Сплавы свинец олово диаграмма состояния

Диаграмма состояния системы свинец олово

При исследовании характеристик сплавов очень важны диаграммы состояния, указывающие на состояние сплавов разного химического состава при различающихся температурных режимах. Они указывают на устойчивые (с точки зрения термодинамики) состояния. Их зовут фазовыми диаграммами, поскольку они указывают на то, существование каких фаз возможно в имеющихся условиях.

Диаграмма является графическим отображением изменений, идущих в сплавах при меняющейся концентрации и температуре, что позволяет выбрать оптимальный режим обработки сплава. Диаграммы выстраиваются на базе данных термического исследования, благодаря которому вычисляются температуры фазовых превращений, идущих в сплавах, их еще зовут критическими точками.

Как построить диаграмму?

Диаграмма состояния системы свинец олово строится в результате экспериментов. Как правило, с этой целью чертят кривые охлаждения, по которым и вычисляют в дальнейшем температуры превращений. Чтобы их получить, из свинца и олова готовят набор смесей с отличающимся химическим составом. Подготовленные смеси плавят, а потом постепенно охлаждают, помечая через некоторые временные промежутки их температуру. По итогам проведенных экспериментальных наблюдений вычерчивают кривые охлаждения, причем оси Х указывают время, а по оси У — температуру.

При фазовых переходах, идущих в сплаве в процессе охлаждении, выделяется скрытое тепло и происходит кристаллизация, что является компенсацией отведения тепла вовне и способствует замедлению понижения температуры сплава. Переходы, случающиеся при неизменной температуре, помечаются на диаграмме площадкой.

Источник

Диаграмма состояния системы свинец олово

Диаграмма состояния системы свинец олово

Влияние олова на медные сплавы. Олово улучшает литейность, понижает температуру плавления, образуется эвтектика и снижается сегрегация.

Поскольку олово снижает скорость усадки, художественное литье может быть сделано.

Поскольку Оловянная бронза имеет много пор, она плохо работает при давлении пара.

Эти сплавы обладают коррозионной стойкостью и используются в судостроении. Оловянные бронзы со временем темнеют, поэтому из них часто делают украшения.

• Низкий коэффициент трения. Существуют однофазные (5-6% sn) и двухфазные (>8% sn). Медные монеты изготавливаются из однофазной бронзы, так как они обладают высокой пластичностью и отличной коррозионной стойкостью.

Двухфазная бронза наиболее часто используется и используется для подшипников скольжения. Броф-10-1 (олово-фосфорная бронза, 10% олова, 1% фосфора), Броцс-5-5-5 (включая свинцовый цинк).

Плавление и кристаллизация вещества представляет собой фазовый переход 1-го порядка, и в случае чистого вещества плавление характеризуется определенной температурой, которая является постоянной этого вещества.

• В отличие от чистых веществ, многокомпонентные смеси кристаллизуются не при определенной температуре, а в определенном диапазоне температур. Таким образом, плавление и кристаллизация сплавов при заданной концентрации характеризуется температурой, при которой начинается и заканчивается кристаллизация, которая сильно зависит от состава сплава.

Для определения зависимости температуры кристаллизации от состава расплава удобно представить результаты измерений в виде диаграммы состояния. Фазовая диаграмма представляет собой графическое представление изменения равновесного состояния сплава в соответствии с температурой и концентрацией.

Очевидно, что внешний вид диаграммы состояния зависит от различных сочетаний веществ и зависит от характера взаимодействия между компонентами сплава.

Диаграмма состояния имеет простейший вид, когда вещество обладает неограниченной растворимостью как в жидкой фазе, так и в твердой фазе. Эта характеристика обеспечена в системе cu-ni. АГ-Ас; bi и sb и т. д.

• Линии АНКБ называется линией Ликвидус, а линия Амлб называется линией Солидус. Над линией Ликвидуса находится однородная жидкость. Ниже Солидуса находится однородный твердый раствор. Затененная область-это область, которая должна быть разделена на жидкую фазу и твердую фазу.

Создавая кривую охлаждения для концентрации сплава С, можно видеть, что существуют 2 критические точки k и m, соответствующие началу и концу затвердевания соответственно.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

Источник

Задание №1

Вычертить диаграмму состояния системы “свинец-олово” (рисунок 1). Указать линии ликвидуса и солидуса, а также структурно–фазовый состав областей диаграммы. Для сплава, содержащего 10 % Sn, построить кривую охлаждения и описать происходящие при охлаждении превращения. Зарисовать и описать структуру заданного сплава.

