Классификация ДС двойных систем

Классификация ДС двойных систем

 

В зависимости от характера взаимодействия различают разные типы ДС. Классификация этих типов важна, прежде всего, для установления общих связей между различными ДС и обоснования их эволюции при изменении физ-хим свойств компонентов. Для начинающих изучать двойные системы важными вопросами являются, во-первых, деление ДС на различные группы, и, во-вторых, последовательность их рассмотрения.

В основу классификации можно положить признакобразования тех или иных фаз в твердом состоянии.

Все твердые фазы, образующиеся в металлических сплавах, можно разделить на граничные твердые растворы (т.е. растворы на основе компонентов) и промежуточные фазы (фазы, располагающиеся на ДС между граничными твердыми растворами).

К промежуточным фазам относятся химические соединения и твердые растворы на их основе, а также растворы на основе не существующих при данной температуре полиморфных модификаций компонентов, образовавшиеся в результате полиморфного превращения.

По этому признаку ДС можно разделить на следующие большие группы:

1. С непрерывными (т.е. от А до В) рядами твердых растворов;

2. С граничными твердыми растворами (т.е. с различными смесями кристаллов);

3. С различными промежуточными фазами.

Возможна также классификация по типу нонвариантного равновесия, наблюдаемого в ряде сплавов. Согласно правилу фаз для сплавов двойных систем нонвариантное состояние – это трехфазное равновесие. Любое такое состояние характеризуется постоянством температуры и неизменностью количества и состава фаз в состоянии равновесия.

В двойных конденсированных системах часто встречаются следующие нонвариантные равновесия с участием жидкой фазы:

1. Эвтектическое Ж ® a +b;

2. Перитектическое Ж +b ® g;

3. Монотектическое Ж^’® Ж^”+a,

Где a, b, g - граничные твердые растворы или промежуточные фазы.

В твердом состоянии тоже возможны различные нонвариантные равновесия: эвтектоидное, перитектоидное, монотектоидное (b^’® b^” + a).

Монотектоидное равновесие напоминает эвтектоидное, но отличается от него тем, что b^’ и b^”-фазы имеют одинаковую кристаллическую решетку и при температурах выше некоторой (критической) они принимают одинаковый химический состав.

Темп кристаллизации сплавов

Темп (или интенсивность) кристаллизации характеризует увеличение в сплаве количества кристаллов при понижении температуры dm/dt, где m – масса выпадающих кристаллов и t – температура.

Темп кристаллизации не следует путать со скоростью кристаллизации во времени dm/dt, где t - продолжительность кристаллизации.

Рассмотрим это на примере кристаллизации трех сплавов одной системы.

Например, в сплаве Х при температуре t₁ закристаллизуется примерно 75% (а₁а₂/аа₂), в сплаве Y при t₂ – около 50% (b₁b₂/bb₂) и в сплаве Z при температуре t₃ – около 30% (с₁с₂/сс₂).в этом примере температуры отвечают серединам интервала кристаллизации. Таким образов, Сплавы X, Y, Z в рассматриваемые моменты кристаллизации имеют различный темп кристаллизации.

Из правила рычага следует, что темп кристаллизации сплава Х в верхней половине интервала превышает темп кристаллизации Y в средней части, а темп кристаллизации сплава Y превышает темп сплава Z (рис. 9а)

 

 

Рис.9

 

Темп кристаллизации объясняет, почему на кривых охлаждения разных сплавов неодинаково четко выявляются различные критические точки (рис. 9в).

При прочих равных условиях (одинаковые массы и скорости охлаждения сплавов, близкие значения скрытой теплоты кристаллизации..) у сплавов с высоким темпом кристаллизации в начальные моменты затвердевания более четко выявляется верхняя критическая точка, отвечающая температуре ликвидуса, и наоборот, практически не выявляется линия солидуса. У сплавов темп кристаллизации которых велик в конечный момент кристаллизации хорошо выявляется именно точка солидуса, а верхняя выделяется значительно меньше. Наконец, у сплавов с приблизительно постоянным темпом кристаллизации (сплав Y) обе критические точки выявляются почти одинаково.

