FASDIAGRAM OBS: Läs igenom handledningen före laborationen.

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "FASDIAGRAM OBS: Läs igenom handledningen före laborationen."

Ulla Nyberg
för 7 år sedan
Visningar:

1 FASDIAGRAM OBS: Läs igenom handledningen före laborationen. Avdelningen för materialteknik, LTH Postadress Box 118 Besöksadress Ole Römers väg 1

2 SYFTE Syftet med den här laborationen är att ge förståelse för fasdiagrammens uppbyggnad och användning. Teknologen skall även förstå innebörden av begreppen: 1. Legeringssammansättning 2. Fasandelar 3. Fassammansättning 4. Strukturbeståndsdelar 5. Max löslighet Beräknad tidsåtgång Laborationen beräknas ta cirka 4 timmar. 2

3 INSTUDERINGSUPPGIFTER (Görs före laborationen) Före laborationstillfället ska kap , 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 Beräkna med hjälp av hävstångsregeln andelarna i wt% av förekommande faser för legeringarna I-V vid temperaturerna 100 C och 500 C. I II III IV V 500ºC 100ºC 3

4 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. Al - Si 0 wt% b. Al - Si 10 wt% c. Al - Si 12.6 wt% d. Al - Si 15 wt% e. Al - Si 35 wt% f. 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

5 Avsvalningskurvor för Al-Si legering T/ o C T/ o C t/min t/min T/ o C T/ o C t/min t/min T/ o C T/ o C t/min t/min 5

6 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

7 A. Cu-Zn- systemet (Mässing) Uppgift: Utrustning: Genomförande: 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. 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. 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 680 o C. 7

8 Punkträkning En strukturbeståndsdels volymandel, f A, är lika med dess ytandel i en godtycklig snittyta genom kroppen. För ett prov med strukturbeståndsdelarna A och B gäller då f A VA V V A B SA S S A B. (V=volym, S=area.) Ytareorna S A och S B 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 A- områdena, S A. 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

9 Antal punkter Andel (%) 475 C 680 C ljus fas mörk fas bly ljus fas mörk fas bly 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 475 o C? 680 o C? d) Vad kallas den mörka fasen? e) Vilken sammansättning har den vid 475 o C? 680 o C? f) Varför är kornen större vid den ena temperaturen än vid den andra? 9

10 Fasdiagram Cu-Zn (Mässing) 10

11 B. Svalningskurvor för Sn-Bi (Tenn-Vismut) Uppgift: Genomförande: 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. 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) Brytningstemperatur 2 ( C) Anmärkning 11

12 C. Konstruktion av fasdiagram för Sn-Bi Med hjälp av temperaturkurvorna från moment B ritas nu ett fasdiagram upp gemensamt. T / o C 0 Bi wt%

13 D. Mikroskopisk undersökning av legeringen Sn-Bi Utrustning: Genomförande: Fotografier av Sn-Bi-prov med olika sammansättning, 40 resp 60wt% Bi. Fasdiagrammet från uppgift C. 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 Prov 2 - wt%bi Strukturbeståndsdelar: Faser: 13

14 E. Slutsatser och kommentarer Definiera fas: Definiera korn: Definiera strukturbeståndsdel: Vad är underkylning? Vad är dendriter? Vad är primärutskiljningar? Obs! Fasdiagram = Jämviktsdiagram 14

Relevanta dokument

Material. VT1 1,5 p Janne Färm

Material. VT1 1,5 p Janne Färm Material VT1 1,5 p Janne Färm Torsdag 12:e Februari 10:15 12:00 Föreläsning M4 KPP045 Material-delen Förmiddagens agenda Introduktion till fasta lösningar och fasdiagram Stelning : Kapitel 9 fortsättning