Метод определения количества и состава фаз в сплаве

Пользуясь диаграммой состояния и правилами отрезков (конод), можно определить количество фаз в сплаве в любой момент затвердевания.

Первое правило формулируется следующим образом: чтобы определить концентрацию компонентов в фазах через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения на ось концентраций показывает составы фаз.

Второе правило отрезков: для того чтобы определить количественное соотношение фаз, через заданную точку проводят горизонтальную линию. Отрезки этой линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

Правило отрезков (конод) в двойных диаграммах состояния можно применять только в двухфазных областях. В однофазной области имеется лишь одна фаза; любая точка внутри области характеризует ее концентрацию.

Для примера возьмем часть диаграммы системы сплавов свинец-сурьма, характеризующую доэвтектические составы (рис. 8). Соотношение жидкой и твердой фаз при любой температуре затвердевания сплава определяется плечами горизонтального рычага, проведенного через данную точку. Так, количество жидкой фазы в точке k соответствует плечу lk, количество твердой фазы – плечу ks рычага ls, а количество всего сплава – длине рычага ls. Для измерения плеч проще всего взять шкалу процентного содержания сурьмы. Пользуясь этой шкалой, находим, что доля жидкой фазы выбранного сплава (Pb – 5 % Sb) в точке k составляет 5/11, а доля твердой – 5/11 от массы сплава. При дальнейшем охлаждении количество жидкой фазы будет постепенно уменьшаться и к точке b составит 5/13 от всего сплава. В этой точке произойдет затвердевание оставшегося жидкого раствора, который перейдет в эвтектику. Следовательно, массовое содержание эвтектики в сплаве 5 %Sb составит 5/13 массы сплава.

Если обозначить через Q массу взятого сплава, через Q_L – количество жидкой фазы, а через Q_S – количество твердой фазы, то по правилу рычага можно написать следующие соотношения:

Химический состав жидкого сплава в любой точке отрезка ab определяется проекцией данной точки на линию ликвидуса. Так, в точке а расплав будет содержать 5 % Sb, а в точке b – 13 % Sb. Таким образом, состав расплава данного сплава при затвердевании определяется точками на линии ликвидуса в зависимости от температуры.

Система железо-углерод

Особенность диаграммы состояний железоуглеродистых сплавов связана с существова­нием двух высокоуглеродистых фаз: графита (стабильная фаза) и цементита (метастабиль­ная фаза). В соответствии с этим построены и две диаграммы фазового равновесия – стабильного и метастабильного, которые обычно вычерчивают совместно (рис. 9).

Из рис. 9 видно, что в условиях равновесия в Fe-C сплавах возможны различныефазовые состояния.

1. Однофазные: жидкий раствор, существующий в области выше линии ликвидуса ABC'D' (или выше ABCD в случае метастабильного равновесия); d - феррит (Ф) - в области ANH; аустенит – в области NIE'S'G (или в области NIESG при метастабильном равновесии); a -феррит (Ф) в области GP'Q' (или в области GPQ) и. наконец. цементит – в области DFKL.

2. Двухфазные: Ф+Ж, А+Ж, Ф+А и А+Ф – одинаковы при стабильном и метастабильном равновесиях; двухфазные состояния Ж+Г, А+Г и Ф+Г в случае стабильного равновесия и Ж+Ц, А+Ц и Ф+Ц в случае метастабильного равновесия.

3. Трехфазные: Ф _H +А _J +Ж _B при перитектическом равновесии (1494 ^oС); Ж _{C '} +А _{E '} +Г при эвтектическом стабильном равновесии (1152 ^oС); Ж _C +А _E +Ц _F при эвтектическом метастабильном равновесии (1145 ^oС); А _S' +Ф _{P '} +Г при стабильном (738 ^oС) и А _S +Ф _P +Ц при метастабильном (723 ^oС) эвтектоидном равновесии.

В зависимости от содержания углерода Fe-C сплавы делят на стали (менее 2 % C) и чугуны (более 2 % C). В отличие от сталей в чугунах возможны эвтектические стабильное Ж _{C '}+А _{E '}+Г и метастабильное Ж _C +А _E +Ц _F равно­весия. Наиболее легкоплавкий чугун, по составу соответствующий эвтектической точке C' (или C), называется эвтектическим; чугуны с меньшим содержанием углерода называются доэвтектическими, а с большим – заэвтектическими.

