Материал: Методические указания к выполнению лабораторных работ № 3, 4 по дисциплине «Материалы электронной техники». Новокрещенова Е.П

10. Для этих же сплавов, используя правило рычага (п. 2.5), определить массовую долю твердой и жидкой фаз и отношение масс этих фаз.

Задание № 2. Анализ диаграммы MgO – NiO

Цель работы – 1) ознакомиться с диаграммой состояния сплавов MgO – NiO - рис. 27;

2) используя правило рычага, определить долю жидкой фазы в зависимости от содержания NiO в керамике.

1. Укажите, какие линии присутствуют на диаграмме.

2. Укажите фазы данной системы.

3. К какому типу диаграмм относится данная диаграмма состояния?

4. Постройте график зависимости молярной доли жидкой фазы от содержания NiO в керамике MgO – NiO при температуре Т, указанной в варианте табл. 2. График следует начертить под диаграммой состояния, чтобы оси концентраций графика и диаграммы совпадали.

Рис. 27. Диаграмма состояния MgO – NiO

Таблица 2

Задание 3. Построение диаграмм фазовых равновесий

Цель работы - получить навыки построения диаграмм состояний.

Для построения диаграммы состояния вы выполнили следующие операции:

• подготовили набор сплавов различного состава, включая чистые компоненты А и В;

• поместили в тигель каждый состав, расплавили его и медленно охладили, построили кривую охлаждения и изучили микроструктуру затвердевшего сплава под микроскопом.

Эксперимент дал следующие результаты:

Вариант №1

• чистый металл А: структура ГЦК, атомный радиус 0,128 нм, температура плавления 1083 ℃;

• чистый металл В: структура ГЦК, атомный радиус 0,125 нм, температура плавления 1453 ℃;

• полная взаимная растворимость обоих металлов в жидком и твердом состояниях;

• при охлаждении жидкого сплава с содержанием 50 ат. % В первая твердая фаза появляется при 1305 ℃. Эта фаза содержит 64 ат. % В;

• при дальнейшем охлаждении остающаяся жидкая фаза существует до 1240 ℃. В этот момент она содержит 34 ат. % В.

Используя результаты эксперимента необходимо:

• построить диаграмму состояния системы A–B в удобном для анализа масштабе (по осям концентрации и температуры) и указать на диаграмме известные составы и температуры;

• на данной диаграмме состояния указать фазы и структурные составляющие, присутствующие в каждой области;

• нарисовать схему микроструктуры образца, содержащего 10, 20, 30, 50, 60 и 80 ат. %В;

• оценить размер элементарной ячейки твердого раствора, содержащего 10, 30, 50, 60, 75 и 90 ат. % В.

Вариант № 2

• чистый компонент A затвердевает при 1000 °С;

• чистый компонент B затвердевает при 1250 °С;

• сплав, содержащий 40 вес. % B, кристаллизуется при постоянной температуре 750 °С;

• при 750° С и концентрациях В менее 15 вес. % сплав является однофазным (α-фаза);

• при 750 °С и концентрациях В более 70 вес. % сплав является однофазным (β-фаза);

• α- и β-фазы – твердые растворы; других твердых фаз в данной системе нет при любых температурах и концентрациях;

• максимальная растворимость В в α-фазе при комнатной температуре – 3 вес. % В;

• максимальная растворимость A в β-фазе при комнатной температуре – 28 вес. % A (72 вес. % В).

Используя результаты эксперимента необходимо:

• построить диаграмму состояния системы A–B в удобном для анализа масштабе (по осям отложив концентрации и температуры), указать на диаграмме известные составы и температуры;

• на данной диаграмме состояния указать фазы и структурные составляющие, присутствующие в каждой области;

• нарисовать схему микроструктуры образца, содержащего 10, 20, 40, 50, 75 и 90 вес. %В; образец медленно охлаждался от 1300°С до комнатной температуры (20°С).