Решение:

Рисунок 1 – Диаграмма состояния системы “свинец — олово”

Фазовые превращения протекают в двухкомпонентной системе: “свинец” (А) и “олово” (В), которые образуют друг с другом твердые растворы ограниченной растворимости α и β: α — твердый раствор компонента В в А; β — твердый раствор компонента А в В.

Максимальное число фаз — три (Ф = 3): жидкий раствор (Ж), α и β — твердые растворы.

Линии на диаграмме: АЕВ — ликвидус; ADECB — солидус; DF — предельной растворимости компонента В в A; CG — предельной растворимости компонента А в В; DEC — эвтектического превращения; точка С — эвтектическая точка.

Эвтектика представляет собой мелкозернистую механическую смесь кристаллов α — и β -твердых растворов.

Растворимость компонентов В в А переменная в зависимости от температуры. Чем ниже температура, тем меньше может раствориться компонента В в кристаллической решетке компонента А. Поэтому по мере охлаждения в сплавах, с концентрацией компонентов правее точки F, будут выделяться вторичные кристаллы β, которые обозначаются символом β_II в отличие от первичных кристаллов β (β_I), выделяющихся из жидкой фазы. Точка D показывает максимально предельную растворимость компонента В в А, а точка F — максимальную растворимость при комнатной температуре.

Растворимость компонента А в В постоянна и не зависит от температуры (линия CG — вертикальная), выделения вторичных α -кристаллов по мере охлаждения сплавов не происходит.

Кристаллизация сплава I

Кривая охлаждения представлена на рисунке 1. Выше точки 1 сплав находится в жидком состоянии. В точке 1 начинается процесс кристаллизации сплава образованием α-твердого раствора. В точке 2 процесс кристаллизации заканчивается. Образовавшиеся кристаллы не претерпевают изменений до точки 3, лежащей на линии предельной растворимости. Ниже точки 3 α-твердый раствор является пересыщенным и выделяются избыточные кристаллы β_II -твердого раствора. Состав α-твердого раствора изменяется по кривой 3-F по мере увеличения β_II фазы.

Источник

3.1.1. Диаграмма сплавов олово-свинец

Возможные фазы ряда сплавов олово-свинец и их соотношения показывает диаграмма состояния на рис. 3.1. В зависимости от соотношения олова и свинца в сплаве могут существовать два вида твердых растворов: богатый свинцом α-твердый раствор и богатый оловом β-твердый раствор. При эвтектической температуре 183 °С и эвтектическом составе 61,9% Sn и 38,1% Рb образуется эвтектика, т. е. из сплава выделяются одновременно α-раствор и β-раствор, минуя область двух фаз. Так как α- и β-раствор растут одновременно, то они распределяются очень тонко, из-за чего эвтектическая структура получает мелкокристаллический вид.

Рис. 3.1. Диаграмма сплавов олово-свинец

В сплаве из 90% Рb и 10% Sn при охлаждении происходит следующее: при переходе линии ликвидуса, которая ограничивает жидкую фазу, выпадает α -раствор. При достижении линии солидуса, ниже которой существует только твердая фаза, структура α -раствора при 183 °С имеет максимальную растворимость около 19% для олова. С понижением температуры уменьшается растворимость соответственно линии растворимости 19,5—1,9%. Олово выпадает из твердого α -раствора в форме β -раствора.

В сплавах с 90% Sn и 10% Рb при переходе линии ликвидуса образуются первые, богатые оловом β -растворы. Остаточный сплав обогащается свинцом. При эвтектической температуре около 183 °С затвердевает приблизительно две трети общего количества β -раствора. Остаточный сплав благодаря обогащению свинцом достигает эвтектического состава (61,9% Sn и 38,1% Рb) и эвтектически затвердевает. Процесс расслоения в твердом состоянии, который может длиться еще продолжительное время при комнатной температуре, типичен для системы Pb-Sn и имеет свои причины непрерывного снижения растворимости Рb в Sn от 19% при 183 °С до 1,9% при 20 °С.

