Анализ диаграмм фазового равновесия

Анализ диаграмм фазового равновесия начинается с установ­ления принадлежности диаграммы состояния к одному из пяти описанных выше типов (см. рис. 1). При этом следует иметь в виду, что наличие одной или нескольких эвтектических точек на диаграмме свидетельствует о принадлежности к эвтектиче­ским диаграммам только при отсутствии сингулярных точек. В противном случае мы имеем диаграммы состояния с химиче­скими соединениями.

Для выполнения фазового анализа по заданной диаграмме состояния необходимо разделить ее на части, каждая из кото­рых должна быть похожа на типовые диаграммы. Затем нужно определить все фазы системы и многофазные области на диаг­рамме состояния. После этого рассматриваются превращения при кристаллизации жидкой фазы и превращения в твердом состоянии. Например, диаграмму состояния системы Ag – Сu (см. рис. 5, б) можно разделить на шесть областей. Две из них являются областями твердых растворов аир. Остальные относятся к однофазным (например, расплав на диаграмме на­ходится выше линии ликвидуса) или двухфазным областям.

Состав твердых растворов определяется, как правило, в точке максимальной растворимости. Для этого из найденной точки опускается перпендикуляр на ось абсцисс, и в соответствии с за­данным масштабом определяется соотношение между компо­нентами.

 

Практическая часть

2.1. Порядок выполнения работы

Для выполнения задания необходимо:

2.1.1. Получить у преподавателя номер варианта и выписать индивидуальное задание из таблицы 1.

2.1.2. Начертить в масштабе анализируемую диаграмму состо­яния.

2.1.3. Дать буквенные обозначения всем линиям диаграммы состояния.

2.1.4. Определить, к какому типу (см. рис. 1) относится диаграмма состояния.

2.1.5. Провести фазовый и структурный анализы диаграммы состояния.

2.1.6. Рассчитать составы твердых растворов (при их наличии в системе).

2.1.7. Написать практическую часть отчета о работе в соответ­ствии с вышеуказанными пунктами задания.

Таблица 1.

Перечень диаграмм состояния двойных сис­тем для выполнения индивидуального задания.

Номер варианта	Наименование диаграммы состояния	Краткая характеристика сплавов системы
	Ag – La	Сплавы серебра используют как материал для слаботочных контактов, в виде гальванических покрытий и тонких токопроводящих пленок в печатных платах, в монтажных проводах
	Al-Ca	Диаграмма представляет интерес для изучения свойств строительных материалов
	Al-Cu	Наиболее распространенные алюминиевые спла­вы. Их свойства в значительной степени опре­деляются содержанием меди
	Al-Si	Состав сплавов силуминов близок к эвтектиче­скому, и поэтому они отличаются высокими литейными свойствами, а отливки большой плотностью. Эти сплавы сравнительно легко обрабатываются резанием; их используют в авто- и авиастроении для изготовления дета­лей сложной конфигурации
	Bi-Te	Сплавы висмута с теллуром используют для изготовления термоэлектрических генераторов. Теллурид висмута Bi2Te3 относится к сложным полупроводникам, обладающим сильной ани­зотропией свойств даже в пленочных образцах
	Ca-Pb	Сплавы этой системы (кальциевые баббиты) обладают антифрикционными свойствами. Кальциевые баббиты получили большое рас­пространение на железнодорожном транспорте (подшипники вагонов и коленчатого вала теп­ловозных дизелей и т.д.)
	Cr-Ni	Сплавы никеля с хромом (нихромы) обладают высоким омическим сопротивлением с рабочей температурой до 1050"С и используются для нагревателей электрических печей, бытовых приборов, а также в резисторах, терморезисто­рах и тензодатчиках
	Си – Zr	Использование циркония в медных сплавах обеспечивает им высокие прочностные харак­теристики в сочетании с особыми свойствами (жаропрочность, коррозионная стойкость)
	K-Bi	Сплавы калия с висмутом используют в каче­стве припоев
	Mg- Ce	Введение церия в в магниевые сплавы измель­чает зерно, улучшает механические свойства и деформацию сплавов в холодном состоянии. Применяют для производства сварных деталей и конструкций без термообработки
	Mg-Ni	Введение никеля в магниевые сплавы повы­шает их сопротивляемость коррозии
	Mg-Pb	Сплавы обладают малой плотностью, высокой удельной прочностью, хорошо поглощают виб­рации, что в основном предопределило их ис­пользование в авиационной и ракетной технике. Они отличаются высокой теплопроводностью и поэтому используются в производстве нагру­женных деталей двигателей (коробки передач, тормозные барабаны и др.)
	Ni-Nb	Система представляет интерес при изучении многокомпонентных сплавов на основе железа (например, Fe-Ni-AI-Nb), используемых для изготовления малогабаритных магнитов
	Ti-Cu	Легирование титана медью влияет на стабили­зацию его полиморфных модификаций
	Ti-Mn	Сплавы применяются в авиации, ракетной тех­нике, химическом машиностроении. Легирова­ние титана марганцем повышает его прочность
	Ti-Ni	Сплавы этой системы обладают эффектом «па­мяти формы», т.е. после пластической деформа­ции они восстанавливают свою первоначаль­ную геометрическую форму или в результате нагрева, или непосредственно после снятия нагрузки (сверхупругость). Сплавы на основе мононикелида титана NiTi (нитинол) обладают
высокой прочностью, пластичностью, корро­зионной и кавитациониой стойкостью и демп­фирующей способностью. Нитинол применяют как магнитный высокодемпфирующий мате­риал в автоматических прерывателях тока, за­поминающих устройствах, в температурно-чувствительньгх датчиках
	V-Si	В этой системе образуются материалы, относя­щиеся к группе бескислородной керамики, – силициды (MeSi), которые обладают высокой огнеупорностью, твердостью и износостойкостью по отношению к агрессивным средам
	W-C	Система позволяет изучить условия образования различных карбидов вольфрама, получение ко­торых необходимо при производстве быстро­режущих сталей, относящихся к ледебуритному классу
	Zr-Mo	Металлы, входящие в состав этой системы, отно­сятся к тугоплавким с температурой плавления выше 2500°С, поэтому их сплавы используют, главным образом как жаропрочные
	Zr- V	Тугоплавкие соединения циркония, обладающие сравнительно высокой электропроводностью, применяют для изготовления анодов и сеток электронных приборов, пленок для печатного монтажа

