Cu Ni, Fe Mn, Fe Ni. Wykres układu równowagi fazowej Ag-Au, wg. ASM Handbook, vol. 3 Alloy Phase Diagrams, ASM Int. Materials Park, Ohio

9 % masy B Reakcja eutektyczna: te LE A B E t Budowa wykresu dwuskładnikowego układu równowagi fazowej bez rozpuszczalności składników w stanie stałym z eutektyką: a) krzywe chłodzenia, b) wykres. Fazy w układzie opis w nawiasach, mikrostruktura stopów układu opis bez nawiasów 9

10 Układy o nieograniczonej rozpuszczalności składników w stanie ciekłym i bez rozpuszczalności składników w stanie stałym z eutektyką: Bi-Cd, As-Pb, Cr-Mo, Zn-Sn lub Pb-Sn. Wykres układu równowagi fazowej Bi-Cd, wg. ASM Handbook, vol. 3 Alloy Phase Diagrams, ASM Int. Materials Park, Ohio

11 L(c E) (c J ) + (c K ) = E t % masy B Budowa wykresu dwuskładnikowego układu równowagi fazowej z ograniczoną rozpuszczalnością składników w stanie stałym z eutektyką: a) krzywe chłodzenia, b) wykres. Fazy w układzie opis w nawiasach, mikrostruktura stopów układu opis bez nawiasów 11

12 Układy o nieograniczonej rozpuszczalności składników w stanie ciekłym i z ograniczoną rozpuszczalnością składników w stanie stałym z eutektyką: Al-Mg, Al-Ge, Zn-Mg, Ag-Cu, Cu- Sn Wykres układu równowagi fazowej Al-Mg, wg. ASM Handbook, vol. 3 Alloy Phase Diagrams, ASM Int. Materials Park, Ohio

13 Reakcja perytektyczna: L C + D P Fazy w układzie Opis mikrostruktury stopów układu Budowa wykresu dwuskładnikowego układu równowagi fazowej o ograniczonej rozpuszczalności składników w stanie stałym z perytektyką: a) krzywe chłodzenia, b) wykres 13

14 Schemat przemiany perytektycznej 14

15 Wykresy układów równowagi fazowej, w których składniki tworzą w stanie stałym: a) fazę między metaliczną A n B m b) roztwór wtórny (β) opartym na fazie międzymetalicznej AB 2 a) b) 15

16 ºC Fragment wykresu dwuskładnikowego układu równowagi fazowej, w którym składnik A ma 2 odmiany alotropowe, a drugim składnikiem jest faza międzymetaliczna A n B m. Przemiana eutektyczna: L = + A n B m, % masy B Przemiana eutektoidalna: = + A n B m 16

17 Przestrzenny wykres trójskładnikowego układu równowagi fazowej z eutektyką oraz ograniczoną rozpuszczalnością składników B i C w A i bez rozpuszczalności składnika A w B i C. 17

18 Wyznaczanie składu chemicznego stopu w układzie trójskładnikowym Wyznaczyć skład stopu K: przeprowadzić proste równoległe do boków trójkąta, równoległa do boku BC odcina na boku AC odcinek a, proporcjonalny do zawartości składnika A w stopie, równoległa do boku AC odcina na boku AB odcinek b, proporcjonalny do zawartości składnika B w stopie, równoległa do boku AB odcina na boku BC odcinek c, proporcjonalny do zawartości składnika C w stopie, stop K zawiera 20% A, 40% B i 40% C. 18

19 a) b) Przekrój izotermiczny wykresu układu równowagi fazowej w temperaturze między likwidusem i solidusem (a) Przekrój izotermiczny wykresu układu równowagi fazowej w temperaturze otoczenia z opisem struktury stopów układu (b) 19

20 Płaski wykres trójskładnikowego układu równowagi fazowej z kładami wykresów układów dwuskładnikowych 20