Количественный структурно-фазовый анализ сплава

Пользуясь диаграммой состояния можно для любого сплава при любой температуре определить не только число фаз, но и их состав и количественное соотношение. Для этого используется правило отрезков.

Для проведения количественного структурно-фазового анализа через заданную точку проводят горизонталь (коноду) до пересечения с ближайшими линиями диаграммы ограничивающими данную двухфазную область (ликвидус, солидус или оси компонентов).

Правило отрезков может быть использовано только для тех областей диаграммы, в которых сплавы находятся в двухфазном состоянии.

Первое положение правила отрезков — определение состава фаз.

Необходимо определить состав фаз для сплава в точке m:

Через точку m проводим горизонтальную линию (коноду) до пересечения с ближайшими линиями диаграммы - это линии ликвидус и солидус.

Точки пересечения с и d проецируют на ось концентраций.

Проекция точки с – точка с ' покажет состав твердой β-фазы (твердая фаза содержит ≈11%В и 89%А).

Проекция точки d – точка d ' покажет состав жидкой фазы (жидкая фаза содержит ≈ 44%В и 56%А).

Состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидуса, а состав твердой фазы – по линии солидуса.

С понижением температуры состав фаз изменяется в сторону увеличения содержания компонента В.

Пользуясь вторым положением правила отрезков, можно определить количественное соотношение фаз также для любой температуры

Необходимо определить количественное соотношения жидкой и твердой фазы при заданной температуре (в точке m):

Количественная масса фаз обратно пропорциональна отрезкам проведенной коноды.

Количество всего сплава (Q_сп) определяется отрезком cd.

Если принять, что отрезок cd выражает количество (Q_сп) всего сплава, то

- количеству выделившихся кристаллов β- твердого раствора (Q_тв) соответствует отрезок md,

- количеству жидкой фазы (Q_ж) - отрезок cm.

Для определения относительного количества фаз пользуются отношениями:

- относительное количество твердой фазы;

- относительное количество жидкой фазы .

Лекция 5. Диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов

5.1 Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (сплавы твердые растворы с неограниченной растворимостью)

Полная взаимная растворимость металлов в твердом состоянии возможна лишь для изоморфных металлов. При их сплавлении образуется непрерывный ряд твердых растворов замещения (Cu-Ni).

Рис.5.1 Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (а); кривые охлаждения типичных сплавов (б)

Анализ диаграммы

1. Количество компонентов: К = 2 (компоненты А и В).

2. Число фаз: Ф = 2 (жидкая фаза Ж, кристаллы твердого раствора α)

3. Основные линии диаграммы:

· C1D – линия ликвидус, выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии;

· C2D – линия солидус, ниже этой линии сплавы находятся в твердом состоянии.

4. Характерные сплавы системы:

а) Чистые компоненты А и В кристаллизуются при постоянной температуре (кривые охлаждения сплавов I и II).

Кривая I (рис. 53) получена при охлаждении компонента А. Выше температуры 1 металл находится в жидком состоянии. Кристаллизация начинается при температуре в точке 1 и заканчивается через какое-то определенное время, зависящее от количества металла в тигле, в точке 1'.

Согласно правилу фаз С = К - Ф + 1 имеем: компонент 1 (металл А) фазы 2 (жидкий металл и образующиеся кристаллы А), следовательно, С = 1-2+1=0, т. е. кристаллизация должна происходить при постоянной температуре. Ниже температуры 1ʹ происходит только охлаждение кристаллов компонента А. Аналогично происходит охлаждение и кристаллизация компонента В (сплав III).

б) Остальные сплавы кристаллизуются аналогично сплаву II.

Процесс кристаллизации сплава I:

- При температурах выше т. 1 сплав находится в состоянии однородного жидкого раствора.

- При температуре, соответствующей т. 1, жидкий раствор становится насыщенным по отношению к α -фазе, начинают образовываться центры кристаллизации твердого раствора α. На кривой охлаждения отмечается перегиб (критическая точка 1), связанный с уменьшением скорости охлаждения затвердевающего сплава вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации.

- В интервале температур т.1–2 продолжается процесс кристаллизации, протекающий при понижающейся температуре. Согласно правилу фаз число степеней свободы С = 2-2+1=1 т.к. К=2, Ф=2 (жидкая и кристаллы твердого раствора α), поэтому кристаллизация сплавов должна происходить в интервале температур.

