Добавлен: 07.12.2023
Просмотров: 25
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Федеральное агентство связи Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики Межрегиональный учебный центр переподготовки специалистов Курсовая работа по дисциплине Материаловедение
Выполнил: Чащина А.А.
Группа: ТБТ-11 Вариант Проверила Гришина ИВ. Новосибирск, 2022
Выполнил: Чащина А.А.
Группа: ТБТ-11 Вариант Проверила Гришина ИВ. Новосибирск, 2022
Цель работы построение на основании данных термического анализа диаграммы состояния (диаграммы плавкости) системы с последующим проведением ее анализа и выполнением необходимых расчетов. Теоретическая часть.
1. Что такое фаза Фаза в электричестве имеет два понятия. Фаза применима к переменному току, В каждое мгновение ток меняет свое значение от нуля до максимума и снова до нуля. Затем течет в обратном направлении от нуля до максимума и снова до нуля. Получается колебательный процесс. с определенным периодом. Так вот любая точка времени в этом периоде называется фазой тока (напряжения. Теперь, чисто практическое название фазы. Для простоты представим себе однофазную систему. Есть генератор, кот. вырабатывает напряжение между началом и концом обмотки. Если эти концы не заземлены, то можно любой провод обозвать фазой, а другой нулем, потому как при подключении нагрузки ток течет то тот начала вконец обмотки, то наоборот. Но вот, если один конец заземлить, то напряжение между заземленным концом и самой землёй в идеале будет равно нулю. Поэтому этот конец таки назвали. Ну а другой естественно стал называться фазой. В трёхфазной системе концы х обмоток генератора соединены между собой и выведен один общий проводник, который заземлен и называется нулём, ну а остальные - фазами.
2. Что такое фазовый переход Фазовый перехо́д (фазовое превращение) в термодинамике — переход вещества из одной термодинамической фазы в другую при изменении внешних условий. Сточки зрения движения системы по фазовой диаграмме при изменении её интенсивных параметров (температуры, давления и т. п, фазовый переход происходит, когда система пересекает линию, разделяющую две фазы. Поскольку разные термодинамические фазы
1. Что такое фаза Фаза в электричестве имеет два понятия. Фаза применима к переменному току, В каждое мгновение ток меняет свое значение от нуля до максимума и снова до нуля. Затем течет в обратном направлении от нуля до максимума и снова до нуля. Получается колебательный процесс. с определенным периодом. Так вот любая точка времени в этом периоде называется фазой тока (напряжения. Теперь, чисто практическое название фазы. Для простоты представим себе однофазную систему. Есть генератор, кот. вырабатывает напряжение между началом и концом обмотки. Если эти концы не заземлены, то можно любой провод обозвать фазой, а другой нулем, потому как при подключении нагрузки ток течет то тот начала вконец обмотки, то наоборот. Но вот, если один конец заземлить, то напряжение между заземленным концом и самой землёй в идеале будет равно нулю. Поэтому этот конец таки назвали. Ну а другой естественно стал называться фазой. В трёхфазной системе концы х обмоток генератора соединены между собой и выведен один общий проводник, который заземлен и называется нулём, ну а остальные - фазами.
2. Что такое фазовый переход Фазовый перехо́д (фазовое превращение) в термодинамике — переход вещества из одной термодинамической фазы в другую при изменении внешних условий. Сточки зрения движения системы по фазовой диаграмме при изменении её интенсивных параметров (температуры, давления и т. п, фазовый переход происходит, когда система пересекает линию, разделяющую две фазы. Поскольку разные термодинамические фазы
описываются различными уравнениями состояния, всегда можно найти величину, которая скачкообразно меняется при фазовом переходе.
3. Какое состояние называется равновесным Равновесным называется такое состояние, которое характеризуется при постоянных внешних условиях неизменностью параметров во времени и отсутствием в системе потоков. Состояние термодинамической системы, при котором во всех ее частях температура одинакова, называют термическим равновесным состоянием.
