Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Основные типы диаграмм двухкомпонентных систем




Диаграммы состояния представляют собой графическое изобра­жение всех превращений, протекающих в сплавах в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Превращения в сплавах при нагреве или охлаждении зависят от того, какие фазы при этом образуются. Под_фазой понимают однородную часть системы, отделенную от других частей поверхностью раздела. Так, однородная жидкость представляет собой однофаз­ную систему, а жидкий сплав и находящиеся в нем кристаллы

или механическая смесь кристаллов двух видов—двухфазную систему.

Система может состоять из одного или нескольких компо­нентов, например, система медь—никель состоит из двух ком­понентов: меди и никеля.

Различают четыре главных типа диаграмм состояния двой­ных сплавов: 1) механическая смесь; 2) твердый раствор с не­ограниченной растворимостью; 3) твердый раствор с ограни­ченной растворимостью и 4) химическое соединение. Диа­граммы состояния двойных сплавов строят в двух измерениях:

по оси ординат откладывают температуру, а по оси абсцисс— концентрацию компонентов. Общее содержание двухкомпонент­ного сплава в любой точке абсциссы равно 100 %, а крайние ординаты соответствуют чистым компонентам. Каждая точка на диаграмме состояния показывает состояние сплава данной кон­центрации при данной температуре.

Правило фаз. Различные изменения системы, происходящие в зависимости от внешних условий (например, температуры), подчиняются правилу фаз. Последнее устанавливает зависимость между числом компонентов, числом и числом степеней свободы системы.

Под числом степеней свободы (вариант­ность) системы понимают число внешних и внутренних факто­ров (температура, давление и концентрация), которое можно изменить без изменения числа фаз данной системы.

Правило фаз для металлических систем при постоянном давлении выражается уравнением

С = К + 1 - Ф ,

где С—число степеней свободы системы; К – число компонентов, образующих систему; Ф—число фаз, находящихся в рав­новесии; 1 — число внешних переменных факторов (темпера­тура).

В процессе затвердевания чистого металла (К==1, Ф=2)— система нонвариантная (безвариантная), так как, согласно при­веденной формуле,

С =0. В системе нельзя произвольно изменять внешний фактор (температуру), не изменяя числа фаз и равновесия системы.

Чистый расплавленный металл (К= 1, Ф=1) представляет моновариантную (одновариантную) систему с одной степенью свободы

(С =1). Сохраняя металл в жидком виде, можно в оп­ределенных пределах (выше точки плавления) изменять темпе­ратуру, не изменяя числа фаз и равновесия системы. Если двух­компонентная система находится в расплавленном состоянии (К =2, Ф==1), то имеем две степени свободы (С=2), т. е. систему бивариантную (двухвариантную). В этом случае суще­ствуют различные температуры и концентрации, при которых не изменяется число фаз и равновесие системы. Для этой же системы при наличии двух фаз (жидкой и твердой) имеем К. =2, Ф=2 и С=1, т. е. с изменением температуры концентрация должна быть строго определенной.



Диаграмма состояния I типа.

По этой диаграмме кристал­лизуются сплавы, оба компонента которых неограниченно рас­творимы друг в друге в жидком состоянии, а в твердом обра­зуют механическую смесь. .

Диаграмму состояния строят на основании кривых охлаж­дения ряда сплавов данной системы. По остановкам и переги­бам на кривых охлаждения, вызванных тепловым эффектом превращения (скрытой теплотой кристаллизации и перекри­сталлизации), определяют критические точки, которые исполь­зуют для построения диаграмм состояния.

Рассмотрим систему свинец—сурьма и для шести ее спла­вов построим кривые охлаждения (рис. 5.3, а). Чистые металлы имеют одну критическую точку—температуру затверде­вания (кристаллизации), а сплавы—две, причем вторая критическая точка для всех сплавов соответствует одной температуре 246 °С. При этой температуре состав жидкой фазы всех сплавов одинаковый (13% Sb, 87% Рb). Это происходит

 

 

 

Рис. 5.3. Диарамма состояния 1 типа ( сплавы системы свинец – сурьма) :

 

а - кривые охлаждения; б – диаграмма состояния схемы структур, соответственно доэвтектического, эвтектического и заэвтектического сплавов : 1 – 100% Pb, 2 – 95%Pb, 5%Sb; 3 – 90%Pb, 10%Sb; 4 – 87%Pb, 13%Sb; 5 – 60% Pb, 40% Sb; 6 – 100% Pb.