Рис.3.21

Рис 3.22

В механической смеси отсутствует какое-либо взаимодействие между различными фазами. Наоборот, в эвтектике между фазами наблюдается сложное физико-химическое взаимодействие.

Итак: Эвтектическая смесь кристаллов образуется не при механическом смешении фаз, а при их совместной кристаллизации.

При кристаллизации эвтектики одна из фаз является ведущей, а другая – ведомой. Обе фазы кристаллизуются в виде разветвленных дендритов, ветви которых тесно переплетаются одна с другой.

Согласно записи (Ж® a +b) эвтектической кристаллизации предшествует разделительная диффузия в жидкой фазе. Чем быстрее охлаждается сплав, содержащий эвтектическую жидкость, тем на меньшее расстояние успевает пройти эта диффузия и тем более тонкими (дисперсными) получается строение эвтектических колоний.

Надо иметь ввиду, что:

Количественное соотношение фаз в эвтектике не зависит от состава сплава, в котором она кристаллизуется.

Положение точки эвтектики можно определить, сравнивая кривые охлаждения различных сплавов.

Длина горизонтали на кривой охлаждения зависит от химического состава и увеличивается от нуля на точках предельной растворимости до максимума в точке эвтектического превращения (Рис.3. 21).

Если рассмотреть сплавы находящиеся до- и заэвтектической области, то откладывая на соответствующих сечениях отрезки пропорциональные длине площадок кристаллизации на кривых охлаждения можно получить положение эвтектической точки.

Треугольник am b называют треугольникомТаммана в честь немецкого ученого, предложившего его построение.

Точность определения эвтектической точки зависит от многих факторов. Важнейшие из них – число взятых сплавов и условия получения кривых охлаждения.

 

При охлаждении сплава Х₃ от эвтектической температуры до комнатной a - фазы и b - фазы изменяют свой химический состав в соответствии с линиями

сольвусов. следовательно, внутри фаз эвтектического происхождения должны быть вторичные выделения.

Однако чаще всего их обнаружить не удается даже при сильном изменении растворимости в твердом состоянии.

Это объясняется тем, что при большой разветвленности границ изменение соотношения химического состава между фазами может происходить не за счет образования новой фазы, а за счет движения границ в сторону фазы, объем которой уменьшается.

Например, в системе А-В сильнее изменяется растворимость компонента В в А. Это может произойти за счет движения границы a/b в сторону a-фазы. Но это происходит не за счет одновременного движения всей межфазной границы, путем выбрасывания микровыступов в направлении a-фазы, в результате чего межфазные границы в эвтектике оказываются, как бы «изъеденными».

По окончанию эвтектической реакции в Х₄ сплаве идут аналогичные процессы. К ним только добавляются выделения из первоначально закристаллизовавшейся a-фазы.

В микроструктуре сплава Х₄ видны три структурные составляющие: первичные a - кристаллы, эвтектика (a+b) и вторичные выделения b - фазы.

Дальтониды и бертоллиды

 

Курнаков. Характер (острота) открытого максимума на кривых ликвидуса и солидуса конгруэнтно плавящейся фазы химического соединения А_mB_n зависит от стойкости этого соединения, т.е. от степени его диссоциации: А_mB_n ®mA +nB.

 

 

Рис.30.

 

 

· Практически не диссоциации – кривые ликвидуса и солидуса пересекаются под углом. Можно провести две касательные;

· Соединение стойко в твердом состоянии, но заметно диссоциирует в жидком состоянии (при плавлении) – солидус острый Ликвидус плавный. Можно провести одну общую касательную.

· При диссоциации в жидком и тврдом состояниях – солидус и ликсидус сглажены.

По предложению Курнакова, промежуточные фазы, в основе которых лежат диссоциированные хим. соединения, стали называться химическими соединениями переменного состава или бертоллидами. Промежуточные фазы на основе недиссоциированных соединений, которые подчиняются закону простых (или кратных) стехиометрических соотношений называются дальтонидами.

