Rodzaje faz w stopach dwuskładnikowych - Notatki - Materiałoznastwo, Notatki'z Materiałoznastwo. Warsaw University of Technology
mellow_99
mellow_9914 March 2013

Rodzaje faz w stopach dwuskładnikowych - Notatki - Materiałoznastwo, Notatki'z Materiałoznastwo. Warsaw University of Technology

PDF (452.3 KB)
7 strona
1Liczba pobrań
1000+Liczba odwiedzin
Opis
W notatkach omawiane zostają zagadnienia z materiałoznastwa: rodzaje faz w stopach dwuskładnikowych.
20punkty
Punkty pobierania niezbędne do pobrania
tego dokumentu
Pobierz dokument
Podgląd3 strony / 7
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
16

141

Opracowa³: Stanis³aw M. Pytel

Æwiczenie 16

RODZAJE FAZ W STOPACH DWUSK£ADNIKOWYCH

1. CEL ÆWICZENIA

Celem æwiczenia jest poznanie podstawowych rodzajów faz i sk³adników struktu- ralnych, wystêpuj¹cych w stopach dwusk³adnikowych w stanie równowagi termody- namicznej.

2. WIADOMOŒCI PODSTAWOWE

Stopy metali mog¹ byæ substancjami jedno- lub wielofazowymi, przy czym pod pojêciem fazy rozumie siê jednorodny pod wzglêdem sk³adu chemicznego i w³aœciwo- œci fizycznych obszar stopu oddzielony od jego reszty powierzchni¹ rozdzia³u, tzw. granic¹ miêdzyfazow¹. Pojêcie fazy schematycznie przedstawiono na rys. 16.1. Pod- stawowymi rodzajami faz wystêpuj¹cymi w stopach metali s¹: • czyste metale, • roztwory sta³e metali, • fazy miêdzymetaliczne, • zwi¹zki chemiczne.

W zale¿noœci od temperatury, ciœnienia oraz stê¿enia sk³adników tworz¹cych stop zmieniaj¹ siê warunki równowagi termodynamicznej po- miêdzy fazami, skutkiem czego sk³ad stopu ule- ga zmianom zarówno pod wzglêdem liczby, jak i rodzaju faz. Przebieg tego zjawiska mo¿na opi- saæ w postaci tzw. wykresów równowagi fazo- wej, które stanowi¹ podstawê analizy przemian fazowych zachodz¹cych w stopach metali.

Znajomoœæ fazowej budowy stopu pod wzglêdem jego sk³adu chemicznego, struktury i parametrów stereometrycznych ma zasadnicze znaczenie w metaloznawstwie, gdy¿ od tych wielkoœci zale¿¹ w³aœciwoœci fizyczne stopów w skali makroskopowej. Bardzo praktyczna do analizy uk³adów równowagi fazowej jest wyprowadzona po raz pierwszy przez J. W. Gibbsa regu³a, któr¹ mo¿na przedstawiæ w postaci zale¿noœci:

s = n – f + 1 (dla p = const.) (1)

granica

faza f1

faza f2

Rys. 16.1. Schemat struktury dwufazowej

docsity.com

142

gdzie: s - iloœæ stopni swobody, n - iloœæ sk³adników, f - iloœæ faz, p - ciœnienie.

Przy za³o¿eniu, ¿e przemiany fazowe odbywaj¹ siê przy ustalonym ciœnieniu, dla stopów dwusk³adnikowych (n = 2) regu³a faz przyjmuje postaæ: s = 3 – f, z czego wynika, ¿e stop dwusk³adnikowy mo¿e mieæ strukturê jedno- (s = 2) lub dwufazow¹ (s = 1). W szczególnym przypadku przy ustalonej temperaturze i stê¿eniu sk³adników (s = 0) wystêpuj¹ w stopie trzy fazy, co ma miejsce np. podczas przemiany eutektycz- nej oraz perytektycznej.

Badania fazowej budowy stopów metali przeprowadza siê ró¿norodnymi metoda- mi. Sk³ad chemiczny poszczególnych faz mo¿na okreœliæ za pomoc¹ mikroanalizatora rentgenowskiego, zwanego równie¿ mikrosond¹ elektronow¹. Dzia³anie tego urz¹- dzenia oparte jest na wykorzystaniu wi¹zki elektronów do pobudzania atomów pier- wiastków, wchodz¹cych w sk³ad badanego obszaru, do promieniowania rentgenow- skiego. Badania widma charakterystycznego tego promieniowania przy zastosowaniu specjalnych analizatorów pozwalaj¹ identyfikowaæ pierwiastki wchodz¹ce w sk³ad danej fazy, a tak¿e okreœliæ ich zawartoœæ. Budowê krystaliczn¹ faz wystêpuj¹cych w stopach metali wyznaczyæ mo¿na dziêki wykorzystaniu zjawiska dyfrakcji promie- niowania rentgenowskiego na próbce w urz¹dzeniu zwanym rentgenem struktural- nym, lub dyfrakcji wi¹zki elektronów w transmisyjnym mikroskopie elektronowym.

Podstawowym sposobem badania mikrostruktury stopów metali pozostaje jednak nadal obserwacja mikroskopowa, przeprowadzana na specjalnie w tym celu przygo- towanych próbkach metalograficznych. Badania na mikroskopie œwietlnym umo¿li- wiaj¹ w metalach i stopach jednofazowych okreœlenie wielkoœci, kszta³tu i orientacji ziaren. W stopach dwu oraz wielofazowych mo¿liwe jest ponadto okreœlenie iloœci, wielkoœci oraz kszta³tu poszczególnych faz i sk³adników mikrostruktury, a tak¿e ich sposobu rozmieszczenia.

2.1. Mikrostruktury jednofazowe

Budowê jednofazow¹ maj¹ czyste metale, a tak¿e stopy dwusk³adnikowe, tworz¹- ce roztwory sta³e lub fazy miêdzymetaliczne w okreœlonych przedzia³ach stê¿eñ sk³ad- ników. W przypadku, gdy dwa metale rozpuszczaj¹ siê w sobie bez ograniczeñ w sta- nie sta³ym, tworz¹ one roztwór sta³y ci¹g³y, wówczas struktura jednofazowa wystêpuje w ca³ym zakresie stê¿eñ od 0% do 100%, jak to przedstawiono na rys. 16.2.

Po wytrawieniu stopów jednofazowych na powierzchni zg³adów ujawniaj¹ siê gra- nice ziaren i dziêki temu na podstawie obserwacji mikroskopowej mo¿na oceniæ ich kszta³t oraz wielkoœæ. Wielkoœæ i kszta³t ziarna struktur jednofazowych zale¿y od sze- regu czynników, jak np. od czystoœci sk³adników tworz¹cych stop, temperatury odle-

docsity.com

143

wania, szybkoœci ch³odzenia, warunków od- kszta³cenia plastycznego itp. W strukturach jednofazowych mo¿na zaobserwowaæ na zg³a- dach trawionych ró¿nice w zabarwieniu po- szczególnych ziaren tej samej fazy. Zjawisko takie wynika z nierównomiernego tra- wienia ziaren o odmiennej orientacji krystalograficznej wzglêdem p³aszczyzny zg³adu. Atomy metalu na powierzchniach najgêœciej obsadzonych zwi¹zane s¹ ze sob¹ silniej ni¿ atomy na œcianach o rzadkim wype³nieniu. W zwi¹zku z tym powierzchnie ziaren przeciêtych niekorzystnie p³aszczyzn¹ zg³adu metalograficznego wzd³u¿ œcian rzadko obsadzonych atomami bêd¹ rozpuszcza³y siê szybciej, ³atwiej utlenia³y, czy wreszcie szybciej wchodzi³y w reakcje wymiany energii i masy z otoczeniem.

2.2. Mikrostruktury dwufazowe

W stopach dwusk³adnikowych mikrostruktura dwufazowa powstaje w wyniku prze- miany eutektycznej (rys. 16.4) lub perytektycznej (rys. 16.5), b¹dŸ te¿ przemiany eu- tektoidalnej (rys. 16.6) lub perytektoidalnej (rys. 16.7).

Techniczne stopy dwusk³adnikowe, zw³aszcza stopy odlewnicze, s¹ na ogó³ struk- turami dwufazowymi, w których wystêpuj¹ mieszaniny eutektyczne oraz eutektoidal- ne. Na podstawie badañ metalograficznych stwierdzono, ¿e fazy f

1 i f

2 , tworz¹ce mieszaniny, mog¹ mieæ kilka charakterystycznych kszta³tów i sposobów rozmieszcze- nia. Do najczêœciej spotykanych nale¿¹ mieszaniny eutektyczne o budowie: a) p³ytkowej – obie fazy maj¹ kszta³t p³ytek o zbli¿onej gruboœci (np. w stopie Cu-P

eutektyka α+Cu 3 P),

b) s³upkowej – jedna z faz ma kszta³t s³upków równomiernie rozmieszczonych w osnowie drugiej fazy,

ciecz

A B

T T

ciecz + α

Rys. 16.2. Uk³ad równowagi fazowej z roztworem sta³ym nieorganicznym

Mikrostruktura jednofazowa

kszta³t ziarna równoosiowe odkszta³cone

drobnoziarniste

wielkoϾ ziarna

gruboziarniste

Rys. 16.3 Przyk³ady mikrostruktur jednofazowych o zró¿nicowanym kszta³cie i wielkoœci ziaren

docsity.com

144

Rys. 16.4 Uk³ad równowagi fazowej z przemian¹ eutektycz- n¹ oraz ograniczon¹ i zmienn¹ rozpuszczalnoœci¹ sk³adników w stanie sta³ym

Rys. 16.6 Uk³ad równowagi fazowej z przemian¹ eutekto- idaln¹

Rys. 16.7 Uk³ad równowagi fazowej z przemian¹ perytek- tyczn¹ i peryktoidaln¹

Rys. 16.5 Uk³ad równowagi fazowej z przemian¹ perytek- tyczn¹

L - roztwór ciek³y

L + β

α + β

L + α L + α

α + β

L - roztwór ciek³y

L+ β

L - roztwór ciek³y

struktura jednofazowa

struktura jednofazowa

α + β

L - roztwór ciek³y

struktura dwufazowa

docsity.com

145

c) kropelkowej – jedna faza ma kszta³t wydzieleñ sferoidalnych w osnowie drugiej fazy (np. w stopie Cu-O eutektyka Cu+Cu

2 O),

d) iglastej – iglaste wydzielenia jednej fazy s¹ nieregularnie rozmieszczone w osnowie fazy drugiej (np. w stopie Al-Si eutektyka α+Si).

Mieszaniny eutektoidalne maj¹ najczêœciej budowê p³ytkow¹ (np. perlit w stopie Fe-C) lub czasami nieregularn¹, wykazuj¹c¹ chaotyczne rozmieszczenie cz¹stek (np. eutektoid w stopie Cu-Al).

2.3. Wp³yw sk³adu chemicznego i mikrostruktury na w³aœciwoœci fizyczne stopów dwusk³adnikowych

Spoœród czynników wp³ywaj¹cych na w³asnoœci stopów o budowie jednofazowej wymieniæ nale¿y przede wszystkim sk³ad chemiczny ziaren, ich wielkoœæ, a tak¿e obecnoœæ zanieczyszczeñ. W stopach o budowie dwufazowej (a tak¿e wielofazowej) dodatkowo nale¿y uwzglêdniæ: sk³ad chemiczny poszczególnych faz, ich w³asnoœci, udzia³ objêtoœciowy oraz sposób rozmieszczenia. Ogólnie mo¿na stwierdziæ, ¿e wp³yw mikrostruktury stopu na jego w³asnoœci fizyczne jest bardzo zró¿nicowany. Z tego punktu widzenia podzielono w³asnoœci stopów metali na dwie grupy. Do grupy pierw- szej zaliczono w³asnoœci w ma³ym tylko stopniu zale¿ne od mikrostruktury. Nale¿¹ do nich przede wszystkim: gêstoœæ, wspó³czynnik œciœliwoœci, ciep³o w³aœciwe oraz wspó³- czynnik rozszerzalnoœci cieplnej. Do drugiej grupy zaliczono w³asnoœci szczególnie uzale¿nione od mikrostruktury. S¹ to w³asnoœci mechaniczne, elektryczne, magne- tyczne, przewodnoœæ cieplna, wspó³czynnik dyfuzji oraz odpornoœæ na korozjê.