- При достижении температуры соответствующей т. 2, кристаллизация заканчивается и ниже этой температуры охлаждается насыщенный твердый раствор α без каких-либо превращений.

- При дальнейшем понижении температуры охлаждается сплав в твердом состоянии, состоящий из однородных кристаллов твердого раствора α.

Рис. 5.2. Схема микроструктуры сплава – однородного α -твердого раствора

5.2 Диаграмма состояния сплавов с отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии (механические смеси)

Сплавы таких компонентов при переходе из жидкого состояния в твердое образуют механическую смесь зерен чистых металлов. К числу таких систем относятся Рb - Sb и немногие другие.

Рис. 5.3. Диаграмма состояния сплавов с отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии (а) и кривые охлаждения сплавов (б)

Анализ диаграммы состояния.

1. Количество компонентов: К = 2 (компоненты А и В);

2. Число фаз: Ф = 3 (кристаллы компонента А, кристаллы компонента В, жидкая фаза).

3. Основные линии диаграммы:

· линия ликвидус acb, состоит из двух ветвей, сходящихся в одной точке;

· линия солидус ecf, параллельна оси концентраций стремится к осям компонентов, но не достигает их;

4. Типовые сплавы системы:

- сплав, состоящий из чистого компонента А;

- сплав, состоящий из чистого компонента В;

- эвтектический сплав – сплав, соответствующий концентрации компонентов в точке с (сплав I).

Эвтектика – механическая смесь двух (или более) разнородных кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкости при постоянной, самой низкой для рассматриваемой системы, температуре (от греческого эв-тэо — легкоплавящаяся).

При образовании сплавов механических смесей эвтектика состоит из кристаллов комп. А и В:

Эвт. = кр. А + кр. В

- доэвтектические сплавы - сплавы, лежащие левее сплава I (содержащие менее Х% компонента В);

- заэвтектические сплавы (например, сплав II) - лежащие правее сплава I (содержащие более Х% компонента В).

5. Кристаллизация типовых сплавов системы.

а) Чистые компоненты, кристаллизуются при постоянной температуре - участок а-а' на кривой охлаждения компонента А (рис 5.3, б).

б) Кривая охлаждения эвтектического сплава I, аналогична кривым охлаждения чистых металлов.

Процесс кристаллизации сплава эвтектического состава (сплав I):

- до точки 1 охлаждается сплав в жидком состоянии.

- при температуре, соответствующей точке 1, начинается одновременная кристаллизация двух разнородных компонентов (кр.А и кр.В). На кривой охлаждения отмечается температурная остановка, т.е. процесс идет при постоянной температуре, так как согласно правилу фаз в двухкомпонентной системе при наличии трех фаз (жидкой и кристаллов компонентов А и В) число степеней свободы будет равно нулю (С = 2 – 3 + 1 = 0).

- в т. 1' процесс кристаллизации завершается. Ниже точки 1' охлаждается сплав, состоящий из дисперсных разнородных кристаллов компонентов А и В.

в) Процесс кристаллизации заэвтектического сплава II ( рис 5.3,б):

- до точки 1 охлаждается сплав в жидком состоянии. При температуре, соответствующей точке 1, начинают образовываться центры кристаллизации избыточного компонента В. На кривой охлаждения отмечается перегиб (критическая точка 1), связанный с уменьшением скорости охлаждения вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации.

- на участке 1–2 идет процесс кристаллизации компонента В, протекающий при понижающейся температуре, так как согласно правилу фаз в двухкомпонентной системе при наличии двух фаз (жидкой и кристаллов компонента В) число степеней свободы будет равно единице (С = 2 – 2 + 1 = 1). При охлаждении состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус до эвтектического.

- на участке 2–2^’ кристаллизуется эвтектика Ж→Эвт. (кр. А + кр. В).

Ниже точки 2^’ охлаждается сплав, состоящий из кристаллов первоначально закристаллизовавшегося избыточного компонента В и эвтектики.

Рис. 5.4. Схема микроструктур сплавов: а – доэвтектического, б – эвтектического, в – заэвтектического

При проведении количественного структурно-фазового анализа, конода, проведенная через заданную точку, пересекает линию ликвидус и оси компонентов, поэтому состав жидкой фазы меняется по линии ликвидус, а состав твердой фазы - 100% компонента А (для доэвтектических сплавов), или 100% компонента В (для заэвтектических сплавов).

5.3 Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

В зависимости от взаимодействия указанных трех фаз возможны два вида диаграмм: диаграмма с эвтектикой и диаграмма с перитектикой.

Диаграмма состояния с эвтектикой (рис. 5.5).

1. Количество компонентов: К = 2 (компоненты А и В);

2. Число фаз: Ф = 3 (жидкая фаза Ж, α и β фазы, где α - твердый раствор атомов компонента В в кристаллической решетке компонента А, а β - твердый раствор атомов компонента А в кристаллической решетке компонента В.

3. Основные линии диаграммы:

- линия ликвидус ЕСР, состоит из двух ветвей, сходящихся в одной точке С;

- линия солидус ЕDСКF, состоит из трех участков;

- DМ – линия предельной растворимости компонента В в компоненте А;

- КH – линия предельной растворимости компонента А в компоненте В.

4. Типовые сплавы системы.

Кристаллизация сплава I. Выше точки 1 сплав находится в жидком состоянии. В точке 1 начинается, а в точке 2 заканчивается кристаллизация сплава, образуются кристаллы твердого раствора α. Состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидуса (1 - h), состав α -фазы по линии солидуса (n - 2). При дальнейшем понижении температуры никаких фазовых превращений в этом сплаве не происходит.

Охлаждение сплава II. При температуре 1 начинается кристаллизация твердого раствора β, которая заканчивается по достижении температуры, соответствующей горизонтали DСК (точка 2) эвтектической реакцией Жc ↔ (α + β). После окончательного охлаждения структура сплава состоит из избыточных кристаллов β и эвтектики (α+β).

Рис.5.5. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной взаимной растворимостью компонентов в твердом состоянии с эвтектикой

Кристаллизация сплаваIII аналогична кристаллизации сплава I, но заканчивается образованием кристаллов твердого раствора β.

Сплав с концентрацией компонентов, соответствующей точке с, является эвтектическим сплавом. Сплав состоит из мелкодисперсных кристаллов твердых растворов α и β, образующих эвтектику (кр. тв. р-ра α + кр. тв. р-ра β). Кристаллы компонентов в чистом виде ни в одном из сплавов не присутствуют.

Диаграмма состояния с перитектикой - разновидность диаграммы состояния с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (рис. 5.6).

Рис.5.6. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной взаимной растворимостью компонентов в твердом состоянии с перитектикой

Линия СРЕ — линия ликвидуса, линия СFКЕ— солидуса. Кристаллизация сплавов I и IV происходит аналогично ранее разобранным. Иначе происходит кристаллизация сплавов, по составу расположенных между точками F и Р.

При кристаллизации сплава с концентрацией компонентов, соответствующей точке К, из жидкости выпадают и растут кристаллы α -твердого раствора. В точке К произойдет перитектическое (перитектос (греч.) — структура окружения) превращение: кристаллы α-твердого раствора взаимодействуют с жидкостью, образуя новую фазу — твердый раствор β: Ж_Р+ α_F ↔ β_К. При этом С = 2 - 3 + 1 = 0, т. е. реакция идет при постоянной температуре.

В сплавах, расположенных левее точки К, например в сплаве II, в точке 2 также происходит перитектическое превращение, приводящее к образованию твер­дого раствора β располагающегося по границам зерен α-фазы. После окончания кристаллизации структурой сплава будут зерна α-фазы, окруженные β-фазой.

В сплавах, расположенных правее точки К, например в сплаве III, количество выделившейся α-фазы невелико, она вся будет израсходована на перитектическое превращение. При дальнейшем понижении температуры от точки 2 до точки 3 будут образовываться и расти зерна β-твердого раствора. Затвердевший сплав имеет структуру, состоящую из зерен твердого раствора β.

5.4 Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых образуют химические соединения

При сплавлении компонентов, имеющих большое различие в размерах атомов, кристаллическом строении и свойствах, возможно образование химических соединений АnВm. Химическое соединение такого вида может быть устойчивым и неустойчивым.

Дата добавления: 2014-01-06