Sprawozdanie - Grade: 5 PDF

Preview

Summary

Materiały inżynierskie sprawozdanie...

Description

Materiały inżynierskie Sprawozdanie nr 1 „Układy równowagi fazowej”

Barłowski Artur 152300 L1 1

Część teoretyczna Układ to wyodrębniona z otoczenia grupa ciał, będąca przedmiotem badań. Fazą nazywa się jednorodną pod względem składu i budowy część układu ograniczoną powierzchnią rozdziału (granicą faz). Na granicy faz skład i własności zmieniają się skokowo. Rozróżnia się fazy ciekłe i fazy stałe, przy czym to ostatnie dzieli się na czyste metale, roztwory stałe i fazy międzymetaliczne. Składnikami układu nazywa się pierwiastki lub związki niezbędne do utworzenia wszystkich faz występujących w danym układzie. Na przykład w rozdziale 4 stwierdzono, ale w stanie stałym Cu i Ni rozpuszczają się w sobie nieograniczenie. W układzie Cu—Ni występuje zatem w stanie stałym tylko jedna faza (roztwór stały), natomiast układ jest dwuskładnikowy, gdyż do utworzenia roztworu są konieczne atomy Cu i Ni. Składnikami układu mogą być również związki chemiczne. Liczba stopni swobody jest to liczba możliwych w układzie zmiennych niezalanych, których zmiana nie powoduje zmiany liczby faz. Zmiennymi niezależnymi stanu układu są temperatura, skład (stężenie składników) i ciśnienie. Dwuskładnikowe wykresy fazowe są dwuwymiarowymi mapami przedstawiającymi obszary występowania poszczególnych faz i ich skład we współrzędnych temperatury i składu, gdy materiał jest w stanie równowagi termodynamicznej. Umożliwiają one określenie tworzących się w stopach mikrostruktur oraz zachodzących zmian mikrostruktur pod wpływem zmian temperatury i składu. Wykresy fazowe dotyczą warunków równowagi fazowej. Tworzenie się mikrostruktur w stopach rzeczywistych mini się jednak od warunków równowagi. Z tego względu wykresy fazowe stanowią jedynie dobrą podstawę do dyskusji nad tworzeniem się mikrostruktur w stopach rzeczywistych podczas ich obróbki cieplnej. Reguła fazy (Gibbsa) podaje liczbę zależności pomiędzy liczbą składników n, liczbą faz współistniejących ze sobą w stanie równowagi f oraz liczbą stopni swobody: s=n−f +1→ w stałymciśnieniu s +n−f +2 Krystalizacja to przejście ciekłego metalu w stan stały. Krystalizacja wtórna zachodzi przy przemianach budowy krystalicznej metali w stanie stałym.

2

Układ równowagi fazowej z nieograniczoną rozpuszczalnością w stanie stałym.

Układ równowagi fazowej bez rozpuszczalności w stanie stałym z eutektyką.

Układ równowagi fazowej z ograniczoną rozpuszczalnością w stanie stałym i eutektyką.

3

Układ równowagi fazowej z przemianą perytektyczną.

4

Zadanie 1 Przelicz skład chemiczny stopów (tabela 1) wyrażony w % mas. na skład chemiczny wyrażony w % at. Tabela 1. Stop

Składnik 1 Ni 64 % mas. Fe 99,23 % mas. Nb 12 % mas.

1 2 3



Składnik 2 Cu 36 % mas C 0,77 % mas. Al 88 % mas.

Stop 1: 64 % mas.∋¿ 36 % mas . Cu

M=

m ms =¿ n= s n M

gdzie: M – masa molowa [g/mol], n – liczba moli [mol], ms – masa substancji [g].

Ni: n=

54 =1,0904 58,69

at=1,0904 ∙ 6,02∙ 1023 =6,56 ∙ 1023 Cu: n=

36 =0,5664 63,55 23

at=0,5664 ∙ 6,02 ∙10 =3,409 ∙ 10

23

Ni %at=

6,56 ∙1023 ∙ 100 %=65,81 % 6,56 ∙1023 + 3,409 ∙10 23

Cu %at=

3,409 ∙1023 ∙ 100 %=34,19 % 6,56 ∙1023 + 3,409 ∙1023

5



Stop 2: 99,23 %mas . Fe 0,77 % mas. C

Fe: n=

99,23 =1,776 55,85 23

at=1,776 ∙ 6,02∙ 10 =1,06 ∙10

C: n=

24

0,77 =0,064 12,01

at=0,064 ∙ 6,02 ∙1023 =3,86 ∙ 1022

24

Fe %at=

1,06 ∙10 ∙100 %=96,52 % 1,06 ∙ 1024 +3,86 ∙ 1022 22

C %at=



3,86 ∙10 ∙100 %=3,48 % 24 22 1,06 ∙ 10 +3,86 ∙ 10

Stop 3: 12 % mas . Nb 88 % mas . Al

Nb: n=

12 =0,129 92,91 23

at=0,129 ∙ 6,02∙ 10 =7,77 ∙ 10

Al: n=

22

88 =3,26 26,89

at=3,26 ∙ 6,02∙ 1023 =1,96 ∙ 1024 Nb %at=

7,77 ∙10 22 ∙100 %=3,81 % 7,77 ∙ 1022 +1,96 ∙ 1024 24

1,96 ∙10 ∙100 %=96,19 % Al %at= 7,77 ∙ 1022 +1,96 ∙ 1024

6

Zadanie 2 Narysuj i opisz schemat mikrostruktury stopów dwuskładnikowych z układu Mg-Pb jaka będzie obserwowana w następujących warunkach.

