Transcript FASDIAGRAM - Materials Engineering

FASDIAGRAM
OBS: Läs igenom handledningen före laborationen.
Avdelningen för materialteknik, LTH
Postadress Box 118 Besöksadress Ole Römers väg 1
http://www.material.lth.se
Materialteknik, LTH
2014-01-21
SYFTE
Syftet med den här laborationen är att ge förståelse för fasdiagrammens uppbyggnad och användning.
Teknologen skall även förstå innebörden av begreppen:
1.
2.
3.
4.
5.
Legeringssammansättning
Fasandelar
Fassammansättning
Strukturbeståndsdelar
Max löslighet
Beräknad tidsåtgång
Laborationen beräknas ta cirka 4 timmar.
2
Materialteknik, LTH
2014-01-21
INSTUDERINGSUPPGIFTER (Görs före laborationen)
Före laborationstillfället ska kap. 10.1-10.13, 11.3, 11.4 i "Callister & Rethwisch: Fundamentals of
Materials Science and Engineering, 4th Edition, SI version" vara genomlästa och nedanstående
uppgifter vara besvarade. Tag med läroboken till laborationen.
1 Det binära systemet visar vilka faser två komponenter tillsammans kan bilda. Komponenter
utgörs vanligtvis av två grundämnen, t.ex. aluminium, Al, och kisel, Si. Markera följande i
fasdiagrammet nedan.
a Komponenterna A och B.
b En skala i viktprocent för andelar av A och B.
c Enfasområdena  och  med dominans av komponenterna A resp. B.
d Enfasområdet L bestående av smälta.
e Tvåfasområdena +, +L och +L
f Likviduslinjen (=gränsen mellan helt smält tillstånd och begynnande stelning).
g Soliduslinjen (=gränsen mellan begynnande stelning och helt fast tillstånd).
h Eutektiska punkten.
i Solvuslinjerna.
C
900
I
II
III
IV
V
800
700
600
500
400
300
200
100
0
2 Beräkna med hjälp av hävstångsregeln andelarna i wt% av förekommande faser för
legeringarna I-V vid temperaturerna 100C och 500C.
500ºC
100ºC
I
II
III
IV
V
3
Materialteknik, LTH
2014-01-21
3 Då ett ämne ändrar fas är detta ofta förknippat med en ändring i entalpin. Då t.ex. is smälter och
övergår från fast till flytande form, så kallas det för smältentalpi. Om isen tillförs ett konstant
värmeflöde kan vi observera detta eftersom temperaturen kommer att ligga kvar vid 0° C en stund.
På samma sätt är det för metaller, men om vi befinner oss i ett tvåfasområde, så kanske bara den
ena fasen stelnar, vilket syns då tid-temperaturkurvan ändrar lutning. Antag att vi har sex olika
legeringar med komponenterna aluminium och kisel med följande kiselhalter:
a.
b.
c.
d.
e.
f.
Al - Si 0 wt%
Al - Si 10 wt%
Al - Si 12.6 wt%
Al - Si 15 wt%
Al - Si 35 wt%
Al - Si 100 wt%
På nästa sida finns sex stycken svalningskurvor. Försök att ange vilka sammansättningar och
svalningskurvor som hör ihop med ledning av nedanstående jämviktsdiagram för Al-Si.
Fasdiagram Al-Si (Aluminium - Kisel)
4
Materialteknik, LTH
2014-01-21
Avsvalningskurvor för Al-Si legering
800
800
750
750
700
700
o
o
T/ C
T/ C
650
650
600
600
550
550
500
500
0
5
10
0
15
5
10
15
10
15
t/min
t/min
800
800
750
750
700
700
o
o
T/ C
T/ C
650
650
600
600
550
550
500
500
0
5
10
15
0
5
t/min
t/min
1100
1900
1000
1700
1500
900
o
T/ C
1300
o
T/ C
800
1100
700
900
600
700
500
500
0
5
10
15
0
5
t/min
10
t/min
5
15
Materialteknik, LTH
2014-01-21
Laborationens utförande
Laborationen är uppdelad i fem delmoment (A-E)
A. Cu-Zn - systemet (Mässing)
B. Svalningskurvor för Sn-Bi (Tenn-Vismut)
C. Konstruktion av fasdiagram för Sn-Bi
D. Mikroskopisk undersökning av legeringen Sn-Bi
E. Slutsatser och kommentarer
6
Materialteknik, LTH
2014-01-21
A. Cu-Zn- systemet (Mässing)
Uppgift:
Sammansättningen hos en mässingslegering skall bestämmas genom
jämförelse av två prover av samma legering, vilka genomgått olika
värmebehandlingar. Genom att noggrant bestämma volymsandelarna av de
ingående faserna samt att känna till vilka dessa är, skulle legeringens
sammansättning kunna bestämmas på någon tiondels procent när. Här är
det dock tillräckligt med en uppskattning av fasernas volymsandelar genom
punkträkning. Se nästa sida för hur punkträkning går till.
Utrustning:
 Två prover av samma Cu-Zn-legering. Proverna har glödgats vid 475C
resp. 680C under tillräckligt lång tid för att jämvikt skall ha uppnåtts.
Därefter har de släckts i vatten. Kylningen har härvid varit så snabb att den
fasfördelning, som fanns vid glödgningstemperaturen, är densamma vid
rumstemperatur. Proverna är polerade och därefter etsade.
 Mikroskop med rutnätsokular.
Genomförande:
Bestäm andelarna ljus (kopparrik) resp. mörk (zinkrik) fas i de båda proverna
genom punkträkning. (Punkträkning finns beskrivet längre fram i PM:et.)
