Диаграмма. Состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

I. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ

АНАЛИЗ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЙ ДВУХКОМПОНЕНТНЫ X СИСТЕМ

Цель занятия - изучить и освоить основные методы анализа диаграмм состояния двухкомпонентных систем.

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Приступая к практическому занятии, студенты должны иметь четкие представления о том, что такое металлический сплав, что понимается под компонентами сплава, его фазами и структурными составляющими. Необходимо также тщательно проработать по конспекту лекций и учебникам вопросы о типах и строении фаз в металлических сплавах и условиях их образования.

Следует запомнить, что диаграмма состояния - это графическое изображение состояния сплавов изучаемой системы в зависимости от их химического состава и температуры.

Диаграммы состояния показывают устойчивые, равновесные, состояния сплавов, т.е такие, которые при данных условиях обладают минимальной свободной энергией. Поэтому их называют также и диаграммами фазового равновесия. Необходимо усвоить, что, зная диаграмму состояния, можно представить полную картину формирования структуры любого сплава, определить температуры литья и обработки давлением, установить возможность проведения и режимы термической обработки металлоизделий.

Закономерности всех изменений в многофазной системе подчиняются правилу фаз Гиббса. Оно дает возможность предсказать и проверить процессы, происходящие в сплавах при нагреве V. охлаждении; показывает, происходит ли кристаллизация при постоянной температуре или в определенном температурном интервале, указывает, какое количество фаз может одновременно находиться в равновесии. Правило фаз устанавливает следующую зависимость между числом степеней свободы С (вариантностью) системы, числом компонентов К и числом фаз Ф, находящихся в равновесии:

 

С=К-Ф+2

 

Числом степеней свободы С называется число независимых внешних и внутренних факторов С температура, давление, концентрация), которые можно изменять, не изменяя числа фаз, находящихся в равновесии.

При построении диаграмм состояния металлических сплавов давление принимают постоянным, тогда:

 

С=К-Ф+1

 

Этим уравнением необходимо уметь пользоваться при проведении настоящей работы.

Уясните, что диаграммы состояния строят экспериментально, используя наиболее часто термический метод, с помощью которого получают кривые охлаждения отдельных сплавов системы в координатах время-температура. По остановкам и перегибам на этих кривых определяют температуры превращений.

Температуры, соответствующие фазовым превращениям, называются критическими точками.

Точки, отвечающие началу кристаллизации, называются точками ликвидуса, а концу кристаллизации - точками солидуса.

По полученным кривым охлаждения (критическим точкам)строят диаграмму состояния в координатах: по оси абсцисс - концентрация компонентов, по оси ординат - температура.

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

При подготовке к практическому занятию студенты должны тщательно проработать настоящие методические указания и соответствующий материал в рекомендуемых учебных пособиях.

Необходимо зарисовать изучаемые диаграммы, разобраться в их особенностях и составить четкое представление о процессах структурообразования в сплавах различной концентрации. При анализе каждой из диаграмм необходимо освоить и научиться практически использовать правила отрезков и правило фаз применительно к разным температурам и уметь изображать характерные структуры сплавов.

Не следует полностью переписывать текст методических указаний, но основные положения целесообразно законспектировать. Степень подготовленности студента к опросу, проводимому преподавателем,- проверяется с помощью вопросов для самоконтроля.

 

ДИАГРАММА. СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ С НЕОГРАНИЧЕННОЙ РАСТВОРИМОСТЬЮ КОМПОНЕНТОВ В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ

 

Вспомним, что полная взаимная растворимость в твердом состоянии возможна лишь для металлов с однотипными (изоморфными) и близкими по периодам кристаллическими решетками, образующих при сплавлении непрерывный ряд твердых растворов замещения. Соответствующая этому случаю диаграмма представлена на рис. I.

Имеем: компоненты А (например, Сu) и В (например, Ni); фазы - жидкий раствор Ж и твердый раствор α.

Поле диаграммы разделено на три области фазового состояния, разделяемые линиями t_ACt_B и t_ADt_B. Линия t_ACt_b представляет собой геометрическое место то ликвидус и называется линией ликвидуса.