потому, что процесс кристаллизации сплавов, содержащих 5 и 10% Sb, начинается с выделения кристаллов чистого свинца, а кристаллизация сплава, содержащего 40 % Sb, начинается с выделения кристаллов чистой сурьмы. Вследствие этого в первом случае остающийся жидкий сплав обедняется свинцом и обогащается сурьмой, а во втором, наоборот, обедняется сурьмой и обогащается свинцом. При достижении температуры 246 °С из жидкой фазы одновременно выделяются кристаллы свинца и сурьмы, образуя механическую смесь.

Механическую смесь кристаллов двух видов, одновременно кристаллизующихся из жидкого сплава при постоянной темпе­ратуре, называют эвтектикой.

Для построения диаграммы состояния (рис. 5.3, б) на оси. абсцисс откладываем составы шести сплавов и восстанавли­ваем из соответствующих точек вертикальные линии. Затем пе­реносим из кривых охлаждения сплавов критические точки, соединив которые получаем диаграмму состояния. При этом для упрощения не принято во внимание, что свинец и сурьма незначительно растворяются в твердом состоянии.

Верхняя кривая АОВ соответствует температуре начала кристаллизации сплавов, а нижняя прямая СОД—температуре конца кристаллизации. Первую называют линией ликвидус, и вторую — солидус. Сплавы, содержащие меньше 13% Sb, называют доэвтектическими (рис. 4.11), а сплавы, содержащие больше 13%, — заэвтектическими (рис..5.3). В точке О кри­сталлизуется сплав эвтектической концентрации. Структура сплава состоит только из эвтектики (рис. 5.3). .

По диаграмме состояния I типа кристаллизуются сплавы Zn—Sn, Рb—Sn, Рb—Аg, Ni—Сr , Cr – Mn, Cu—Вi, А1—Si.

 

Диаграмма состояния II типа. .

По этой диаграмме кристал­лизуются сплавы, оба компонента которых неограниченно рас­творимы в жидком и твердом состояниях и не образуют химических соединений.

Рассмотрим систему медь—никель для пяти её сплавов сле­дующей концентрация: 1) 100% Сu; 2) 80% Сu+20% Ni;

3) 60% Сu+40% Ni; 4) 20% Сu+80 % Ni; 5) 100 % Ni. Кривые охлаждения этих сплавов (рис. 5.4, а) имеют разную тем­пературу конца кристаллизации. Это свидетельствует о том, что состав фазы непрерывно изменяется. Диаграмму состояния (рис. 5.4, б) строим так же, как и диаграмму I типа. Верхняя кривая Ааа1а2В соответствует температуре начала кристалли­зации сплавов (линия ликвидус), а нижняя кривая Аb1b2B — температуре конца кристаллизации (линия солидус). Выше ли­нии ликвидуса сплав находится в однофазном жидком состоя­нии, а.ниже линии солидуса—в однофазном твердом состоянии в виде твердого α-раствора (рис. 5.4, в). Между линиями


 


ликвидус и солидус сплав находится в двухфазном состоянии (жидкая фаза и кристаллы твердого α-раствора).

Рассмотрим процесс кристаллизации сплава, содержащего 40% N1+60% Сu (сплав .3, рис. 5.4, а). Этот сплав при тем­пературе tо находится в жидком состоянии и обладает двумя степенями свободы (С=К+1—Ф=2+1—1=2), т. е. в опреде­ленном интервале можно изменять температуру и концентра­цию сплава без изменения числа фаз и равновесия системы. При охлаждении

 



 

 

рис. 5.4. Диаграмма состояния II типа (сплавы системы

медь—никель):

а—кривые охлаждения; б—диаграмма состояния; в

схема структуры твердого а-раствора

 

 


сплава до температуры t1 (точка а1) из жидкого сплава начинает выпадать кристалл твердого а-раствора. Для определения состава этих кристаллов необходимо провести через точку а1 (см. рис. 5.4, б) горизонтальную линию до пе­ресечения с линией солидус, в результате чего получаем точку

п, которая фиксирует состав первых кристаллов твердой α-фазы. При температуре t1 и ниже одновременно находятся две фазы при одной степени свободы (С = К+1—Ф ==2+1—2== 1), т. е. с изменением температуры концентрация фаз должна быть определенной.

