Фазовые превращения в многокомпонентных системах
Покупка
Тематика:
Металлургия. Литейное производство
Издательство:
Издательский Дом НИТУ «МИСиС»
Год издания: 2015
Кол-во страниц: 63
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-87623-842-9
Артикул: 753709.01.99
Доступ онлайн
В корзину
Практикум содержит описание четырех домашних заданий, выполнение которых позволяет освоить методику анализа фазовых равновесий и фазовых превращений в многокомпонентных сплавах реальных систем. Этот анализ включает идентификацию фазового состава при заданной температуре, определение реакций при кристаллизации и последующем охлаждении, построение изотермических и политермических разрезов, а также расчет по программе Thermo-Calc (включая расчет количества и химического состава фаз, а также критических температур). Адресовано студентам-магистрантам по направлению «Металлургия» при изучении курса «Фазовые превращения в многокомпонентных системах».
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» № 2341 Кафедра технологии литейных процессов Н.А. Белов М.Е. Самошина Фазовые превращения в многокомпонентных системах Практикум Допущено учебно-методическим объединением по образованию в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению Металлургия Москва 2015
УДК 669.017.3 Б43 Р е ц е н з е н т ы канд. техн. наук, доц. каф. «Материаловедение» МГТУ им. Н.Э. Баумана Е.А. Наумова; д-р техн. наук, проф. А.В. Павлов Белов Н.А. Б43 Фазовые превращения в многокомпонентных системах : практикум / Н.А. Белов, М.Е. Самошина. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2015. – 63 с. ISBN 978-5-87623-842-9 Практикум содержит описание четырех домашних заданий, выполнение которых позволяет освоить методику анализа фазовых равновесий и фазовых превращений в многокомпонентных сплавах реальных систем. Этот анализ включает идентификацию фазового состава при заданной температуре, определение реакций при кристаллизации и последующем охлаждении, построение изотермических и политермических разрезов, а также расчет по программе Thermo-Calc (включая расчет количества и химического состава фаз, а также критических температур). Адресовано студентам-магистрантам по направлению «Металлургия» при изучении курса «Фазовые превращения в многокомпонентных системах». УДК 669.017.3 ISBN 978-5-87623-842-9 © Н.А. Белов, М.Е. Самошина, 2015
СОДЕРЖАНИЕ Предисловие..............................................................................................4 Домашнее задание № 1. Анализ фазовых превращений в реальных сплавах тройных систем с областью неограниченной растворимости в твердом состоянии ......................................................5 Домашнее задание № 2. Анализ фазовых превращений в реальных сплавах тройных систем с нонвариантным эвтектическим превращением ...............................................................16 Домашнее задание № 3. Графический анализ реальных фазовых диаграмм тройных систем с нонвариантными эвтектическими и перитектическими превращениями ...................................................33 Домашнее задание № 4. Количественный анализ реальных фазовых диаграмм многокомпонентных систем с использованием программы Thermo-Calc .........................................43 Приложение А. Средний состав и плотности некоторых фаз, присутствующих в алюминиевых сплавах...........................................51 Приложение Б. Краткое руководство по использованию программы Thermo-Calc.........................................................................52
ПРЕДИСЛОВИЕ Фазовый состав, структурные составляющие и характер кристаллизации любого промышленного сплава являются важнейшими показателями, которые определяют его эксплуатационные и технологические свойства: прочность и пластичность, коррозионную стойкость, поведение при литье, обработке давлением, сварке и т.д. Научной основой анализа фазового состава (и частично микроструктуры) являются диаграммы состояния. Большинство промышленных сплавов содержит несколько легирующих элементов и примесей, что требует рассмотрения соответствующих многокомпонентных диаграмм состояния, как минимум трех- и четырехкомпонентных. Для практического использования многокомпонентных диаграмм состояния применительно к конкретному сплаву удобно иметь политермические и изотермические сечения, которые позволяют на основе обычных двумерных графических изображений определять на количественном уровне критические температуры, а для тройных систем и относительные весовые количества фаз. Для многих важнейших систем таких сечений в литературе приведено явно недостаточно, поэтому перед исследователем часто стоит задача их самостоятельного построения. Именно построению таких сечений (а также кривых охлаждения) в данном практикуме уделено основное внимание. Поскольку графические изображения диаграмм состояния часто не позволяют проанализировать фазовый состав сплавов с достаточной точностью, очень актуальным является использование расчетных методик. В связи с этим в данном пособие рассматриваются принцип и методика количественного анализа многокомпонентных диаграмм состояния на основе широко распространенной программы EXCEL. Особо следует отметить четверные диаграммы состояния, которые практически не рассматриваются в учебной литературе, хотя необходимы для корректного анализа многих промышленных сплавов, в частности алюминиевых. Графические методы, предложенные в свое время А.М. Захаровым (Диаграммы состояния четверных систем. – М.: Металлургия, 1964, 240 с) и Д.А. Петровым (Четверные системы: новый подход к построению и анализу. – М.: Металлургия, 1991, 284 с.), слишком сложны и поэтому не получили практического распространения. В данном практикуме рассматривается анализ некоторых типов четверных систем по новой методике: качественный анализ на концентрационном треугольнике и количественный расчет в программе EXCEL.
Домашнее задание № 1 АНАЛИЗ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В РЕАЛЬНЫХ СПЛАВАХ ТРОЙНЫХ СИСТЕМ С ОБЛАСТЬЮ НЕОГРАНИЧЕННОЙ РАСТВОРИМОСТИ В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ 1.1. Цель работы Получение навыков графического анализа фазовых превращений в реальных сплавах тройных систем с областью неограниченной растворимости в твердом состоянии. 1.2. Теоретическое введение Тройные диаграммы состояния с полной растворимостью компонентов в твердом состоянии достаточно часто встречаются между некоторыми металлами с ГЦК решеткой, имеющими близкие размеры атомов: Cu, Ni, Au, Ag, Pd, Pt. При этом все составляющие такую диаграмму двойные системы обязательно должны иметь непрерывный ряд твердых растворов (рис. 1.1–1.3). Диаграммы такого типа различаются видом линий ликвидуса и солидуса. В одних системах, например так называемого «сигарообразного» типа, имеется монотонное понижение этих линий от тугоплавкого компонента и легкоплавкому (рис. 1.1). При этом диаграмма может быть узкоинтервальной или, наоборот, широкоинтервальной. Например, в системе Au– Ag максимальный интервал составляет 2 °С (см. рис. 1.1, а), а в системе Au–Pt он достигает 300 °С (см. рис. 1.1, д). Во многих системах имеется точка минимума, в которой линий ликвидуса и солидуса сходятся (рис. 1.2, 1.3). Если элементы такой системы имеют только одну модификацию, то на таких диаграммах имеются (как и в предыдущем случае) только две линии: ликвидуса и солидуса (см. рис. 1.2). Все сплавы таких систем имеют два фазовых превращения в процессе кристаллизации: в начале и конце. Только сплав, отвечающий точке минимума, кристаллизуется при постоянной температуре подобно чистому компоненту. В системах, в которых по крайней мере один из компонентов обладает полиморфизмом, диаграмма имеет более сложный вид. Примером являются системы Cu–Mn (рис. 1.3, а) и Mn–Ni (рис. 1.3, б).
Рис. 1.1. Диаграммы двойных систем с непрерывным рядом твердых растворов без минимума на линиях ликвидуса и солидуса: а – Au–Ag; б – Au–Pd; в – Cu–Ni; г – Cu–Pd; д – Au–Pt Из-за полиморфизма марганца в первой системе имеется метатектическое превращение, а во второй – перитектическое. Для сплавов, составы которых лежат вне соответствующих горизонталей характер, кристаллизации такой же, как и в вышерассмотренных сплавах.
Рис. 1.2. Диаграммы двойных систем с непрерывным рядом твердых растворов c минимумом на линиях ликвидуса и солидуса: а – Cu–Au; б – Au–Ni; в – Ni–Pd Характер кристаллизации тройных сплавов систем с неограниченной растворимостью в твердом состоянии такой же, как и двойных: имеются только две критические точки (ликвидуса и солидуса). Отличие заключается в том, что составы твердой (α) и жидкой (L) фаз в процессе кристаллизации изменяются вдоль пространственных кривых, которые в общем случае не лежат в одной плоскости. а б в
Рис. 1.3. Диаграммы двойных систем с непрерывным рядом твердых растворов c минимумом на линиях ликвидуса и солидуса и нонвариантными превращениями: а – Cu–Mn; б – Mn–Ni Имеется также много тройных систем, в которых однофазная область занимает значительную часть всей системы. Примером может быть система Cu–Ni–Mn, в которой из-за полиморфизма марганца в твердом состоянии имеется несколько фазовых областей. Однако сплавы, составы которых находятся вне марганцевого угла, кристаллизуются так же, как и в системах с непрерывным рядом твердых растворов, т.к. диаграмма состояния в этой части концентрационного диапазона содержит только две поверхности: ликвидуса и солидуса. Анализ кристаллизации таких сплавов требует наличия изотерм данных поверхностей (для системы Cu–Ni–Mn они приведены на рис. 1.4).