Жидкий припой растворяет соединяемые металлы, за счет чего его свойства могут ухудшаться. Растворяя основной металл, он может уменьшать толщину и без того тонких покрытий, например микронных покрытий серебра на керамике. Скорость растворения основного металла или металлопокрытия при пайке (температура 270 °С) волной припоя (мкм/с): для никеля — 0,43; для меди — 1,56; для серебра – 2,8; для золота — 0,4.

Для предотвращения насыщения припоя посторонними для него компонентами применяют защитные (паяльные) маски, закрывающие металлические поверхности, не подлежащие пайке, используют малорастворимые в припое барьерные покрытия, например никель на меди. Легирование припоя предотвращает растворение металлов и улучшает свойства припоев. Примеры легирования:

• ПОС61Су — припой, легированный сурьмой, обладает повышенной механической прочностью;

• ПОС61M — припой, легированный медью (до 2%), не растворяет медь, предназначен для пайки микропроводов;

• ПСр — припой, легированный серебром;

• ПСрОСИн — сплав олова, свинца, сурьмы, серебра, индия. Предназначен для пайки и лужения тонких проводов из золота и серебра или покрытых ими деталей. Присадки индия значительно увеличивают способность припоя к смачиванию поверхностей.

В групповых процессах пайки, когда неизбежно образуются большие поверхности испарения расплавленного припоя (например, при пайке волной припоя), олово быстрее угорает, чем свинец, и сплав постепенно перестает быть эвтектическим. Для таких случаев загрузку ванны производят сплавом с избыточным содержанием олова (63. 64%), а при корректировке ванны содержание олова доводят до 65%.

На качестве паек сильно сказывается температура: при низкой температуре не происходит полноценного смачивания припоем спаиваемых поверхностей — образуются «холодные» пайки. В свою очередь, при перегреве пайки горит флюс (загрязняется паяный шов) и образуются тройные сплавы: медь-олово-свинец (оловянистая бронза), никель-олово-свинец, температура плавления которых — порядка 700 °С, т. е. они приобретают свойства твердой пайки — не поддаются демонтажу. Однако самое опасное при перегреве — разрушение электронных компонентов и печатных плат.

Источник

Построение диаграммы состояния свинец – олово

Найденные значения критических точек из табл. 2 перенести на поле диаграммы состояния свинец – олово (рис. 16), приняв левую вертикаль – 100 % свинца, а правую – 100 % олова.

Восстанавливают три ординаты от точек, соответствующих соста­вам исследуемых сплавов. На пяти ординатах (три для сплавов и две оси ординат для чистых компонентов) наносят значения критических точек. Затем плавными кривыми соединяют все точки начала, а все точки конца кристаллизации. Все линии диаграммы обозначить буквами. На поле диаграммы обо­значить фазовый состав областей. Ниже поля диаграммы обозначить структуры сплавов.

Линия авс — ликвидус — представляет собой совокупность то­чек начала кристаллизации всех сплавов данной системы (ав:ж®a; вс:ж®b). Выше этой линии все сплавы находятся в состоянии жид­кого раствора.

Линия adвес — солидус — это совокупность точек конца крис­таллизации всех сплавов данной системы. Ниже этой линии все сплавы находятся в твёрдой состоянии.

В данной системе линия dвe одновременно является и линией эвтектического превращения (dве: ж® (a+b); df и eк — линии ограниченной растворимости компонентов в твёрдом состоянии (df:a®b_II; ек: b®a_II).

Контрольные вопросы

1. На чём основан термический анализ?

2.Указать на диаграмме свинец — олово (рис. 16) точки начала и конца первичной кристаллизации: а) доэвтектического сплава; б) эвтектического сплава; в) заэвтектического сплава; г) фазовый состав в областях, находящихся выше и ниже этих точек.

3.Укажите на рис. 17 номера сплавов, соответствующих заданной кри­вой охлаждения.

4.Указать на диаграмме свинец — олово точку конца вторичной крис­таллизации.

а) доэвтектического сплава; б) заэвтективеского сплава.

5.Укажите линию начала кристаллизации жидкого раствора

а) в a — твердый раствор; б) в b — твёрдый раствор.

6. Укажите линию, показывающую предельную растворимость: а) олова в свинце; б) свинца в олове.

