Фазовые равновесия и структурообразование : двухкомпонентные диаграммы фазового равновесия : сборник задач

№ 2197           МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
     «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»



   Кафедра физического материаловедения



            А.С. Лилеев
            Е.С. Малютина





                Фазовые равновесия и структурообразование




  Двухкомпонентные диаграммы фазового равновесия


            Сборник задач




   Допущено учебно-методическим объединением по образованию в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 150400 - Металлургия



ИЗДАТЕЛЬСКИЙ ДОМ

Москва 2012

УДК 669.017 Л57

Рецензент
д-р физ.-мат. наук, гл. науч. сотр. Л.М. Капуткина




      Лилеев, А.С.
Л57     Фазовые равновесия и структурообразование : двухкомпо      нентные диаграммы фазового равновесия : сб. задач / А.С. Лилеев, Е.С. Малютина. - М. : Изд. Дом МИСиС, 2012. - 80 с.

         ISBN 978-5-87623-563-3




         Сборник задач по двухкомпонентным диаграммам равновесия системы составлен с целью привить студентам компетентностные навыки в использовании диаграмм фазового равновесия для построения кривых охлаждения и нагрева и для определения состава, количественного соотношения фаз и структурных составляющих.
         Предназначен для студентов, обучающихся по специальностям 150100 «Материаловедение и технология материалов», 222900 «Нанотехнологии и микросистемная техника», 152100 «Наноматериалы», 011200 «Физика».



УДК 669.017

ISBN 978-5-87623-563-3

© А.С. Лилеев, Е.С. Малютина, 2012

            СОДЕРЖАНИЕ



Предисловие...............................................4
1. Анализ диаграмм фазового равновесия с превращениями
в твердом состоянии.......................................5
  1.1. Пояснения к решению задач..........................5
  1.2. Условия задач......................................7
  1.3. Варианты ..........................................8
2. Структурообразование в сплавах, испытывающих
эвтектическое и перитектическое превращения...............58
  2.1. Условия задач .....................................58
  2.2. Варианты ..........................................60
Литература ...............................................79

3

            ПРЕДИСЛОВИЕ



   Цель предлагаемых задач - научить пользоваться двухкомпонентными диаграммами фазового равновесия, строить кривые термического анализа, определять микроструктуру сплавов, записывать трехфазные реакции и определять их тип, рассчитывать доли фазовых и структурных составляющих двухкомпонентных сплавов, определять их состав.
   Рассмотрены примеры решения задач по определению химического состава и доли фазовых и структурных составляющих сплава, а также нахождению точки состава сплава по заданному количеству фазовых или структурных составляющих. Студенты оценивают растворимость компонентов в жидком и твердом состояниях, наличие аллотропических превращений, магнитных превращений и атомного упорядочения.
   Приведены условия задач и диаграммы фазового равновесия, необходимые для их решения.
   Задачник состоит из двух частей. Первая часть содержит диаграммы фазового равновесия с превращениями в твердом состоянии. Каждый вариант состоит из восьми задач. Все задачи привязаны к конкретным двухкомпонентным диаграммам, на что указано в условиях варианта. Вторая часть посвящена анализу структурообразова-ния в сплавах, испытывающих эвтектическое и перитектическое превращения.
   На основании компетентностного подхода необходимо развить у обучаемого такие инструментальные компетенции, как умение по структуре или соотношению фаз в конкретном сплаве определить его состав, научить строить кривые нагрева-охлаждения, прогнозировать структуру сплава при определенной термической обработке.

4

            1. АНАЛИЗ ДИАГРАММ ФАЗОВОГО РАВНОВЕСИЯ С ПРЕВРАЩЕНИЯМИ В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ


            1.1. Пояснения к решению задач


   Химический состав сплавов может быть задан как в атомных, так и в массовых процентах, но всегда по нижней равномерной шкале. Сначала необходимо присвоить точкам химического состава буквенные обозначения, как показано в приведенном ниже примере на рис. 1.1 (это точки а, е и в), и привести формулы в буквенном выражении, а затем провести расчеты по правилу рычага с использованием численных значений в массовых процентах.

   Пример
   Рассчитать количество эвтектики (m эвт) при низкой температуре в сплаве химического состава Y % Bi. В задании химический состав сплава Y будет указан в атомных процентах - 80 ат. % Bi. Для расчетов химический состав сплава необходимо определить по шкале массовых процентов, что составит 88 % масс. Bi, в точке е - 57 % масс. Bi.
   Расчет количества эвтектики определим по правилу рычага:
     m эвт = [(в - Y) / (в - е)] m сШ = [(100 - 88) / (100 - 57)]-100, что составит примерно 28 % от массы сплава.

5

Рис. 1.1. Диаграмма Sn-Bi

6

            1.2. Условия задач



   1. Расставить фазы.
   2.   Описать растворимость компонентов в жидком и твердом состоянии.
   3.   Указать фазовые переходы второго рода и аллотропические превращения.
   4.   Записать трехфазные реакции с указанием температуры и химического состава фаз. В сплаве Х определить массу фаз, вступающих в реакцию или образующихся в процессе трехфазной реакции при указанной температуре.
   5.   Найти интервал составов сплавов, в которых при низких температурах фазовые составляющие отличаются от структурных.
   6.   Для сплава состава точки Y построить кривую термического анализа при охлаждении, нарисовать структуру при низкой температуре, рассчитать массу и определить химический состав фазовых и структурных составляющих при низкой температуре.
   7.   По заданному количеству фазовых или структурных составляющих определить химический состав сплава.
   8.   Проследить за изменением количества и химического состава фаз и структурных составляющих в сплавах указанного состава (от т. А до т. В) при выделенной температуре.

7

            1.3. Варианты



Рис. 1.2. Диаграмма Ni-Sn

8

Вариант 1 (диаграмма Ni-Sn)
К задаче № 4: сплав Х = 20 % Sn.
К задаче № 6: сплав Y = 48 % Sn.
К задаче № 7: 20 % жидкой фазы и 80 % промежуточной фазы при 700 оС.

Вариант 2 (диаграмма Ni-Sn)
К задаче № 4: сплав Х = 80 % Sn при 795 оС.
К задаче № 6: сплав Y = 28 % Sn.
К задаче № 7: 20 % Sn и 80 % промежуточной фазы при 200 оС.

9

Рис. 1.3. Диаграмма Mn-Ni

10

   Вариант 3 (диаграмма Mn-Ni)
   К задаче № 4: сплав Х = 10 % Ni.
   К задаче № 6: сплав Y = 12 % Ni.
   К задаче № 7: равное количество неограниченного твердого раствора и эвтектоида при 670 оС.

   Вариант 4 (диаграмма Mn-Ni)
   К задаче № 4: сплав Х = 41 % Ni.
   К задаче № 6: сплав Y = 10 % Ni.
   К задаче № 7: равное количество ограниченных твердых растворов а и в при 550 оС.

11