4. Сформулируйте правило фаз Гиббса и поясните его физический смысл. Является законом фазового равновесия. Оно представляет собой математическое выражение условий равновесия системы, то есть показывает количественную зависимость между числом степеней свободы системы (С, числом независимых компонентов (К) и числом фаз (Ф. Если на равновесие в системе влияет n внешних факторов, то правило фаз Гиббса запишется следующим образом С = К – Ф + n (1) Из уравнения (1) следует, что число степеней свободы (С) возрастает с увеличением числа независимых компонентов (К) и уменьшается приросте числа фаз (Ф. Для однокомпонентной (К = 1) системы при изменении двух внешних факторов температуры и давления (n = 2), максимальное количество фаз равно трем (твердая, жидкая и газообразная. Правило фаз Гиббса для однокомпонентной системы в равновесной термодинамической системе, на которую из внешних факторов оказывают влияние только температура и давление, число термодинамических степеней свободы равно числу компонентов минус число фаз плюс два.
5. Какой компонент называется независимым Независимыми компонентами называют независимые составные части системы, те. индивидуальные вещества, наименьшее число которых достаточно для образования всех фаз данной системы, находящейся в
3. Какое состояние называется равновесным Равновесным называется такое состояние, которое характеризуется при постоянных внешних условиях неизменностью параметров во времени и отсутствием в системе потоков. Состояние термодинамической системы, при котором во всех ее частях температура одинакова, называют термическим равновесным состоянием.
4. Сформулируйте правило фаз Гиббса и поясните его физический смысл. Является законом фазового равновесия. Оно представляет собой математическое выражение условий равновесия системы, то есть показывает количественную зависимость между числом степеней свободы системы (С, числом независимых компонентов (К) и числом фаз (Ф. Если на равновесие в системе влияет n внешних факторов, то правило фаз Гиббса запишется следующим образом С = К – Ф + n (1) Из уравнения (1) следует, что число степеней свободы (С) возрастает с увеличением числа независимых компонентов (К) и уменьшается приросте числа фаз (Ф. Для однокомпонентной (К = 1) системы при изменении двух внешних факторов температуры и давления (n = 2), максимальное количество фаз равно трем (твердая, жидкая и газообразная. Правило фаз Гиббса для однокомпонентной системы в равновесной термодинамической системе, на которую из внешних факторов оказывают влияние только температура и давление, число термодинамических степеней свободы равно числу компонентов минус число фаз плюс два.
5. Какой компонент называется независимым Независимыми компонентами называют независимые составные части системы, те. индивидуальные вещества, наименьшее число которых достаточно для образования всех фаз данной системы, находящейся в
равновесном состоянии. Содержание в системе каждого из таких компонентов не зависит от содержания других. По числу независимых компонентов система может быть одно, двух, трех, четырехкомпонентной и т. д.
По числу независимых компонентов системы разделяют на однокомпонентные, двухкомпонентные, трехкомпонентные и т. д. многокомпонентные.
6. Какие задачи решаются с помощью физико-химического анализа
Физико-химический анализ позволяет установить наличие полиморфных превращений при исследовании однокомпонентных, двойных бинарных) и более сложных физико-химических систем, природу образующихся фаз и области их существования в зависимости от температуры, состава и давления, а также проанализировать образование метастабильных фаз, устойчивых лишь в ограниченной области температур, давлений и соотношений компонентов. Результатом физико-химического анализа является фазовая диаграмма состояния - графический образ всех достижимых состояний в физико- химической системе. Фазовая диаграмма является той теоретической основой, без которой невозможно создание полноценной технологии получения вещества с наперед заданными свойствами.
7. Что представляет собой диаграмма состояния сплава Диаграмма состояния представляет собой графическую зависимость состояния сплавов данной системы от их концентрации (химического состава) и температуры. По ней можно установить, какие превращения происходят в сплавах при нагреве и охлаждении, определить, при каких температурах произойдет затвердевание. Диаграммы состояния строят экспериментальным путем на основе результатов термического анализа, изучения структур сплавов в твердом состоянии, по результатам физических методов исследований.
