По анализу фазовых превращений в двойных сплавах С неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях

 

Диаграмма фазового равновесия для рассматриваемого случая представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Диаграмма фазового равновесия и кривая охлаждения

 

Как видно, в диаграмме фазового равновесия наблюдается три области состояний: область гомогенного жидкого раствора Ж выше линии МСО, область гомогенного твердого раствора, обозначенного греческой буквой α ниже линии МКО и область двухфазного равновесия жидкого и твердого раствора Ж + α между линиями МСО и МКО.

Линия МСО представляет собой геометрическое место точек температур начала кристаллизации (или конца плавления) твердой фазы α и называется линией ликвидус. Геометрическое место точек температур конца кристаллизации (или начала плавления) твердой фазы есть линия МКО, называемая линией солидус.

Выше линии ликвидус жидкий раствор является ненасыщенным, т.е. в нем еще может раствориться добавочное количество компонентов. На линии ликвидуса жидкий раствор становится насыщенным, т.е. таким, в котором компоненты при данной температуре уже в большем количестве не растворяются. Ниже линии ликвидус сплавы переходят в двухфазную область «жидкий раствор + твердый раствор». Следовательно, линия ликвидус представляет собой геометрическое место точек концентраций жидкого раствора, находящегося в равновесии с твердым раствором. Аналогично линия солидус характеризует концентрацию твердого раствора, находящегося в равновесии с жидким раствором. Ниже линии солидус МКО находится область ненасыщенного твердого раствора.

Рассмотрим фазовые превращения, происходящие в рассматриваемой системе, на примере охлаждения сплава состава x.

В соответствии с правилом фаз кристаллизация твердого раствора происходит в некотором интервале температур t₁ – t₂, называемом интервалом кристаллизации (C = 1), и на кривой охлаждения будут две критические точки 1 и 2 (рисунок 1). Выше температуры ликвидуса t₁ сплав находится в области однофазного ненасыщенного жидкого раствора. При t₁ жидкий раствор становится насыщенным. Ниже t₁ начинается фазовый переход жидкой фазы в твердую (твердый раствор), который заканчивается при температуре солидуса t₂. Концентрация жидкой и твердой фазы изменяется при этом по сопряженным кривым 1-2´ и 1´-2, соответственно. Следовательно, концентрация жидкой фазы меняется по отрезку 1-2´ кривой ликвидуса, а твердой фазы - по отрезку 1´-2 кривой солидуса.

Процесс фазового перехода записывают следующим образом:

.

В левой части записывается исходная фаза, а в правой - конечная. Стрелка означает фазовый переход, а t₁ и t₂ над стрелкой - температуры начала и конца фазового перехода. Индексы 1-2´ фазы в левой части показывают изменение концентрации исходной фазы в интервале температур t₁ – t₂ фазового перехода, а индексы 1´-2 фазы α в правой части - соответственно изменение концентрации конечной фазы.

Представленная запись читается так: жидкая фаза в интервале температур t₁ – t₂ переходит в твердую фазу α, причем концентрация жидкой фазы изменяется по линии 1-2´, а твердой фазы - по линии 1´-2.

В интервале температур t₁ – t₂ массу каждой отдельно взятой фазы в соответствии с правилом отрезков можно определить из следующих соотношений:

;  ,

т.е. для определения количества жидкой фазы при температуре t₃ необходимо взять отношение длины отрезка 4-3, примыкающего к области твердой фазы, к длине отрезка 4-5; для подсчета количества твердой фазы берется отношение длины отрезка 3-5, примыкающего к области жидкой фазы, к длине отрезка 4-5.

Ниже температуры солидуса t₂ происходит охлаждение однофазного ненасыщенного твердого раствора. Микроструктура сплава состоит из зерен твердого раствора α (рисунок 2).

Рисунок 2 - Схема микроструктуры сплава x.

Приложение 2

ПРИМЕР АНАЛИЗА КРИВОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОСТЫХ СПЛАВОВ

 

Диаграмма фазового равновесия системы железо-углерод (рисунок 3) относится к типу диаграмм с ограниченной растворимостью углерода в железе, имеющем полиморфные модификации с наличием эвтектического, перитектического и эвтектоидного превращений.

 

Рисунок 3 - Диаграмма состояния железо-углерод

 

Метастабильная диаграмма состояния железо-карбид железа[1] с обозначением структурных областей по данным микроструктурного анализа представлена на рисунке 4.

Рассмотрим фазовые превращения при охлаждении сплава x ₁ и вычертим для него кривую охлаждения (рисунок 4). Выше температуры ликвидуса сплав находится в области однофазного ненасыщенного жидкого раствора.

При температуре t₁ сплав становится ненасыщенным. Ниже температуры t₁ начнется процесс кристаллизации сплава, который закончится при температуре солидуса t₂.

В интервале температур t₁ – t₂ сплав находится в двухфазной области (Ж+А).

Процесс перехода жидкой фазы в твердую (аустенит) записывают следующим образом:

.
	Рисунок 4 - Диаграмма состояния железо-карбид железа

Количество каждой отдельно взятой фазы при t₅ определяется по правилу отрезка следующими соотношениями:

; .

Концентрация твердой фазы (аустенита) при t₅ будет выражаться точкой 6, а равновесной с ней жидкой фазы – точкой 7.

В интервале температур t₂-t₃ происходит охлаждение однофазного твердого раствора (аустенита).

При температуре t₃ (на диаграмме состояния железо – карбид железа точка S) происходит эвтектоидное превращение:

По правилу фаз при трехфазном равновесии (C =0) температура и концентрация фаз в течение всего превращения остаются постоянными (температурная остановка на кривой охлаждения).

В интервале температур t₃–t₄ происходит охлаждение сплава. Образовавшаяся микроструктура сплава перлит (эвтектоид) представляет собой смесь двух фаз (феррита и цементита) (рисунок 5).

Количество каждой отдельно взятой фазы (в структуре перлита) при комнатной температуре можно определить из следующих соотношений:

; .

Концентрация фазы феррит будет выражаться точкой Q, а равновесной с ней фазы цементит – точкой L.

 

 

 

Рисунок 5 - Схема микроструктуры сплава x.

 

Приложение 3

Рисунок 6 - Диаграмма состояния свинец-сурьма

Рисунок 7 - Диаграмма состояния олово-цинк

Рисунок 8 - Диаграмма состояния алюминий-кремний

Рисунок 9 - Диаграмма состояния алюминий медь

 

Рисунок 8 - Диаграмма состояния медь-серебро

Рисунок 9 - Диаграмма состояния свинец-олово

Приложение 4

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1