 

 

Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии. Линия t_ADt_B - геометрическое место точек солидус - называется линией солидуса, ниже которой все сплавы находятся в твердом состоянии. Область между этими линиями соответствует равновесию жидкости и кристаллов твердой фазы.

Вначале получают кривые охлаждения для чистых компонентов, а затем для сплавов различного состава.

Кривая I получена при охлаждении компонента А (Сu). Выше температуры t_А (для меди - 1086°С) металл находится в жидком состоянии. Кристаллизация начинается при этой температуре через промежуток времени τ ₁ и заканчивается в момент τ ₂. Согласно правилу фаз, имеем: компонент I (металл А), фазы 2 (жидкий металл и кристаллы А), следовательно, С = К - Ф + 1 = 1 - 2 + 1= 0, т.е. кристаллизация должна происходить при постоянной температуре. Ниже температуры t_A происходит только охлаждение образовавшихся кристаллов компонента А. Аналогичные процессы происходят и при охлаждении компонента B.

Сплав II, содержащий, например, 60 % компонента B (Ni) и 40 % компонента A (Сu) выше температуры t₁ (точка l ₁ на линии ликвидуса) находится в состоянии однородного жидкого раствора. При этой температуре жидкий раствор становится насыщенным по отношению к α -фазе и начинается кристаллизация, сопровождающаяся уменьшением скорости охлаждения. В интервале температур t₁-t₂ находятся две фазы: насыщенные жидкий и твердый растворы. Поскольку в данном случае количество компонентов К = 2, то С = 2 - 2+1 = 1, из чего следует, что кристаллизация сплава должна происходить в интервале температур. В этом состоит существенное отличие процесса кристаллизации двухкомпонентных сплавов от процесса кристаллизации чистых компонентов, происходящего при постоянной температуре.

__________________________________________________

При температуре t₂ (точка S₂ на линии солидуса) кристаллизация сплава заканчивается, и ниже ее никаких превращений не происходит.

Аналогичные процессы происходят и при охлаждении всех других сплавов, образованных компонентами А и В.

Следует усвоить, что в процессе кристаллизации изменяются химический состав (концентрация) фаз и количество каждой «вы. Пользуясь диаграммой состояния, можно в той области диаграммы, где существует две фазы, определить их состав и относительные количества при любой температуре. Для этого необходима использовать правила отрезков.

Запомните, что первое правило отрез -: о в применяет для определения состава фаз. Так, например, для того, чтобы в сплаве П (рис. I) определить составы жидкой и твердой фазы при температуре Ь черв» точку К характеризующую состояние сплава при этой температуре, надо пролети горизонтальную линию - коноду до пересечения с линями, ограничивающими данную двухфазную область. Проекция точки пересечения коноды с линией ликвидус l на ось концентраций – точка I - показывает состав жидкой фазы, а проекция точки пересечения S к он оды с линией оолндус на эту ось - точка S` состав твердой фазы.

Из рис. I видно, что состав первых кристаллов твердого раствора α, образовавшихся при температуре t₁, отвечает точке S`<sub>1</sub>, а последних г при температуре t<sub>2</sub> - точке S`₂, т.е. вменяется в соответствии с линией солидус на участке l _1- l ₂. Состав жидкой фазы изменяется при этом от l _1- в начале кристаллизации до l ₂. в конце, т.е. в соответствии с линией ликвидус на участке l _1- l ₂.

Это может быть записано в виде:

Для определения количеств (массы или объема) каждой на фаз в двухфазной области при какой-либо температуре следует применять второе правило отрезков. Так, например, для сплава Ц (рис. I) о этой целью также надо использовать коноду ГЛ, проведенную до грант двухфазной об-ласги через точку К. характеризующую ооотояние сплава при температуре Ъ. Обратите внимание на то, что количество твердой фазы яС определяется при этом отношением длины отрезка &К, прншкающего к области жидкой фазе, по всей длине коноды 15, т.е.

 

а количество жидкой фазы - отношением отрезка К5, примыкающего к области твердой фазы, также к длине этой коноды:

 

(Индекоы S и l при буквах α и β указывают состав твердой и жидкой фаз соответственно при заданной температуре t).