По числу независимых компонентов системы разделяют на однокомпонентные, двухкомпонентные, трехкомпонентные и т. д. многокомпонентные.
6. Какие задачи решаются с помощью физико-химического анализа
Физико-химический анализ позволяет установить наличие полиморфных превращений при исследовании однокомпонентных, двойных бинарных) и более сложных физико-химических систем, природу образующихся фаз и области их существования в зависимости от температуры, состава и давления, а также проанализировать образование метастабильных фаз, устойчивых лишь в ограниченной области температур, давлений и соотношений компонентов. Результатом физико-химического анализа является фазовая диаграмма состояния - графический образ всех достижимых состояний в физико- химической системе. Фазовая диаграмма является той теоретической основой, без которой невозможно создание полноценной технологии получения вещества с наперед заданными свойствами.
7. Что представляет собой диаграмма состояния сплава Диаграмма состояния представляет собой графическую зависимость состояния сплавов данной системы от их концентрации (химического состава) и температуры. По ней можно установить, какие превращения происходят в сплавах при нагреве и охлаждении, определить, при каких температурах произойдет затвердевание. Диаграммы состояния строят экспериментальным путем на основе результатов термического анализа, изучения структур сплавов в твердом состоянии, по результатам физических методов исследований.
Диаграмма состояния сплавов, образующих неограниченные твердые растворы. Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы. Диаграмма состояния сплавов, образующих неограниченные твердые растворы и перитектику.
8. В каких координатах строится диаграмма состояния Диаграмма строится в координатах по горизонтали – химсостав, по вертикали – температура.
9. Какую информацию дает диаграмма состояния Зная диаграмму состояния, можно представить полную картину формирования структуры любого сплава, выбрать режимы литья, термической обработки и обработки давлением.
10. Что такое фигуративная точка, ликвидус, солидус, эвтектика Точка, изображающая состояние системы, то есть ее состав, температуру, давление и т.д. называется фигуративной точкой Ликвидус - на фазовых диаграммах линия полного плавления твёрдых фаз. Схожее, но противоположное, понятие - солидус. Температура ликвидуса (по H.Yoder, 1976) TL - это максимальная температура насыщения первичной твёрдой фазой расплава данного валового состава. Выше этой температуры система полностью жидкая. Иными словами, это температура, при которой в равновесных условиях выпадает первый кристалл. Хотя при понижении температуры будет выпадать всё больше кристаллов, возможно получение однородного вещества при T < TL путём достаточно быстрого охлаждения, тес помощью кинетического ингибирования процесса кристаллизации. В системе переменного состава ликвидус является геометрическим местом точек в координатах
Температура-Состав, отвечающим максимальному насыщению твёрдой фазой расплавленной фазы.
8. В каких координатах строится диаграмма состояния Диаграмма строится в координатах по горизонтали – химсостав, по вертикали – температура.
9. Какую информацию дает диаграмма состояния Зная диаграмму состояния, можно представить полную картину формирования структуры любого сплава, выбрать режимы литья, термической обработки и обработки давлением.
10. Что такое фигуративная точка, ликвидус, солидус, эвтектика Точка, изображающая состояние системы, то есть ее состав, температуру, давление и т.д. называется фигуративной точкой Ликвидус - на фазовых диаграммах линия полного плавления твёрдых фаз. Схожее, но противоположное, понятие - солидус. Температура ликвидуса (по H.Yoder, 1976) TL - это максимальная температура насыщения первичной твёрдой фазой расплава данного валового состава. Выше этой температуры система полностью жидкая. Иными словами, это температура, при которой в равновесных условиях выпадает первый кристалл. Хотя при понижении температуры будет выпадать всё больше кристаллов, возможно получение однородного вещества при T < TL путём достаточно быстрого охлаждения, тес помощью кинетического ингибирования процесса кристаллизации. В системе переменного состава ликвидус является геометрическим местом точек в координатах
Температура-Состав, отвечающим максимальному насыщению твёрдой фазой расплавленной фазы.