7. Укажите процессы кристаллизации, обусловленные понижающейся рас­творимостью олова и свинца при охлаждении.

8. Укажите на диаграмме свинец — олово области существования: а) a — твёрдого раствора; б) b — твёрдого раствора;

8.Укажите структурный состав в различных областях диаграммы.

Рис. 16. Диаграмма состояний свинец – олово

Рис. 17. Кривая охлаждения

Лабораторная работа № 4

Микроструктура железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии

Цель работы:изучить микроструктуру сталей и чугунов в равновесном состоянии и установить связь между структурой и свойствами.

Содержание работы

Под равновесным состоянии понимается состояние, при котором все фазовые превращения в сплаве полностью закончились в соответствии с диаг­раммой состояния. Это наступает только при медленном охлаждении. Основой для определения фазовых и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии является диаграмма состояния железо – цементит (рис. 18). В сплавах железа с углеродом образуются следующие фазы.

1. Феррит-твердый раствор внедрения углерода в α – железе. Максимальная растворимость углерода в a — железе составляет 0,006 % при 0 °С и 0,02 % при 727 °С. Кристаллическая решетка – объемноцентрированный куб. Магнитен, имеет небольшую твёрдость НВ 80. На диаграмме занимает область GPQ.

2. Аустенит-твердый раствор внедрения углерода в γ – железе. Максимальная растворимость углерода в g- железе составляет 2,14 % при 1147 °С. Кристаллическая решетка – гранецентрированный куб. Аустенит не магнитен. На диаграмме занимает область NJESG. Существует в сплавах железо – углерод только при температурах выше 727 °С.

3. Цементит (карбид железа) – химическое соединение, отвечаю­щее формуле Fе₃С. Цементит содержит 6,67 % углерода. Твёрдый (НВ 800) и хрупкий, слабо магнитен. Кристаллическая решетка ром­бическая.

4. Графит – аллотропическая модификация углерода. Имеет гексагональную решетку. Твёрдость и прочность графита очень малы.

Рис. 18. Диаграмма состояния железо – цементит

Классификация железоуглеродистых сплавов

Структура сплавов в равновесном состоянии определяется содер­жанием углерода. По содержанию углерода на диаграмме железо – цементит все сплавы принято делить на три группы: техническое железо, стали и чугуны.

Техническим железом называются сплавы с содержанием углерода от 0 % до 0,02 %.

При концентрации углерода до 0,006 % сплавы являются однофаз­ными и имеют структуру феррита.

Сплавы с содержанием углерода от 0,006 % до 0,02 % являются двухфазными. Это объясняется тем, что концентрация углерода в сплавах превышает его растворимость в феррите при комнатной тем­пературе. В процессе охлаждения феррит любого сплава, имеющего концентрацию углерода свыше 0,006 %,оказывается перенасыщенным. Равновесного состояния феррит достигнет за счёт выделения цементита. Растворимость углерода в феррите определяется линией РQ (рис. 19).

Сталями называются сплавы железа с углеродом, концен­трация которого находится в пределах от 0,02 % до 2,14 %.

Процессы, протекающие при первичной кристаллизации, на структу­ру сталей влияния не оказывают. Окончательная структура сталей формируется из аустенита. При 727 °с (рис. 18, линия РSК) все стали претерпевают эвтектоидное превращение:

Продуктом данного превращения является перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита.

По структуре в равновесном состоянии стали делятся:

– на доэвтектоидные стали (концентрация углерода от 0,02 % до 0,8 %),при комнатной температуре состоящие из двух фаз — феррита и цемен­тита, структура таких сталей — феррит и перлит;

– эвтектоидные стали (концентрация углерода 0,8 %), также состо­ящие из двух фаз — феррита и цементита, структура — перлит;

– заэвтектоидные стали (концентрация углерода от 0,8 % до 2,14 %) и имеющие структуру перлит и цементит, образованную из двух фаз: феррита и цементита.

Чугунами называются железоуглеродистые сплавы, содержа­щие более 2,14 % углерода. Если весь углерод находится в химически связанном состоянии, то такой чугун называется белым. Своим названием такой чугун обязан цвету излома.