Рис. 1.4. Диаграмма системы Cu–Mn–Ni: сплошные линии – изотермы ликвидуса, пунктирные линии – изотермы солидуса При наличии точек минимума в двойных системах (это относится к системам Cu–Mn и Ni–Mn, см. рис. 1.3) поверхности ликвидуса и солидуса тройной системы имеют более сложное строение по сравнению с диаграммой, все двойные составляющие которой относятся к простому «сигарообразному» типу (в частности, система Cu–Ni, см. рис. 1.1, в). Далее на примере диаграммы состояния Cu–Ni–Mn рассматриваются типичные задачи анализа тройных систем: построение кривых охлаждения, изотермических и политермических разрезов, определение относительных весовых количеств фаз (в данном случае твердой – α и жидкой – L). Рассмотрим построение кривой охлаждения сплава Cu – 40 % Ni – 20 % Mn, показанной на рис. 1.5. Как следует из изотерм ликвидуса (см. рис. 1.4), первые кристаллы твердой фазы образуются при 1130 °С. Заканчивается кристаллизация согласно изотермам солидуса при ∼ 1100 °С. Изменение состава и L требует знания положения конод при каждой температуре, сами же по себе изотермы, показанные на рис. 1.4, такой информации не дают. Однако следует принять во внимание,
что твердая фаза в начальный момент обогащена компонентом, повышающим солидус (в анализируемом сплаве это никель), а жидкость в конце кристаллизации обогащена компонентом, снижающим ликвидус сплава (марганец). При охлаждении от температуры солидуса до комнатной в сплаве не происходит никаких фазовых превращений. Рис. 1.5. Кривая охлаждения сплава Cu–20 % Mn–40 % Ni После равновесной кристаллизации структура любого сплава (относящегося к системе с непрерывным рядом твердых растворов) состоит из кристаллов твердого раствора, химический состав которых одинаков с составом сплава. Поэтому по структуре однофазного материала после равновесной кристаллизации нельзя оценить состав сплава. Форма и размеры зерен не являются специфическими для того или иного сплава, а зависят от условий кристаллизации. Рассмотрим построение изотермического разреза диаграммы Cu– Ni–Mn при 1050 °С. Вначале по двойным системам следует определить граничные точки на сторонах концентрационного треугольника. На сторонах Cu–Mn и Ni–Mn таких точек будет по четыре (по две с каждой стороны от точки минимума, см. рис. 1.3), а на стороне Cu–Ni граничных точек не будет, так как все сплавы ниже температуры плавления меди (1083 °С) находятся в твердой области (см. рис. 1.1, в). Соединение этих точек с учетом изотерм ликвидуса и солидуса (см. рис. 1.4) приводит к образованию в плоскости разреза 5 областей: жид T, °С Cu–40 % Ni–20 % Mn
кой, двух твердых и двух двухфазных (рис. 1.6). В областях L+α показано предполагаемое расположение конод, по которым можно оценить соотношение фаз. Рис. 1.6. Изотермическое сечение диаграммы Cu–Mn–Ni при 1050 °С Для построения политермических разрезов вначале следует также определить граничные точки двойных сплавов. В качестве примера на рис. 1.7 приведен разрез при 30 % Ni, который содержит только две линии. По этому разрезу более удобно по сравнению с рис. 1.4 определять ликвидус и солидус тройных сплавов, содержащих 30 % Ni. Следует отметить, что в отличие от двойных диаграмм политермические разрезы тройных систем в общем случае не позволяют оценить составы фаз в области L + α, поскольку они обычно находятся вне плоскости разреза. Для большинства тройных систем с непрерывным рядом твердых растворов в литературе приводятся только изотермы ликвидуса. В этом случае для проведения анализа, рассмотренного выше, требуется оценить положение изотерм солидуса, используя двойные диаграммы (см. рис. 1.1–1.3) и положение изотерм ликвидуса рассматриваемой тройной диаграммы. 1050 °С
Доступ онлайн
В корзину