В стекольной промышленности точка ликвидуса важна, потому что кристаллизация может привести к порче продукта вовремя плавления и формирования стекла. Солидус (от латинского solidus «твёрдый» ) — линия на фазовых диаграммах, на которой исчезают последние капли расплава, или температура, при которой плавится самый легкоплавкий компонент. Иными словами, солидус — кривая, которая показывает для каждой температуры состав твёрдой фазы, которая может находиться в равновесии с жидкой. Эвтектика (от греч. eutektos — легкоплавящийся) — состав смеси двух и более компонентов, плавящийся при минимальной температуре. Также смеси, в которых компоненты не реагируют с друг другом и не растворяются вдруг друге часто являются эвтектическими. Эвтектические смеси плавятся при строго определённой температуре, в то время как неэвтектические плавятся в диапазоне температур.
11. Как изменяется состав жидкой части кристаллизующейся смеси Состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидуса, а состав твердой фазы – по линии солидуса. С понижением температуры состав фаз изменяется в сторону уменьшения содержания компонента В.
12. Как определяется концентрация фаз Проводят облучение пробы анализируемого вещества насыщенной толщины монохроматическим гамма- или рентгеновским излучением, регистрацию интенсивностей когерентно рассеянного определяемой фазой некогерентно рассеянного веществом пробы первичного излучения. Концентрацию определяемого элемента в анализируемой пробе рассчитывают по аналитическому сигналу, представляющему собой отношение вышеуказанных интенсивностей, регистрируемых одновременно или последовательно. Технический результат повышение точности измерений. 3 ил.
11. Как изменяется состав жидкой части кристаллизующейся смеси Состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидуса, а состав твердой фазы – по линии солидуса. С понижением температуры состав фаз изменяется в сторону уменьшения содержания компонента В.
12. Как определяется концентрация фаз Проводят облучение пробы анализируемого вещества насыщенной толщины монохроматическим гамма- или рентгеновским излучением, регистрацию интенсивностей когерентно рассеянного определяемой фазой некогерентно рассеянного веществом пробы первичного излучения. Концентрацию определяемого элемента в анализируемой пробе рассчитывают по аналитическому сигналу, представляющему собой отношение вышеуказанных интенсивностей, регистрируемых одновременно или последовательно. Технический результат повышение точности измерений. 3 ил.
13. Как определяется количественное соотношение фаз Количественное соотношение фаз или структурных составляющих определяется правилом отрезков, согласно которому в данном сплаве при заданной температуре количество структурных или фазовых составляющих прямо пропорционально величине противолежащих отрезков.
14. Сформулируйте правило рычага. Правило рычага отношение масс жидкой и твердой фазы обратно пропорционально отношению отрезков, на которые делит данная фигуративная точка конноду (ноду).
15. Что такое эвтектика Эвтектика (от греч. eutektos — легкоплавящийся) — состав смеси двух и более компонентов, плавящийся при минимальной температуре. Также смеси, в которых компоненты не реагируют с друг другом и не растворяются вдруг друге часто являются эвтектическими. Эвтектические смеси плавятся при строго определённой температуре, в то время как неэвтектические плавятся в диапазоне температур.