Вариант № 3

• чистый компонент А: температура плавления 470 ℃;

• чистый компонент В: температура плавления 803 ℃;

• конгруэнтно-плавящееся химическое соединение А₂В: температура плавления 1210 ℃;

• максимальная растворимость компонента В в соединении А₂В соответствует температуре 520 ℃ и составляет 10 ат. % В. При комнатной температуре (20 ℃) растворимость снижается до 5 ат. % В;

• других твердых растворов и химических соединений в системе А-В не образуется;

• жидкий раствор, содержащий 75 ат.% В, кристаллизуется при постоянной температуре 520 ℃;

• жидкий раствор, содержащий 15 ат.% В, кристаллизуется при постоянной температуре 300 ℃.

Используя результаты эксперимента необходимо:

• построить диаграмму состояния системы A–B в удобном для анализа масштабе (по осям отложив концентрации и температуры), указать на диаграмме известные составы и температуры;

• на данной диаграмме состояния указать фазы и структурные составляющие, присутствующие в каждой области;

• нарисовать схему микроструктуры образца, содержащего 10, 15, 33, 50, 75 и 90 ат. %В; образец медленно охлаждался от 1300°С до комнатной температуры (20°С).

Задание № 4. Расчет диаграмм фазовых равновесий

Цель работы - изучение основных закономерностей, используемых при анализе диаграмм двухкомпонентных систем.

Материалы: диаграммы состояния InSb-InAs, ZnTe-HgTe, Bi-Sb, InSb-AlSb, InAs-GaAs, InAs-AlAs, GaSb-AlSb, GaAs-AlAs, AlAs-AlP, GaP- AlP, InP-GaP, HgTe-CdTe, InSb-GaSb, PbTe-SnTe, Al-Si, In-Si, Sn-Bi, Ag-Cu, Si-Sn, Au-W, Ga-As, In-Sb, Sn-Te, Ga-Sb, Mg-Ca, Au-Sb, Au-Te, In-As, Pb-Te.

Для трех диаграмм, указанных в табл. 3 в соответствии с вариантом,

провести расчеты, указанные в порядке выполнения работы.

Таблица 3

Порядок выполнения работы

1. Определить тип диаграммы. Обозначить все фазовые области.

2. Установить порядок фазовых превращений при охлаждении сплава заданного состава Х.

3. Нарисовать соответствующую кривую охлаждения.

4. Установить фазовый состав сплава и количественное соотношение фаз для сплава заданного состава при заданной температуре Т₀. Определить вариантность системы.

5. Определить структурные составляющие этого сплава при комнатной температуре.

Требования к оформлению отчета

1. В отчете следует привести диаграммы состояния с указанием заданных составов Х и заданных температур Т₀.

2. Справа от диаграммы состояния изобразить кривую охлаждения, чтобы диаграмма состояния и кривая охлаждения имели общую ось температуры.

3. В отчете должны содержаться развернутые ответы на вопросы. При необходимости приводятся реакции, соответствующие фазовым превращениям.

Задание № 5. Диаграммы состояния с химическими соединениями, эвтектическими и перитектическими превращениями

Цель работы – формирование навыков анализа и расчета сложных диаграмм фазовых равновесий.

Задача № 3. Сплав свинца с висмутом, состав которого указан табл. 4 в соответствии с вариантом, охлаждается в равновесных условиях из жидкого состояния до 20 ℃. Указать последовательность равновесных фаз и соответствующие значения температур равновесия – рис. 28.

Таблица 4

Методические указания. Определить и обозначить на диаграмме все фазы и фазовые области.

Решение задачи представить в виде табл. 5, в которой указать температуры или интервалы температур, фазы, находящиеся в равновесии, и их состав.

Таблица 5

Задача № 4. На диаграмме (рис. 28) провести изотерму в соответствии с вариантом, приведенным в табл. 6. Определить последовательность изменения числа фаз и их состава при изменении состава от 100 % свинца до 100 % висмута.

Таблица 6

Методические указания. Решение задачи представить в виде табл. 7, в которой указать диапазон изменения содержания висмута, фазы, находящиеся в равновесии, и их состав.

Таблица 7