Диаграммы состояния I рода

Диаграммами состояния I рода называются диаграммы состояния сплавов, компоненты которых неограниченно растворяются друг в друге в жидком состоянии, а в твердом не растворяются и не образуют химических соединений. При кристаллизации такие сплавы образуют механические смеси из кристаллов чистых компонентов сплава. Эвтектика - мелкодисперсная смесь двух и более видов разнородных кристаллов, кристаллизующихся одновременно при постоянной, самой низкой для рассматриваемой системы, температуре (Т₂ на рис. 1). Кристаллы могут быть представлены чистыми металлами, твердыми растворами, химическими соединениями. Обычно эвтектику образуют сплавы, элементы которых имеют различные по типу кристаллические решетки и состоят из атомов, резко отличающихся своими размерами и электронным строением. В этом случае сила взаимодействия между однородными атомами больше, чем между разнородными.

Эвтектики образуются из жидкого сплава при охлаждении и характеризуются самой низкой для системы температурой затвердевания. Эвтектоиды, в отличие от эвтектик, образуются при распаде твердого раствора, т. е. при вторичной кристаллизации. В этом случае фазовые превращения происходят, когда сплав находится в твердом состоянии.

Эвтектические и эвтектоидные смеси возникают при определенной концентрации отдельных составляющих и определенной температуре. Они кристаллизуются в виде участков гетерогенной смеси различной измельченности: точечного, пластинчатого или зернистого вида.

Сплавы, кристаллизующиеся в виде механических смесей, обладают хорошими литейными качествами и высокими механическими свойствами. Механические свойства таких сплавов имеют среднее значение свойств компонентов, входящих в сплав, и изменяются прямо пропорционально количеству составляющих компонентов. Как правило, эти сплавы плохо поддаются обработке давлением, потому что состоят из кристаллов, которые сильно отличаются друг от друга пластическими свойствами.

Для сплавов, образующих при кристаллизации механические смеси, характерно следующее:

- компоненты сплавляются в любом соотношении;

- сплавляемые компоненты в твердом состоянии сохраняют свои первоначальные пространственные решетки;

- для данной системы сплавов температура затвердевания постоянная;

- сплавы «механическая смесь» обладают удельной ликвацией (распределение компонентов в слитке по плотности).

Общий вид диаграммы состояния I рода и кривые охлаждения типичных сплавов системы представлены на рис. 1.

Проведем анализ диаграммы состояния:

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

Число фаз: f = 3 (кристаллы А, кристаллы В, жидкая фаза Ж).

Линия acb является линией ликвидус. Она показывает температуру начала кристаллизации при охлаждении и конца плавления при нагреве сплава и является границей между однофазной (жидкое состояние) и двухфазной (жидкое + твердое состояние) областью. Линия ecf является линией солидус. Она показывает температуру конца кристаллизации при охлаждении и начала плавления при нагреве сплава и является границей между двухфазной (жидкое + твердое состояние) и однофазной (твердой состояние) областью. На линии ac при охлаждении сплава начинают выделяться кристаллы компонента А. На линии bc при охлаждении начинают выделяться кристаллы компонента В. На линии ecf происходит эвтектическое превращение, т.е. оставшаяся жидкая фаза при охлаждении превращается в механическую смесь (одновременно выделяются кристаллы А и В). При нагреве на этой линии эвтектическая часть сплавов рассматриваемой системы (состава Э(А + В)) переходит в жидкое состояние. Точки e и f в рассматриваемой системе показывают состав эвтектики (компоненты А и В).

а б

Рис. 1. Диаграмма состояния двойного сплава I рода (а) и кривые охлаждения типичных сплавов системы (б)

Кристаллизация сплавов рассматриваемой диаграммы состояния:

Рассмотрим кристаллизацию типичных для диаграммы состояния I рода компонентов и сплавов – чистые компоненты А и В, сплав эвтектического состава (сплав I) и другие сплавы системы, аналогичные сплаву II. Чистые компоненты, кристаллизуются при постоянной температуре, на рис. 1, б показана кривая охлаждения компонента А.

Процесс кристаллизации большинства сплавов отличается от процесса кристаллизации чистых металлов: у большинства сплавов процесс кристаллизации происходит в интервале температур T₁–T₂, где T₁ – температура начала кристаллизации и T₂ – температура конца кристаллизации.

Кривая охлаждения сплава I, соответствующего эвтектическому составу, показана на рис. 1, б. Особенность этого сплава заключается в том, что линии ликвидус (acb) и солидус (ecf) сходятся в одной точке c, соответствующей составу рассматриваемого сплава. Следовательно, и начало и конец кристаллизации будут происходить при одной и той же температуре, соответствующей точке c (Т_c). При этом будут постоянными и составы участвующих в кристаллизации фаз. Кривая охлаждения сплава эвтектического состава аналогична кривым охлаждения чистых металлов (рис. 1, б). В сплаве I при температуре Т_с в равновесии находятся три фазы: жидкая, состава с (Ж_с); кристаллы компонента А (А_е) и кристаллы компонента В (В_f). Этому случаю соответствует нонвариантное равновесие, так как, согласно правилу фаз, С = 2 – 3 + 1 = 0, т. е. равновесие между фазами Ж_с, А_е, В_f. имеет место при фиксированной температуре. Это трехфазное равновесие может сохраняться при Т = Т_c бесконечно долго, так как свободные энергии жидкой F_ж и твердых фаз F_А+В здесь одинаковы. При понижении температуры свободная энергия F_А+В < F_ж, равновесие нарушается, жидкость затвердевает в смесь фаз А и В:

Ж_с А_е + В_f. (1)

Реакция (превращение) такого типа называется эвтектической.