 

 

Классификация ДС двойных систем

 

В зависимости от характера взаимодействия различают разные типы ДС. Классификация этих типов важна, прежде всего, для установления общих связей между различными ДС и обоснования их эволюции при изменении физ-хим свойств компонентов. Для начинающих изучать двойные системы важными вопросами являются, во-первых, деление ДС на различные группы, и, во-вторых, последовательность их рассмотрения.

В основу классификации можно положить признакобразования тех или иных фаз в твердом состоянии.

Все твердые фазы, образующиеся в металлических сплавах, можно разделить на граничные твердые растворы (т.е. растворы на основе компонентов) и промежуточные фазы (фазы, располагающиеся на ДС между граничными твердыми растворами).

К промежуточным фазам относятся химические соединения и твердые растворы на их основе, а также растворы на основе не существующих при данной температуре полиморфных модификаций компонентов, образовавшиеся в результате полиморфного превращения.

По этому признаку ДС можно разделить на следующие большие группы:

1. С непрерывными (т.е. от А до В) рядами твердых растворов;

2. С граничными твердыми растворами (т.е. с различными смесями кристаллов);

3. С различными промежуточными фазами.

Возможна также классификация по типу нонвариантного равновесия, наблюдаемого в ряде сплавов. Согласно правилу фаз для сплавов двойных систем нонвариантное состояние – это трехфазное равновесие. Любое такое состояние характеризуется постоянством температуры и неизменностью количества и состава фаз в состоянии равновесия.

В двойных конденсированных системах часто встречаются следующие нонвариантные равновесия с участием жидкой фазы:

1. Эвтектическое Ж ® a +b;

2. Перитектическое Ж +b ® g;

3. Монотектическое Ж^’® Ж^”+a,

Где a, b, g - граничные твердые растворы или промежуточные фазы.

В твердом состоянии тоже возможны различные нонвариантные равновесия: эвтектоидное, перитектоидное, монотектоидное (b^’® b^” + a).

Монотектоидное равновесие напоминает эвтектоидное, но отличается от него тем, что b^’ и b^”-фазы имеют одинаковую кристаллическую решетку и при температурах выше некоторой (критической) они принимают одинаковый химический состав.

Темп кристаллизации сплавов

Темп (или интенсивность) кристаллизации характеризует увеличение в сплаве количества кристаллов при понижении температуры dm/dt, где m – масса выпадающих кристаллов и t – температура.

Темп кристаллизации не следует путать со скоростью кристаллизации во времени dm/dt, где t - продолжительность кристаллизации.

Рассмотрим это на примере кристаллизации трех сплавов одной системы.

Например, в сплаве Х при температуре t₁ закристаллизуется примерно 75% (а₁а₂/аа₂), в сплаве Y при t₂ – около 50% (b₁b₂/bb₂) и в сплаве Z при температуре t₃ – около 30% (с₁с₂/сс₂).в этом примере температуры отвечают серединам интервала кристаллизации. Таким образов, Сплавы X, Y, Z в рассматриваемые моменты кристаллизации имеют различный темп кристаллизации.

Из правила рычага следует, что темп кристаллизации сплава Х в верхней половине интервала превышает темп кристаллизации Y в средней части, а темп кристаллизации сплава Y превышает темп сплава Z (рис. 9а)

 

 

Рис.9

 

Темп кристаллизации объясняет, почему на кривых охлаждения разных сплавов неодинаково четко выявляются различные критические точки (рис. 9в).

При прочих равных условиях (одинаковые массы и скорости охлаждения сплавов, близкие значения скрытой теплоты кристаллизации..) у сплавов с высоким темпом кристаллизации в начальные моменты затвердевания более четко выявляется верхняя критическая точка, отвечающая температуре ликвидуса, и наоборот, практически не выявляется линия солидуса. У сплавов темп кристаллизации которых велик в конечный момент кристаллизации хорошо выявляется именно точка солидуса, а верхняя выделяется значительно меньше. Наконец, у сплавов с приблизительно постоянным темпом кристаллизации (сплав Y) обе критические точки выявляются почти одинаково.