При температуре выше линии ликвидуса ABC'D' сплавы Fe-C находятся в жидком состоянии. Линия C'D' является линией насыщения жидкого раствора углеродом в условиях стабильного равновесия.

Ниже линии ABC'D' однофазное жидкое состояние нестабильно. В сплавах до 0,53 % С ниже линии AB равновесной является двухфазная смесь жидкости и кристаллов d -раствора (или d -феррита). Сплавы, содержащие до 0,08 % С ниже AH приобретают однофазное состояние d -феррита. В сплавах с 0,08-0.53 % С при перитектической температуре HIB возможно трехфазное перитектическое равновесие Ф _H +А _J +Ж _B. Ниже этой температуры равновесными являются – в зависимости от содержания углерода – двухфазное состояние Ф+А, однофазное аустенитное состояние и двухфазное состояние А+Ж. В сплавах до 0,16 % С ниже NI равновесно однофазное аустенитное состояние.

В сталях и доэвтектических чугунах ниже линии BC' равновесно сосуществуют жидкость и кристаллы аустенита, в заэвтектических чугунах ниже C'D' - жидкость и кристаллы графита, а ниже CD возможно и метастабильное существование жидкости и кристаллов цементита. Стали ниже линии солидуса IE' (или IE) приобретают однофазное аустенитное состояние. В чугунах при температуре E'C'F' возможно стабильное эвтектическое равновесие А _E' +Ж _{C '} +Г, а при температуре ECF – метастабильное эвтектическое равновесие А _E +Ж _C +Ц _F.

Ниже эвтектической температуры E'C'F' стабильным является двухфазное состояние А+Г, а ниже ECF возможно и метастабильное А+Ц состояние сплавов.

Фазовые изменения в сталях и чугунах после затвердевания связаны с полиморфными превращениями Ф-А и А-Ф и с изменением растворимости углерода в аустените и феррите, которая характеризуется линиями E'S' (ES) и P'Q' (PQ). На рис.10 приведена структура сталей, а на рис. 11 – структура чугунов с различным содержанием углерода.

В заэвтектоидных сталях и чугунах при температурах ниже линии Е'S' стабильными являются двухфазное состояние А+Г, а ниже линии ES возможно и метастабильное состояние А+Ц. В доэвтектоидных сталях ниже линии GS' (или GS) равновесно сосуществуют кристаллы феррита и аустенита. При эвтектоидной температуре P'S'K' (738^оС, точка А) и в сталях, и чугунах возможно трехфазное А _S' +Ф _P' +Г стабильное равновесие, а при температуре PSK (723 ^оС) – трехфазное А _S +Ф _P +Ц метастабильное равновесие.

При температурах ниже эвтектоидной P'S'K' стабильным является двухфазное Ф+Г состояние сплавов, а ниже линии PSK возможно существование и метастабильного состояния Ф+Ц. Так как с понижением температуры ниже эвтектоидной растворимость углерода в феррите уменьшается (по линии P'Q ' или PQ) практически до нуля, то при комнатной температуре сплавы находятся в двухфазном состоянии Ф+Г (стабильное равновесие) или Ф+Ц (метастабильное равновесие). Эвтектоидный состав Ф+Ц называют перлитом. Его структура приведена на рис.12, б.

 

 

Диаграммы состояния трехкомпонентных сплавов (в отличие от двойных – плоских) являются объемными. Они имеют вид трехгранных призм, вертикальные ребра которых обозначают температуру, а в основании находится равносторонний треугольник, на котором обозначается количественное соотношение между тремя компонентами.

 

Рис.12. Структура до- и эвтектоидной сталей

 

В заключение необходимо отметить, что анализ диаграмм состояния дает важную информацию, позволяющую специалистам прогнозировать физико-химические и технологические свойства сплавов и выбирать для той или иной технологии обработки наиболее подходящий сплав.

Так, для литейного производства весьма благоприятны эвтектические сплавы; лучше всего поддаются пластической обработке сплавы, образующие однородные твердые растворы.