Сплав I, имеющий эвтектический состав, называется эвтектическим сплавом. Его структура – эвтектика: Э(А + В).

Процесс кристаллизации сплава I (эвтектического): до точки 1 охлаждается сплав в жидком состоянии. При температуре, соответствующей точке 1, начинается одновременная кристаллизация двух разнородных компонентов А и В. На участке 1–1^/ происходит эвтектическое превращение. На кривой охлаждения отмечается температурная остановка, т. е. процесс идет при постоянной температуре. Для этого участка число степеней свободы С = 0 (нонвариантное равновесие), т. е. равновесие между указанными фазами определенного состава имеет место при фиксированной температуре. В точке 1^/ процесс кристаллизации завершается. Ниже точки 1^/ охлаждается сплав, состоящий из дисперсных разнородных кристаллов компонентов А и В.

Другие сплавы системы кристаллизуются аналогично сплаву II, кривая охлаждения которого представлена на рис. 1, б.

Процесс кристаллизации сплава II: до точки 1 охлаждается сплав в жидком состоянии. Число степеней свободы для этого участка С = 2. При температуре, соответствующей точке 1, начинают образовываться центры кристаллизации компонента В. На участке 1–2 идет процесс кристаллизации. Уменьшению числа степеней свободы на участке 1–2 (С = 1) соответствует снижение скорости охлаждения сплава вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации. Изменяется наклон кривой охлаждения, отмечается перегиб – критическая точка 1. При охлаждении химический состав жидкой фазы изменяется по линии bc до точки с. Вблизи т. 2 (подошли к ней вплотную, но еще не пересекли ее) сплав состоит из кристаллов В состава т. f (В_f) в количестве Q_В = 2c/cf по правилу отрезков и жидкой фазы состава т. с (Ж_с) в количестве Q_ж = 2f/сf. На участке 2–2^/ кристаллизуется эвтектика (см. кристаллизацию эвтектического сплава). Ниже точки 2^/ охлаждается сплав, состоящий из кристаллов первоначально закристаллизовавшегося компонента В и эвтектики состава (А + В).

Количественный структурно-фазовый анализ сплава:

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

а) Для определения состава фаз в точке Х через точку Х проводят горизонталь (коноду ) до пересечения с ближайшими линиями диаграммы: ликвидус и солидус.

Состав жидкой фазы определяется проекцией точки пересечения горизонтали с линией ликвидус х' на ось концентрации х'' – 46 % А и 54 % В (рис. 2, а).

Состав твердой фазы определяется проекцией точки пересечения горизонтали с линией солидус (или осью компонента) b' на ось концентрации b'' – 100 % компонента В.

С понижением температуры состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус, а состав твердой фазы – по линии солидус (при совпадении с осью компонента А или В не меняется).

б) Определение количественного соотношения жидкой и твердой фазы при заданной температуре (в точке Х): фигуративная точка Х делит коноду на отрезки, пропорциональные количеству фаз.

Количество всего сплава Q_сп при температуре Т_Х определяется отрезком х'b' и принимается за 100 %. Длина отрезка х'b' равна разности значений проекций точек х' b' на ось абсцисс:

х'b' = 100 – 50 = 50. (2)

Отрезок, прилегающий к линии ликвидус х'Х, определяет количество твердой фазы при температуре Т_Х:

Q_тв = (х'Х/ х'b')100 %; (3)

Q_тв = ((70 – 50)/50)100 % = 40 %.

Отрезок Хb', прилегающий к оси компонента В, определяет количество жидкой фазы при температуре Т_Х:

Q_ж = (Хb'/х'b')100 %; 4)

Q_ж = ((100 – 70)/50)100 % = 60 %.

При построении кривых охлаждения сплавов рассматриваемой диаграммы состояния следует учитывать, что длина горизонтального участка соответствует количеству эвтектики в сплаве по правилу отрезков (рис. 1, б). Это следует из того, что температурная остановка зависит от теплового эффекта превышения и при одинаковой массе и скорости охлаждения сплава пропорциональна количеству образующейся эвтектики. Максимальная длина горизонтальной площадки будет соответствовать сплаву эвтектического состава, т. е. 100 % эвтектики.

При анализе диаграмм состояния следует различать фазовый и структурный состав (рис. 2). Фазовый состав всех областей ниже линии солидус на диаграмме состояния одинаков – две фазы (рис. 2, а). Структурный состав сплавов диаграммы состояния различен, что обусловлено выделением кристаллов А (кристаллов В) до кристаллизации эвтектики (рис. 2, б и 3).

а б

Рис. 2. Диаграмма состояния двойных сплавов: а – фазовая; б – структурная; 1 – доэвтектические сплавы; 2 – эвтектический сплав; 3 – заэвтектические сплавы

Рис. 3. Схема микроструктур сплавов: А + (А + В) – доэвтектического; Э(А + В) – эвтектического; В + (А + В) – заэвтектического

Эти кристаллы А (кристаллы В) кристаллизуются в широком интервале температур (т. 1 – т. 2), поэтому они более крупные, чем соответствующие кристаллы эвтектики. При кристаллизации сплавов рассматриваемой системы образуются три типа структур (рис. 2, б и 3).

Дата добавления: 2014-01-07