При понижении температуры до t2 концентрация фаз определится горизонтальной прямой тп1, проведенной до пересечения с линиями солидус и ликвидус. Точка n1 фиксирует концен­трацию твердой фазы, а точка т—концентрацию жидкой фазы. При температуре t3 (точка b1), когда затвердевает последняя капля жидкого сплава, концентрация твердой фазы определя­ется точкой b1 на диаграмме состояния, а жидкой—т1. Линии

а1п, тп1, т1b1 и др., соединяющие составы фаз, находящиеся в равновесии, называют .канодами.

Количественное соотношение фаз или структурных состав­ляющих определяется правилом отрезков, согласно которому в данном сплаве при заданной температуре количество фазо­вых (или структурных) составляющих прямо пропорционально величине противолежащих отрезков. Например, при темпера­туре t2 (см. рис. 5.4) количество твердой а-фазы в процентах будет равно отношению отрезка к длине коноды тп1 или Qα = (kт/тп1) • 100 %, а жидкой фазы Qж= (kп11тп1} • 100 %; соответственно при температуре t3 : Qα = ( m1l/ m1l1) ∙ 100%; Qж = (lb1/m1b1) .100% и т. д.

Таким образом, состав фаз в процессе кристаллизации не­прерывно изменяется: жидкой по линии ликвидус, твердой по линии солидус. Выпадающие при разной температуре кристаллы твердого раствора имеют переменный состав: оси кри­сталлов, выросшие в первый момент кристаллизации, обычно обогащены тугоплавким компонентом, а междуосные простран­ства заполняются позже и обогащаются более легкоплавким компонентом. Неоднородность отдельных кристаллов сплава называют внутрикристаллической, или дендритной ликвацией. Дендритная ликвация может быть устранена последующим длительным нагревом, обеспечивающим протекание процесса диф­фузии, выравнивающим состав сплава.

По диаграмме состояния II типа кристаллизуются также сплавы Сu—Аu, Аg—Au, Ni—Аu, Fе—Сг, Fе—Vа, Вi—Sb и др. "

 

Диаграмма состояния III типа. По этой диаграмме кристал­лизуются сплавы, оба компонента которых неограниченно рас­творимы друг в друге в жидком состоянии, обладают ограни­ченной растворимостью в твердом состоянии и не образуют химических соединений.

На диаграмме состояния (рис. 5.5, а) кривая АВС—линия ликвидус, выше которой сплав находится в жидком состоянии, а кривая АДВЕС—линия солидус, ниже которой сплав нахо­дится в твердом состоянии. По линии АВ кристаллизуются твер­дый α-раствор (серебро в меди), по линии ВС—твердый β-раствор (медь в серебре). Область АВД— двухфазная, состоящая из кристаллов α и жидкого сплава, а область ВСЕ—из кри­сталлов β и жидкого сплава. В области АDFА существует твер­дый α -раствор, а в области СЕGК.С—твердый β-раствор. Вза­имная растворимость в твердом состоянии обоих компонентов ограничивается указанными областями, причем при 779 °С пре­дельная растворимость серебра в меди равна 7%, а меди в се­ребре—8%. При большей концентрации обоих компонентов образуется (по линии DBЕ) эвтектика Э твердых растворов (α + β) предельной концентрации.

Сплав, содержащий 72% Аg и 28 % Сu, при 779°С кри­сталлизуется при одновременном выделении кристаллов α и β предельных концентраций, образующих эвтектическую смесь Э(α + β). Сплав, содержащий 80% Сu и 20.% Аu, начинает кристаллизоваться с выделением кристаллов α, а оставшийся жидкий сплав, обогащаясь серебром, стремится к эвтектиче-

 

 

 

Рис. 5.5. Диаграмма состояния III типа (сплавы системы медь—се­ребро): а—диаграмма состояния; б—схема кристаллизации сплава, содержащего 95 % Сu и 5 % Аu.

скому составу по линии аВ и при 779 °С затвердевает, обра­зуя эвтектику, которая окружает ранее выпавшие кристаллы α.. Доэвтектические сплавы (область DВQМ} имеют структуру α + Э. Аналогично заэвтектические сплавы (область ВЕGQ) имеют структуру β+Э.