Tillräcklig noggrannhet erhålls om alla 121 punkterna i rutnätet räknas för ett
slumpvis valt områden i respektive prov. (Aeraandelarna approximeras med
viktandelarna i vårt fall)
Med ljus fas menas ljusrosa eller ljusgul fas, som verkar ganska opåverkad
av etsningen. Mörk fas avser områden som är gula/gröna till brunsvarta och
verkar etsade. Färgerna beror på hur etsingen har tagit och varierar från
prov till prov. Observera att mässinget även innehåller rent bly, vilket ses
som
svarta
rund
små
korn
som
finns
vid
korngränser.
Tips: Börja titta på prov som värmebehandlats vid 680oC.
7
Materialteknik, LTH
2014-01-21
Punkträkning
En strukturbeståndsdels volymandel, fA, är lika med dess ytandel i en godtycklig snittyta genom
kroppen. För ett prov med strukturbeståndsdelarna A och B gäller då
fA 
VA
SA
.

VA  VB S A  S B
(V=volym, S=area.)
Ytareorna SA och SB mäts genom punkträkning. Metoden grundar sig på att sannolikheten att en
godtyckligt placerad punkt hamnar inom ett A-område är proportionell mot den totala arean av Aområdena, SA. Med hjälp av ett mikroskop med ett speciellt okular erhålls en bild, som har ett rutnät
överlagrat sig. Man räknar antalet ”träffar” i A-områden och delar med totala antalet punkter. Träffar på
gränsen mellan A och B räknas som en halv träff.
I exemplet ovan träffar 9 punkter i vita områden. Andelen vit fas är således 9/15=60%. Felet är omvänt
proportionellt mot roten ur antalet avsökta punkter. Således bör ett stort antal synfält undersökas. I
denna laborationen räcker det dock att punkträkna två områden.
8
Materialteknik, LTH
ljus fas
2014-01-21
475°C
mörk fas
bly
ljus fas
680°C
mörk fas
bly
Antal
punkter
Andel (%)
Använd fasdiagrammet för Cu-Zn (sidan 9) för att bestämma legeringssammansättningen.
Ledning: Mässing med högre zinkhalt än 60wt% har p.g.a. sin sprödhet ej någon praktisk användning.
Svara på följande frågor:
a) Vilken medelsammansättning har legeringen?
__________wt%Cu __________wt%Zn __________wt%Pb
b) Vad kallas den ljusa fasen (beteckning)?________________________
c) Vilken sammansättning har den vid
475oC?______________________________________________________________
680oC?______________________________________________________________
d) Vad kallas den mörka fasen?__________________________________
e) Vilken sammansättning har den vid
475oC?______________________________________________________________
680oC?______________________________________________________________
f) Varför är kornen större vid den ena temperaturen än vid den andra? _____________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
9
Materialteknik, LTH
2014-01-21
Fasdiagram Cu-Zn (Mässing)
10
Materialteknik, LTH
2014-01-21
B. Svalningskurvor för Sn-Bi (Tenn-Vismut)
Uppgift:
Laborationen genomföres i 2 grupper. Varje grupp skall ta fram fyra
svalningskurvor för olika medelsammansättningar av Sn-Bi, så att ett
fasdiagram kan framställas. Hela laborationsgruppen sätter sedan
gemensamt samman ett fasdiagram för Bi-Sn utgående från
svalningskurvorna.
Genomförande:
Lab.handledaren har i förväg vägt upp vismut och tenn i olika proportioner,
sammanlagt 100g material i varje degel. Någon student får hjälpa till att väga
upp en av blandningarna vid själva lab.tillfället. Deglarna är märkta med
wt%-halten Bi som finns i. Sätt in deglarna i ugnen och låt materialet smälta.
Tag sedan ut deglarna, stoppa i termoelementen och starta
dataupptagningen. Rör försiktigt om med termoelementen med det samma
så att smältan blir så homogen som möjligt, låt sedan termoelementet vara
stilla i mitten av smältan. Försöket börjar vid 350C, och avbryts vid 50C.
Var försiktig med termoelementen, som nu sitter fast i degeln. Värm upp
igen m h a gasolbrännare tills legeringen smälter och ta bort
termoelementen.
Med utgångspunkt från de totalt åtta svalningskurvorna konstruerar
laborationsgruppen ett fasdiagram för Bi-Sn. Se uppgift C.
Termoelement
(nummer)
Vikts-%
vismut
Brytningstemperatur 1
(C)
11
Brytningstemperatur 2
(C)
Anmärkning
Materialteknik, LTH
2014-01-21
C. Konstruktion av fasdiagram för Sn-Bi
Med hjälp av temperaturkurvorna från moment B ritas nu ett fasdiagram upp gemensamt.
T / oC
0
Bi wt%
12
100
Materialteknik, LTH
2014-01-21
D. Mikroskopisk undersökning av legeringen Sn-Bi
Utrustning:
 Fotografier av Sn-Bi-prov med olika sammansättning, 40 resp 60wt% Bi.
 Fasdiagrammet från uppgift C.
Genomförande:
Studera fotografierna. Rita av mikrostrukturerna hos två bilderna. Identifiera
närvarande strukturbeståndsdelar och faser och ange dessa i de ritade
figurerna. Bestäm, med hjälp av fasdiagrammet, deras sammansättning.
Strukturbilder:
Prov 1 - _______wt%Bi
Strukturbeståndsdelar:
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
_____________________
Faser:
13
Prov 2 - _______wt%Bi
Materialteknik, LTH
2014-01-21
E. Slutsatser och kommentarer
Definiera fas: ___________________________________________________
Definiera korn: __________________________________________________
Definiera strukturbeståndsdel: ______________________________________
Vad är underkylning?______________________________________________
Vad är dendriter?_________________________________________________
Vad är primärutskiljningar?__________________________________________
Obs! Fasdiagram = Jämviktsdiagram
14