Двойные диаграммы состояний сплавов

 

Диаграммы состояний представляют собой графическое изображение состояния сплавов и показывают превращения, протекающие в них в зависимости от температуры и концентрации компонентов.

Фазовые превращения в сплавах обычно сопровождаются тепловым эффектом, т.е. выделением или поглощением тепла. На кривых нагрева или охлаждения наблюдаются площадки или перегибы. Площадка свидетельствует о том, что превращение происходит при постоянной температуре, а перегиб - в интервале температур. Это критические точки, позволяющие установить температуры начала и окончания фазовых превращений.

На практических занятиях разбираются диаграммы состояний различных типов (рис. 1-11). Для разбора диаграмм состояний необходимо:

- начертить диаграмму, дать ее общую характеристику, указать фазы в каждой области диаграммы, а ниже линии солидус указать также структурные составляющие;

- объяснить характер превращений в системе для каждой линии диаграммы;

- объяснить характер превращений и построить кривые охлаждения для заданных сплавов I и II;

- определить концентрацию второго компонента в фазах, присутствующих в точке X, и рассчитать для этой точки количественное соотношение фаз.

В общую характеристику диаграммы входят: характер растворимости компонентов в жидком и твердом состояниях, существование и характеристика химических соединений, характеристика всех фаз.

Рассмотрим для примера диаграмму состояний Сu - Ag (рис. 1).

Система характеризуется образованием ограниченных твердых растворов. Химических соединений в системе нет.

 

а)

 

 

б)

 

 

Рис. 1

 

 

Верхняя ломаная линия ABC - линия ликвидус. Линия ADEC - линия солидус. Выше линий ликвидус сплавы образуют одну жидкую фазу. Применяя правило фаз к системе Cu-Ag, у которой число компонентов к = 2, получим число степеней свободы с = 2 + 1 - ф = = 3 - ф. Выше линии ABC имеется одна жидкая фаза (ф = 1) и число степеней свободы с = 3 - 1 = 2. Такая система двухвариантна, т.е. можно менять и температуру, и концентрацию сплава, не изменяя его равновесия, сплав будет оставаться в жидком состоянии. Между линиями ликвидус и солидус расположены двухфазные области. Здесь ф = 2 при числе степеней свободы с = 3 - 2 = 1. Система одновариантна, что позволяет произвольно менять, сохраняя равновесие сплава, либо температуру, либо концентрацию. В двухфазных областях присутствуют фазы, которые ограничивают эту область слева и справа. Однофазные области, примыкающие к боковым вертикалям диаграммы, являются областями твердых растворов α и β. α - твердый раствор - область твердого раствора Ag в Сu. β- твердый раствор - область твердого раствора Сu в Ag. Таким образом, в системе Cu-Ag имеется три фазы и соответствующие им однофазные области на диаграмме:

1) жидкий сплав компонентов (ж) выше линии ликвидус;

2) твердый раствор Ag в Сu (α) в области ADF.

3) твердый раствор Сu в Ag (β) в области CEG. Остальные области двухфазные:

ADB - ж + α; ВСЕ - ж + β;    FDEG - α + β.

В системе структурными составляющими являются твердые растворы α и β и их смесь - эвтектика (α + β).

Затем необходимо выписать все имеющиеся на диаграмме линии и пояснить, какие превращения происходят на линиях при охлаждении и нагреве.

Линия АВ - начало кристаллизации твердого раствора а из жидкости при охлаждении или окончание его расплавления при нагреве; AD - окончание кристаллизации твердого раствора α при охлаждении или начало его плавления при нагреве. На линиях ВС и ЕС происходят аналогичные превращения твердого раствора β.

Линия DBE - эвтектическое превращение, из жидкости одновременно кристаллизуются две твердые фазы: α- и β-твердые растворы (такая механическая смесь фаз называется эвтектикой) или одновременное превращение этой смеси в жидкость при нагреве. Точка В - эвтектическая точка. Эвтектическое превращение можно записать в виде реакции:

охлаждение

ж_В ↔ α_D+β_E

нагрев

В эвтектической области число степеней свободы с = 3 - 3 = 0, т.е. система безвариантна и любое изменение температуры или концентрации нарушает равновесие. Линия DF показывает предельную растворимость Ag в Сu в твердом состоянии, линия EG характеризует предельную растворимость Сu в Ag в твердом состоянии.

Структура доэвтектических сплавов состоит из кристаллов α-твердого раствора и эвтектики, структура заэвтектических сплавов - из кристаллов            β-твердого раствора и эвтектики. Структура эвтектического сплава - эвтектика. Рассмотрим превращения при охлаждении сплава I. В точке а на линии АВ (рис. 1) начинается кристаллизация α-твердого раствора. Между линиями АВ и AD продолжается кристаллизация, и в точке b она заканчивается. Между линиями AD и DF сплав состоит из одной фазы α-твердого раствора. В точке с на линии DF начинается выделение избыточного количества Ag, но не в виде чистого Ag, а в виде твердого раствора β, т.е. раствора Сu в Ag.

Сплав II является заэвтектическим. В точке d на линии ВС начинается кристаллизация β-твердого раствора. Между линиями ВС и BE продолжается процесс кристаллизации. В точке е сплав состоит из жидкости состава точки В и фазы β состава точки Е. При температуре, соответствующей линии BE, оставшаяся жидкость превращается в эвтектику α + β, а при охлаждении ниже линии BE окончательной структурой сплава будут ранее выделившиеся кристаллы β-твердого раствора и эвтектика α + β. Кривые охлаждения сплавов I и II изображены на рис. 1, б.

Для определения состава фаз через точку X следует провести горизонталь (коноду) до пересечения с линиями двухфазной области диаграммы и обозначить точки, например, m и n. Проекция точки m на ось концентраций дает состав фазы α (10 % Ag), a точки n - состав фазы β (95 % Ag). Для определения количества фазы в двухфазной смеси необходимо применить правило отрезков. Для сплава II в точке X относительное количество             α-твердого раствора равно

Q_α= ,

 

Q_α= .

 

Аналогично определяется количество β-твердого раствора.