Na przyk³adzie uk³adu Ag-Au dla stopów o budowie roztworu sta³ego przedsta- wiono przebieg w³asnoœci fizycznych w zale¿noœci od stê¿enia sk³adników – rys.16.8.

W³aœciwoœci stopów o budowie dwufazowej zmieniaj¹ siê na ogó³ liniowo. W za- le¿noœci od udzia³u poszczególnych faz w³aœciwoœci fizyczne s¹ zawsze poœrednie, tzn. zawarte w granicach ekstremalnych w³aœciwoœci tych faz, co schematycznie przedstawiono na rys. 16.9.

3. MATERIA£Y I URZ¥DZENIA

1. Zestaw mikroskopów metalograficznych. 2. Komplet zg³adów metalograficznych mikrostruktur jedno- i dwufazowych. 3. Atlas metalograficzny.

4. PRZEBIEG ÆWICZENIA

Æwiczenie polega na rozwi¹zaniu wszystkich zadañ przedstawionych w szablonie sprawozdania z uwzglêdnieniem obserwacji zg³adów, wykonanych ze stopów jedno- i dwusk³adnikowych, przy zastosowaniu mikroskopu metalograficznego. Dwie wy-

docsity.com

146

brane mikrostruktury nale¿y przerysowaæ, zwracaj¹c szczególn¹ uwagê na poprawne przedstawianie cech charakterystycznych, jak: kszta³t, wielkoœæ i sposób rozmiesz- czenia poszczególnych faz oraz ich wzajemny udzia³. Na rysunkach nale¿y ponadto zaznaczyæ strza³kami poszczególne fazy (lub sk³adniki strukturalne), a tak¿e podaæ powiêkszenie mikroskopu, przy którym dan¹ mikrostrukturê ogl¹dano oraz odczynnik zastosowany do trawienia próbki.

5. WYTYCZNE DO OPRACOWANIA SPRAWOZDANIA

Sprawozdanie winno zawieraæ opracowanie wszystkich zadañ przedstawionych w formularzu sprawozdania. Formularz sprawozdania do æwiczenia nr 16 dostêpny jest jako odbitka kserograficzna lub plik komputerowy.

Rys. 16.8 Przebieg w³asnoœci fizycznych stopu jednofazowego na przyk³adzie uk³adu Ag-Cu w zale¿noœci od stê¿enia sk³adników, gdzie: a – parametr sieci przestrzennej, V – objêtoœæ w³aœciwa, β – wspó³czynnik rozszerzalnoœci cieplnej, χ – przewodnoœæ elektryczna, α – wspó³czynnik temperaturowy opornoœci, STE – si³a termoelektryczna, E – modu³ Younga, HB – twardoœæ w skali Brinella, R

m – wytrzyma³oœæ na

rozci¹ganie, R 0,2

– umowna granica plastycznoœci, A – wyd³u¿enie, Z – przewê¿enie

docsity.com

147

Rys. 16.9 Zale¿noœæ w³aœciwoœci stopów dwufazowych dla ró¿nych rodzajów uk³adów równowagi fazowej

6. LITERATURA:

[1] Rudnik S.: Metaloznawstwo. WNT, Warszawa 1996. [2] Dobrzañski L.A.: Metaloznawstwo z podstawami nauki o materia³ach. WNT,

Warszawa 1996. [3] Blicharski M.: Wstêp do in¿ynierii materia³owej. Wyd. AGH, Kraków 1995. [4] Kaczyñski J., Prowans S.: Podstawy teoretyczne metaloznawstwa. Wyd. „Sl¹sk”,

Katowice 1972.

te m

p e ra

tu ra

w ³a

œ c iw

o œ æ

docsity.com

komentarze (0)
Brak komentarzy
Bądź autorem pierwszego komentarza!
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
Docsity is not optimized for the browser you're using. In order to have a better experience we suggest you to use Internet Explorer 9+, Chrome, Firefox or Safari! Download Google Chrome