16. Какие типы диаграмм состояния вызнаете Вид диаграммы состояния определяется характером взаимодействия между компонентами сплавав твёрдом и жидком состояниях. При этом предполагается, что в жидком состоянии между компонентами существует неограниченная растворимость и компоненты образуют однородный жидкий раствор. В твёрдом состоянии компоненты могут образовать сплавы в виде механических смесей из чистых компонентов, неограниченные твёрдые растворы, ограниченные твёрдые растворы, устойчивые химические соединения. Чистые металлы представляют однокомпонентные системы, сплавы из двух элементов — двухкомпонентные системы и т. д. Диаграмм состояния строят для двухкомпонентных и трёхкомпонентных сплавов. Диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов представляют собой график, по оси
ординат которого откладывают температуру, а по оси абсцисс — состав сплава. Диаграммы состояния позволяют правильно выбирать режимы термической обработки, температуру заливки литейных сплавов в формы при получении отливок, режимы нагрева сплавов при обработке давлением и т. п. Кроме того диаграммы состояния дают наглядное представление о зависимости фазового состава и структуры сплава от температуры и концентрации. Они позволяют предвидеть изменение свойств сплавов. Большинство сплавов, применяемых в технике, состоит более чем из двух элементов. Если количество третьего элемента незначительно, то систему можно практически рассматривать как двойную. Если концентрация третьего элемента значительна или когда влияние третьего элемента на структуру и свойства очень велико, строят диаграммы состояния тройных сплавов. Диаграммы состояния, дающие наглядные представления о превращениях в двойных металлических сплавах при нагреве и охлаждении, строят опытным путем. Существует несколько видов диаграмм состояний двойных сплавов. Диаграмма первого типа характеризует сплавы, состоящие из элементов, которые в твердом состоянии образуют механическую смесь эвтектику) (рис. 1). В таких сплавах различная концентрация элементов вызывает изменение температуры начала кристаллизации (линия АСВ), а температура конца затвердевания одинакова для всех сплавов данной системы и не зависит от их состава (линия DCE).
Рис Диаграмма состояния, кривые охлаждения и схемы структур сплавов системы Pb – Sb при полном охлаждении до комнатной температуры Остановка на кривой охлаждения свидетельствует о том, что процесс превращения происходит полностью. Линию АСВ, соединяющую все точки начала кристаллизации сплавов, называют линией ликвидуса (по латыни означает жидкий. Все сплавы, лежащие выше этой линии, находятся в жидком состоянии. Линию конца затвердевания сплавов DCE называют линией солидуса (по латыни означает твердый. Все сплавы, лежащие ниже линии солидуса, находятся в твердом состоянии. В промежутке между этими линиями сплав состоит из двух фаз жидкой и твердой. Температура плавления свинца 327 С, а сурьмы 631 С. Сплав из 13 % сурьмы и 87 % свинца является эвтектическим. Практическая часть. Вариант № 14
T
1
,
K
а
в
с
d
е
T
2
, Системы
22,2
35,8
37,6
40
47
50,6
53
61,6
66,8
74,6
80,6
81,6
84,8
100 АС
B—NaCl
Т
кр
1073
1052
1033
989
975
983
999
1003
983
753
680
641
622
642
697
859
Задание 2 Обозначены фигуративные точки
I - жидкий расплав, содержащий, 45 % вещества FeCl
3
при температуре
1033 К. Найдем на оси абсцисс точку, соответствующую составу 45 % FeCl
3
– это точка а. На оси ординат отмечаем температуру T
1
= 1033 К. На пересечении линий получаем точку I, которая расположена в области выше линии ликвидуса, те. в области жидкого расплава.
II — расплав, содержащий, 45 % вещества FeCl
3
, находящийся в равновесии с кристаллами химического соединения. Аналогичным образом найдем на оси абсцисс точку, соответствующую составу 45 % FeCl
3
– это точка К. Восстановим перпендикуляр до пересечения с линией ликвидуса и получим точку II.
III — систему, состоящую из твердого вещества FeCl
3
, находящегося в равновесии с расплавом, содержащим 95 % вещества FeCl
3
. Найдем на оси абсцисс точку, соответствующую составу 95 % FeCl
3
– это точка L.
I - жидкий расплав, содержащий, 45 % вещества FeCl
3
при температуре
1033 К. Найдем на оси абсцисс точку, соответствующую составу 45 % FeCl
3
– это точка а. На оси ординат отмечаем температуру T
1
= 1033 К. На пересечении линий получаем точку I, которая расположена в области выше линии ликвидуса, те. в области жидкого расплава.