Сплав, содержащий 95 % Сu и 5 % Аu, при 779 °С имеет одну α-фазу ( рис. 5.5,б, точки 2-3). При понижении темпера­туры до точки 3 в нем происходит превращение, связанное с уменьшением предела растворимости серебра в меди. Из α -раствора выделяются кристаллы β концентрации точки n (бо­гатые серебром). Кристаллы, выделяющиеся при вторичной

кристаллизации, обычно обозначают β11, в отличие от первич­ных кристаллов β, выделяющихся из жидкого сплава. Дальней­шее понижение температуры до точки 4 приводит к полному распаду α-раствора. Линия DF показывает изменение предела растворимости серебра в меди по мере понижения температуры. Структура сплава при температуре выше 100 oС состоитизкристаллов α + β11 (рис. 5.5, б, точки 3—4), а при температуре ниже 100 °С—из кристаллов β11.

Аналогичный процесс вторичной кристаллизации происходит и у сплава, содержащего 5 % Сu и 95 % Аg, только в этом слу­чае из β -раствора выделяются кристаллы α 11, богатые медью. Предел растворимости меди в серебре при понижении температуры изменяется по линии ЕG (от 5 до 1 % Сu). Структура сплава состоит из α + β11.

Указанные превращения твердых α - и β -растворов при понижении температуры про­исходят в эвтектике, но выделение вторичных кристаллов

11 и β11) из эвтектических составляющих обычно не об­наруживается под микроско­пом. У некоторых твердых рас­творов с ограниченной растворимостью предел растворимо­сти одного компонента в другом при понижении темпера­туры не изменяется, в этом случае линии DF или ЕК верти­кальные.

По диаграмме состояния III типа затвердевают также сплавы РЬ—5п, Си—Р, Сс1—2п, 5п—8{, А1—И и др.

 

Диаграмма состояния IV типа.

 

По этой диаграмме кристал­лизуются сплавы, оба компонента которых неограниченно рас­творимы друг в друге в жидком состоянии, а при затвердевании образуют устойчивое химическое соединение.

 

Рис. 5.6. Диаграмма состояния IV типа (сплавы системы Ме—Са)

 

Диаграмма, состояния сплава магний—кальций приведена на рис. 5.6. Линия СGНМ соответствует химическому соедине­нию Мg4Саз и разделяет диаграмму состояния на две части. Если условно химическое соединение принять за отдельный компонент системы, то диаграмму состояния можно разделить на две диаграммы: Mg-Mg4Ca3 и. Каждая из них представляет собой диаграмму состояния I типа.

Кристаллизация сплавов Mg-Mg4Ca3 начинается по линии АВС и заканчивается на линии FВG при 516 °С. Сплав, кристаллизующийся в эвтектику, содержит около 18 % Са и 82 % Мg. Структура доэвтектических сплавов состоит из кри­сталлов чистого магния, окруженных эвтектикой (Мg+Э1), а заэвтектических—кристаллов химического соединения Мg4Саз, окруженных эвтектикой ( Мg4Саз +Э1) .

Кристаллизация сплавов Mg4Ca3-Ca протекает аналогично кристаллизации сплавов Мg— Mg4Ca3, с той лишь разницей, что кристаллы Mg4Ca3 начинают выпадать в области СDН, а кристаллы кальция—в области DЕ1. При 462°С затвердевает эвтектика Mg4Ca3-Ca. Доэвтектические сплавы с содержанием 55.. .78 %Са при затвердевании состоят из кристаллов Mg4Ca3, окруженных эвтектикой (Mg4Ca311), а заэвтектические с со­держанием более 78 % Са состоят из кристаллов чистого каль­ция, окруженного эвтектикой (Са+ Э11).

По диаграмме состояния IV типа кристаллизуются сплавы Мg—Zn, Мg—Сu, Fе—Zr, Fе—Nb, Мg—Sn и др.





Дата добавления: 2014-01-11; Просмотров: 1642; Нарушение авторских прав?;


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



ПОИСК ПО САЙТУ:


Читайте также:



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2017) год. Не является автором материалов, а предоставляет студентам возможность бесплатного обучения и использования! Последнее добавление ‚аш ip: 54.198.245.233
Генерация страницы за: 0.111 сек.