Примечание. Для всех вариантов соответствующие диаграммы состояний приведены в приложении I.

2.2 Пример построения диаграммы состояния (система «олово – цинк»)

Для построения диаграммы методом термического анализа необходимо получить кривые охлаждения чистых металлов и ряда их сплавов. В данном случае проведено исследование чис­тых металлов олова и цинка, а также их сплавов: доэвтектического (4% Zn + 96% Sn), эвтектического (9% Zn + 91% Sn) и двух сплавов заэвтектических (20% Zn + 80% Sn и 50% Zn + 50% Sn) составов (рис. 8).

После проведения термического анализа указанных металлов и сплавов для получения критических точек необходимо постро­ить кривые их кристаллизации. По полученным данным строится диаграмма состояния системы Sn – Zn (см. рис.8).

Для теоретической проверки правильности построения диаг­раммы состояния и анализа кривых охлаждения пользуются правилом фаз:

С=К-Ф+1,

где С – число степеней свободы, т.е. число изменяющихся внешних и внутренних факторов (температура, концентрация, давление); К– число компонентов; Ф – число фаз.

Под числом степеней свободы системы понимается число неза­висимых переменных факторов, которое можно изменить при сохранении числа фаз в системе. В качестве примера рассмот­рим кристаллизацию сплавов системы Sn – Zn (см. рис.8).

Кристаллизация сплава эвтектического состава этой системы (9% Zn + 91% Sn) происходит при постоянной температуре, и в системе сосуществуют три фазы (жидкость + кристаллы цинка + + кристаллы олова). В соответствии с правилом фаз число сте­пеней свободы равно нулю:

С=К-Ф+ 1 = 2-3+ 1 = 0,

т.е. система безвариантна, и любое изменение температуры или концентрации вызовет нарушение равновесия. Наличие горизонтального участка на кривой охлаждения (см. рис. 8) сплава показывает постоянство температуры. Температура остается по­стоянной до полного исчезновения одной из фаз, т.е. жидкости. Кристаллизация до- и заэвтектических сплавов происходит в интервале температур между линиями ликвидуса и солидуса. При этом сплавы состоят из кристаллов олова и цинка в зависи­мости от состава жидкости, т.е. Ф–2. Число степеней свободы равно единице: С= 2 – 2+1 = 1. Здесь система одновариантна, что позволяет, сохраняя равновесие сплава, произвольно менять либо температуру (зависимой переменной будет концентрация), либо концентрацию (зависимой переменной будет температура). В системе олово – цинк при комнатной температуре суще­ствуют две твердые фазы: кристаллы олова и цинка. Взаимная растворимость этих металлов в твердом состоянии незначи­тельна, поэтому олово и цинк практически считают не раство­ряющимися друг в друге. По составу и структуре сплавы данной системы делятся на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.

Рис. 8 Кривые охлаждения сплавов системы Sn-Zn и ее диаграмма состояния

Структура доэвтектических сплавов (менее 9% Zn) состоит из избыточных кристаллов олова и эвтектики. Микроструктура эвтектического сплава, содержащего 9% Zn и 91% Sn, состоит из механической смеси мелких зерен двух фаз – олова и цинка. Структура заэвтектических сплавов (более 9% Zn) состоит из избыточных кристаллов цинка и эвтектики.

3. Термины и определения.

Диаграмма фазового равновесия (диаграмма состояния) – графическое изображение соотношения между параметрами состояния (температурой, давлением, составом) термодинами­чески равновесной системы, т.е. фазового состояния любого сплава изучаемой системы компонент в зависимости от его концентрации.

Компонент – составная часть, в данном случае химический элемент, образующий сплав.

Конода – горизонтальный отрезок, концы которого ограни­чены равновесными сосуществующими фазами и содержанием в них компонентов; характеризует состав фаз, находящихся в равновесии.

Ликвидус – геометрическое место точек начала затвердева­ния бинарных сплавов с различным содержанием компонентов на диаграмме состояния.

Линии фигуративных точек – вертикальные линии на диаг­рамме состояния, соответствующие определенному химическому составу сплава.

Линия предельной растворимости – линия на диаграмме состояния бинарных сплавов, характеризующая изменение растворимости компонента с изменением температуры.

Перитектика – структурная составляющая сплава, пред­ставляющая собой механическую смесь фаз, образующуюся за счет ранее выделившейся твердой фазы и закристаллизовав­шейся жидкой части сплава определенного состава.

Раствор твердый – однофазный в твердом состоянии сплав, в котором соотношение компонент может быть переменным и один из компонентов (растворитель) сохраняет свою кристал­лическую решетку, а атомы другого (или других) компонента располагаются в решетке этого компонента, изменяя ее разме­ры (периоды решетки).

Система (гетерогенная) – макроскопически неоднородная термодинамическая система, состоящая из различных по физи­ческим свойствам или химическому составу частей (фаз).

Соединение химическое – фаза, кристаллическая решетка ко­торой отличается от решеток компонентов, ее образующих. В химическом соединении всегда сохраняется простое кратное соотношение компонентов А_mВ_n, где m и n – простые числа.

Солидус – на диаграмме состояния геометрическое место точек конца затвердевания бинарных сплавов с различным со­держанием компонентов.

Составляющая структурная – часть сплава (однофазная или многофазная), имеющая характерную (однообразную) структуру и отделенная от остальных частей сплава поверхностя­ми раздела.

Состав фазовый – количественная характеристика содержания в материале различных фаз.

Состав химический – количественная характеристика содер­жания в материале химических элементов.

Строение – совокупность устойчивых связей вещества, обес­печивающих его целостность и тождественность самому себе, т.е. сохранение основных свойств.

Точки фигуративные – точки на диаграмме состояния, опре­деляющие фазовый и химический состав системы при заданной температуре.

Фаза – термодинамически равновесное состояние вещества, характеризующееся агрегатным состоянием, атомным (молекуляр­ным) составом и строением, а также отделенное пространствен­ными границами от других возможных равновесных состояний (фаз) того же вещества.

Эвтектика – структурная составляющая сплава, представ­ляющая собой механическую смесь фаз, образующуюся при од­новременной кристаллизации двух (или более) фаз из расплава.

Эвтектоид – структурная составляющая сплава, представ­ляющая собой механическую смесь фаз, образующуюся при од­новременной вторичной кристаллизации двух (или более) фаз из твердого раствора

Практическое занятие №2