II — расплав, содержащий, 45 % вещества FeCl
3
, находящийся в равновесии с кристаллами химического соединения. Аналогичным образом найдем на оси абсцисс точку, соответствующую составу 45 % FeCl
3
– это точка К. Восстановим перпендикуляр до пересечения с линией ликвидуса и получим точку II.
III — систему, состоящую из твердого вещества FeCl
3
, находящегося в равновесии с расплавом, содержащим 95 % вещества FeCl
3
. Найдем на оси абсцисс точку, соответствующую составу 95 % FeCl
3
– это точка L.
Восстановим перпендикуляр до пересечения с линией ликвидуса и получим точку L’. Любой сплав, при температуре, соответствующей L’ с содержанием компонента FeCl
3
от 100 до 95 % можно отметить точкой III.
IV — равновесие фаз одинакового состава. Точка соответствует началу кристаллизации химического соединения Х. Вначале кристаллизации в равновесии находятся кристаллы этого химического соединения и расплава одного химического состава.
V — равновесие трех фаз. Равновесие трех фаз имеет место в точках эвтектики E1 и E2. В этих точках система состоит из расплава и двух кристаллических фаз одновременно. Задание 3. Определите состав устойчивого химического соединения. Для этого между двух точек с наименьшей температурой плавления Е и Е найдем точку с наибольшей температурой плавления Х. Опустим перпендикулярна ось концентраций и получим состав 50,6 % FeCl
3 и 49,4 %
NaCl. Обозначим формулу интерметаллического соединения через Нетрудно показать, что x:y
=
N(A):N(B)
=
N
A
:N
B
, где N(A) и N(B) – число молекул Аи В соответственно,
- число Авогадро, и
- количества веществ Аи В соответственно,
=
– общее число моль Аи В в системе. Таким образом, если состав смеси выражен в молярных %, то x:y= N
A
:N
B
=50,6 : 49,4, соответственно очень сложно расчитать точное стехиометрическое соотношение. Формула интерметаллического соединения может быть записана как в общем виде, или (Задание 4. Определите качественный и количественный составы эвтектик. Рассмотрим эвтектику, соответствующую точке Е. Кристаллическими фазами, входящими в состав этой эвтектики являются расположенные справа и слева от нее чистые компоненты –
3
от 100 до 95 % можно отметить точкой III.
IV — равновесие фаз одинакового состава. Точка соответствует началу кристаллизации химического соединения Х. Вначале кристаллизации в равновесии находятся кристаллы этого химического соединения и расплава одного химического состава.
V — равновесие трех фаз. Равновесие трех фаз имеет место в точках эвтектики E1 и E2. В этих точках система состоит из расплава и двух кристаллических фаз одновременно. Задание 3. Определите состав устойчивого химического соединения. Для этого между двух точек с наименьшей температурой плавления Е и Е найдем точку с наибольшей температурой плавления Х. Опустим перпендикулярна ось концентраций и получим состав 50,6 % FeCl
3 и 49,4 %
NaCl. Обозначим формулу интерметаллического соединения через Нетрудно показать, что x:y
=
N(A):N(B)
=
N
A
:N
B
, где N(A) и N(B) – число молекул Аи В соответственно,
- число Авогадро, и
- количества веществ Аи В соответственно,
=
– общее число моль Аи В в системе. Таким образом, если состав смеси выражен в молярных %, то x:y= N
A
:N
B
=50,6 : 49,4, соответственно очень сложно расчитать точное стехиометрическое соотношение. Формула интерметаллического соединения может быть записана как в общем виде, или (Задание 4. Определите качественный и количественный составы эвтектик. Рассмотрим эвтектику, соответствующую точке Е. Кристаллическими фазами, входящими в состав этой эвтектики являются расположенные справа и слева от нее чистые компоненты –