a) Stop Mg – 20% mas. Pb, temperatura 600, 400 i 200oC

7

b) Stop Pb – 10% mas. Mg, temperatura 400, 300 i 200oC

8

Zadanie 3 Korzystając z reguły faz Gibbsa oblicz liczbę stopni swobody (zmiennych niezależnych) układu Ag-Au w następujących warunkach: a) T=960,5oC; 100% mas. Ag m = 1; f = 2; s=m−f +1 s=1 −2+1=0 s=0 → układ niezmienny

b) T=1000oC; 35% mas. Au m = 2; f = 2; s=m−f +1 s=2 −2+1=1 s=1 →układ jednozmienny

c) T=950oC; 60% mas. Au m = 2; f = 1; s=m−f +1 s=2 −1+1=0 s=2 →układ dwuzmienny

9

Zadanie 4 Oblicz objętość względną fazy ciekłej i fazy α w układzie Ag-Au w następujących warunkach:

Wykres do zadania:

a) T=1050oC; 50% mas. Au W powyższych warunkach objętość względna fazy ciekłej ma wartość względna fazy α jest równa α=0 %

L=100 % , objętość

b) T=1017oC; 50% mas. Au L=

AB ∙100 % AC

L=

C1−C2 ∙ 100 % C3 −C2

L=

55−45 ∙ 100 % 55−45

L=50 % → objętość w fazie ciekłej

α=

AB ∙100 % AC

α=

C3−C 1 ∙ 100 % C3−C 2

α=

55−50 ∙ 100 % 55−45

α =50 %→ objętość fazy α 10

c) T=925oC; 50% mas. Au W powyższych warunkach objętość względna fazy ciekłej ma wartość względna fazy α jest równa α =100 % .

L=0 % , objętość

11

Zadanie 5 Korzystając z reguły faz Gibbsa oblicz liczbę stopni swobody (zmiennych niezależnych) układu równowagi Ag-Cu w następujących warunkach: a) T=750oC; 3% mas. Cu m = 2; f = 1; s=m−f +1 s=2 −1+1=0 s=2 →układ dwuzmienny

b) T=870oC; 60% mas. Cu m = 2; f = 2; s=m−f +1 s=2 −2+1=1 s=1 →układ jednozmienny

c) T=779,4oC; 28,1% mas. Cu m = 2; f = 1; s=m−f +1 s=2 −1+1=0 s=2 →układ dwuzmienny

12

Zadanie 6 Scharakteryzuj proces krystalizacji stopów z układu Ag-Cu (narysuj krzywe chłodzenia). a) b) c) d)

Ag – 15%. Mas. Cu Ag – 28,1%. Mas. Cu Ag – 70%. Mas. Cu Ag – 97%. Mas. Cu

13

Zadanie 7 Oblicz objętość względną w układzie Ag-Cu w następujących warunkach:

Wykres do zadania:

a) Fazy ciekłej i fazy α w stopie Ag – 15% mas. Cu w temperaturze T = 800o C C1 = 8 C2 = 15 C3 = 23 L=

23−15 ∙100 % 23−8

L=53,33 %−objętość względna fazy ciekłej

α=

15−8 ∙100 % 23−8

α =46,67 %→ objętość względna fazy α

14

b) Fazy α i fazy β Ag – 50% mas. Cu w temperaturze T = 600oC C1 = 5 C2 = 50 C3 = 98 β=

98−5 ∙100 % 98−5

β=51,61 %−objętość względna fazy β

α=

50−5 ∙100 % 98−5

α =48,39 % →objętość względna fazy α

15

Zadanie 8 Oblicz masę 1 cm3 eutektyki α+β w układzie Ag-Cu wiedząc, że oba pierwiastki mają strukturę regularną ściennie centrowaną.

Odpowiedź: Dane: MAg = 107,87 [g/mol], MCu = 63,55 [g/mol], Promień atomowy Ag: RAg = 0,144 [nm], Promień atomowy Cu: RCu = 0,128 [nm]. R=

a√ 2 4

Z tego wynika, że: a=

4R √2

a0 = a0 =

2 R Ag +2 R Cu

√2 2 ∙ 0,144+2 ∙ 0,128 √2

a0 =0,544 [ mm ]

V =ao3

V 0=0,057 ∙ 10−6 [ c m3 ]

−14

ρ=1,994 ∙ 10

[ ] g c m3

V E =1[c m3 ]

m E =ρ ∙V E m E =1,994 ∙10−14 ∙ 1

16

m E =1,994 ∙10

−14

[ g ] → mas a eutektyki

17...