Для белых чугунов характерно эвтектическое превращение при тем­пературе 1147 °С (рис. 18, линия ЕСF), в результате которого об­разуется ледебурит — эвтектическая смесь аустенита и цементита: Ж_{4,3 % С}®Л _{А2,14 % С} + Ц_{6,67 % С.}

При температуре 727 °С происходит превращение аустенита в перлит, и после этого ледебурит будет состоять из перлита и цементи­та.

По структуре в равновесном состоянии чугуны делятся:

– на доэвтектические чугуны (2,14 % — 4,3 % углерода). Фазовый сос­тав — феррит и цементит; структурный состав — ледебурит, перлит, цементит вторичный;

– эвтектические чугуны (4,3 % углерода). Фазовый состав – феррит и цементит; структурный состав — ледебурит;

– заэвтектические чугуны (4,3 — 6,67 % углерода). Фазовый состав- феррит и цементит, структурный состав – ледебурит, цементит пер­вичный.

Рассматриваемые выше сплавы состоят из одинаковых фаз – ферри­та и цементита, но имеют разную структуру, а именно структура оп­ределяет свойства сплавов.

По мере увеличения концентрации углерода в сплаве увеличивает­ся доля цементита в структуре и возрастает твёрдость сплава. Так, при концентрации углерода в стали 0,4 % твёрдость составляет НВ 160 – 180 (6 % цементита и 94 % феррита), а при концентрации углерода в чугуне 4 % твёрдость составляет НВ 600 – 650 (60 % це­ментита и 40 % феррита).

Белые чугуны обладают хорошими литейными свойствами, но высо­кая твёрдость исключает их механическую обработку. Поэтому белые чугуны не являются конструкционным материалом. Высокие литейные свойства обеспечиваются углеродом, и в то же время углерод, соединяясь с железом, образует твёрдый цементит.

Чтобы сохранить высокие литейные свойства и понизить твёрдость чугуна, нужно, не уменьшая концентрации углерода, добиться резко­го уменьшения цементитной составляющей в структуре. Для этого не­обходимо, чтобы весь или большая часть углерода выделилась в сво­бодном виде в форме графита. Эту задачу решают введением в сплав кремния и медленным охлаждением отливки.

Серыми чугунами называются сплавы железа с угле­родом, в которых весь или большая часть углерода находится в стру­ктурно-свободном состоянии в виде пластинчатого (лепесткового) графита. Поскольку серые чугуны – трёхкомпонентный, как минимум, сплав, то диаграмма железо — цементит для определения структуры сплавов не пригодна. В серых чугунах различают металлическую основу и графитовые включения.

По металлической основе серые чугуны подразделяется:

– на ферритные серые чугуны со структурой феррит и графит пластин­чатый;

– феррито — перлитные серые чугуны со структурой феррит, перлит, графит пластинчатый;

– перлитные серые чугуны со структурой перлит и графит пластинчатый.

Серые чугуны имеют хорошие литейные свойства, прекрасно обра­батываются резанием, но имеют низкую прочность и плохо сопротив­ляются ударным нагрузкам. Низкая прочность серого чугуна объяс­няется формой графита. Пластинчатый графит служит концентратором напряжения, выполняя роль надреза.

Чтобы сохранить достоинства серого чугуна и повысить его проч­ность, нужно изменить форму графита — пластины превратить в глобули. Эту проблему решают модифицированием — введением в расплав малых количеств магния или церия.

Высокопрочными чугунами называются сплавы железа с углеродом, в которых весь углерод или большая его часть находится в структурно-свободном состоянии в форме шаровид­ного графита.

По металлической основе высокопрочные чугуны делятся:

– на ферритные высокопрочные чугуны со структурой феррит и графит шаровидный;

– феррито-перлитные высокопрочные чугуны со структурой феррит, перлит и графит шаровидный;

– перлитные высокопрочные чугуны со структурой перлит и графит шаровидный.

К о в к и м и ч у г у н а м и называются сплавы железа с углеродом, в которых весь или большая часть углерода находится в структурно свободном состоянии в виде графита хлопьевидного. Полу­чают ковкие чугуны путём отжига белых чугунов.

По металлической основе ковкие чугуны подразделяются:

– на ферритные ковкие чугуны со структурой феррит и графит хлопьевидный;

– феррито-перлитные ковкие чугуны со структурой феррит, перлит и графит хлопьевидный;

– перлитные ковкие чугуны со структурой перлит и графит хлопье­видный.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник