Правило отрезков для двухфазной области

Основные положения

 

По сравнению с чистыми металлами сплавы обладают лучшими механическими и технологическими свойствами. Сплавы в основном получают сплавлением различных металлов или металлов с металло­идами. Однородный жидкий раствор при кристаллизации образует следующие типы сплавов: механические смеси, химические соедине­ния, твердые растворы и промежуточные фазы.

В теории сплавов широко применяют такие понятия как компо­нент и фаза. Дадим определение этим понятиям. Компонентами назы­ваются химические элементы или их устойчивые соединения, наи­меньшее число которых достаточно для образования всех фаз систе­мы. Фаза - это структурно-однородная часть системы, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через кото­рую резко изменяются свойства.

Сплавы могут быть однофазными (гомогенными) и многофазными (гетерогенными), Диаграммы состояния являются теоретической ос­новой создания сплавов и показывают графически фазовое и структурное состояние сплавов в зависимости от температуры и концент­рации. Диаграммы, описывающие переход из жидкого состояния в твердое, называются первичными. Диаграммы, отображающие перекрис­таллизацию в твердом состоянии (переменная растворимость, поли­морфное превращение), называются вторичными. Диаграммы состояния обычно строят экспериментально. Однако в настоящее время разрабо­таны методы их расчета по термодинамическим функциям с применени­ем ЭВМ.

При построении диаграмм состояния по оси ординат откладыва­ется температура, по оси абсцисс - концентрация компонентов (рис. I). Левая крайняя вертикаль соответствует 100%-ному содержанию компонента А (0$ В), а правая - 100$-ному содержанию ком­понента В (0$ А). Процентное содержание компонента В в сплавах возрастает слева направо, а компонента А, наоборот, справа на­лево. Например, сплав I имеет концентрацию 22% В и 78% А, сплавII – 50% В и 50$ А, сплав III – 78%В и 22% А (см.рис.I).

Для построения диаграммы состояния берут серию сплавов с различным содержанием компонентов. Для каждого сплава строят термограмму - (кривую охлаждения)с помощью метода термического анализа. Для этого исследуемые сплавы нагревают в печи до жид­кого состояния, а затем медленно охлаждают. По данным изменений температуры во времени строят кривые охлаждения. По перегибам на кривых, либо температурным остановкам (горизонтальным площадкам) определяются температуры фазовых превращений - критические точ­ки I, 2,..... 10. Полученные значения критических точек перено­сят на вертикальные линии соответствующих сплавов на диаграмме температура - концентрация. Соединив точки начала и конца крис­таллизации, получают линии фазовых превращений - диаграмму сос­тояния. На рис. I показаны кривые охлаждения для чистых компонен­тов А и В, а также для сплавов I, II, III.

 

В данном случае компоненты близки по свойствам и неограни­ченно растворимы в жидком и твердом состоянии, образуя непрерыв­ный ряд твердых растворов. Образуется диаграмма состояния, имею­щая вид "чечевицы" или "двояковыпуклой линзы". Линия начала крис­таллизации (А' и В’) называется линией ликвидус (ликвидус - жид­кий). Выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии. Линия конца кристаллизации (В’ с а') называется линией солидус (солидус - твердый) В ниже ее сплавы находятся в твердом состоянии. Экспериментально построенные кривые охлаждения и диаграммы состояния проверяют по правилу фаз.

 

Правило фаз. Закон Гиббса

 

Равновесное фазовое состояние сплава при атмосферном дав­лении определяется температурой (внешним фактором) и концентра­цией (внутренним фактором системы).

Степень свободы системы - С - показывает число внешних и внутренних факторов - В, которые можно изменить без нарушения числа фаз, находящихся в равновесии. В общем случае число сте­пеней свободы зависит от числа компонентов - К, числа фаз - Ф и определяется выражением: С = К - Ф + В. Для каждого конкрет­ного сплава внутренний фактор - число компонентов К - величина постоянная, т.е. этот фактор в уравнении не учитывается. Остает­ся лишь внешний изменяющийся фактор - температура. Поэтому в данном случае В = I и уравнение приобретает вид С = К - Ф + I.

Для чистых компонентов А и В (см.рис. I) степень свободы при температуре кристаллизации равна нулю С = К – Ф + 1 = 1 – 2 + 1 = 0, и процесс кристаллизации должен проходить обя­зательно при постоянной температуре (горизонтальные площадки I - 2 и 9 - 10). Это нонвариантная система.

В сплаве II в интервале температур 5-6 будут присутствовать две фазы (жидкая и твердый раствор ). Число степеней свободы С = К - Ф + 1 = 2 - 2 + 1 = 1. Это моновариантная сис­тема, т.е. кристаллизация сплава идет не при постоянной темпера­туре, а в условиях непрерывного охлаждения в интервале темпера­тур. На термограмме в точках 5 и 6 наблюдается перегиб кривой, а горизонтальная площадка отсутствует.

 

Компонентов эвтектикой

 

На практике чаще компоненты образуют ограниченные твердые растворы. В данном случае (рис. 3) компонент B растворяется до 20% в компоненте А, образуя твердый раствор . Растворимость ограничивается линией; аа’ (20%B), Компонент А, растворяясь в В, образует твердый раствор . Предельное растворение при этом ог­раничивается линией сольвус СС’ (30%А). Рассмотренные сплавы имеют однофазное строение. В интервале концентраций a' - С’ твердые растворы и образуют эвтектическую смесь двух фаз с предельной концентрацией (т. а) и (т. С). На линии aec при температуре происходит эвтектическое превращение . Применим правило фаз для эвтектического сплава II при температуре t_Э

С = К - Ф + 1 = 2 - 3 + 1 = 0. Значит, эвтектическая реак­ция ведет при постоянной температуре. Доэвтектические сплавы имеют структуру первичных крупных зерен , окруженных эвтектикой. Заэвтектические сплавы состоят из первичных крупных зерен , окру­женных эвтектикой.

 

Диаграммы состояния о ограниченной растворимостью компонентов с перитектикой (рис.4)

 

 

В данной системе, как г в предыдущей, компоненты А и Вограниченно растворяются друг в друге. Компонент В, растворяясь в А, образует твердый раствор с предельной растворимостью по линии сольвус bb’. Компонент А до 45$ растворяется в В, об­разуя твердый раствор , о максимальной растворимостью по линии сольвус dd’ При температуре на линии bdp происходит перитектическая реакция. Физическая сущность этого превращения состоит в том, что ранее выпавшие кристаллы концентрации b взаимодействуют с жидкостью концентрации р, образуя кристал­лы твердого раствора концентрации d.

В сплаве II перитектического состава концентрации dd’ перитектическая реакция завершается образованием однофазной структу­ры кристаллов (предельная концентрация растворения - d ) Количество фазы при этом

Сплав II - единственный, где реакция идет без остатка фаз. В сплавах левее этого сплава будет избыточное количество кристаллов . Для полной реакции требуется , а в сплаве I , т.е. в сплаве I кристал­лов больше, чем необходимо для реакции. Поэтому в результате перитектической реакции в сплаве останутся избыточные первичные кристаллы (рис. 4 а).

Рассмотрение кристаллизации сплава III (рис. 4 б) показывает, что выделившиеся в интервале температур 3 - 4 кристаллы проре­агируют с жидкостью и образуют кристаллы . При дальнейшем ох­лаждении в интервале температур 4 - 5 из жидкости будет продолжать кристаллизовыватъся - твердый раствор.

 

Применим правило фаз для сплава I.

 

1. При температуре t₁ он двухфазен ( +Ж)

 

С = К – Ф + 1 = 2 – 2 + 1 = 1

 

2. При температуре перитектического превращения присутствуют три фазы: жидкость, и - твердые растворы

С = К – Ф + 1 = 2 – 3 + 1 = 0

 

Из уравнений видно, что в первом случае кристаллизация должна происходить в интервале температур. На кривой охлаждения появляется точка перегиба I. Перитектическая реакция должна про­исходить при - постоянной температуре (также как и эвтектическая реакция). На кривой охлаждения появляется горизонтальная площад­ка 2 - 2'

Полиморфные превращения

Полиморфизм (аллотропия)- это способность компонентов с изменением температуры менять свою кристаллическую решетку. Пе­рекристаллизация, связанная с изменением кристаллических решеток компонентов, безусловно сказывается на процессе кристаллизации сплавов, а значит и на виде диаграмм состояний. В принципе тип диаграммы состояния при вторичной кристаллизации будет зависеть от различия свойств компонентов после полиморфного превращения. Если после перекристаллизации свойства компонентов будут близки, то возможно неограниченная растворимость. Если же свой­ства у компонентов различные, то возможны образование ограни­ченной растворимости компонентов друг в друге, распад твердого раствора с образованием смеси, образование устойчивого я неус­тойчивого химического соединения и т.д.

На рис. 8 изображены различные варианты диаграмм состояния I-УI, в которых при кристаллизации из жидкого состояния высоко­температурные модификации компонентов близки по своим свойствам и дают неограниченную растворимость друг в друге с образованием твердого раствора .

 

В системе при температуре происходят полиморфные превращения в компонентах А, С, Е, К, М, Р. Например, в I сис­теме компонент А до температуры имеет кристаллическую ре­шетку компонента . При температуре происходи превращение решетки в . Компоненты В, D, F, L, N изменяют кристал­лическую решетку при температуре , компонент R - при темпе­ратурах t₂ и .

В системе I после полиморфного превращения компонентов и свойства низкотемпературных модификаций компонентов и также близки и они дают неограниченную растворимость - - твердый раствор с кристаллической решеткой, отличной от твердого раствора ₂ .

В системе П после изменения кристаллических решеток у компонентов С и D их свойства оказались различными. Они не раст­воряются друг в друге. Твердый раствор распался на смесь кристаллов компонентов С₂ и D₂Превращение на линии аес явля­ется эвтектоидным . Эвтектоидная смесь более дисперсная (мелкая), чем эвтектическая, подученная в резуль­тате распада жидкости.

В системе III компоненты Е и Р после полиморфного превра­щения при температуре и . ограниченно растворяются друг в друге, образуя твердые растворы и . В интервале концентра­ций ac твердый раствор распадается с образованием механической смеси, состоящей из и кристаллов. В этой же диаграмме по линии им с понижением температуры понижается раст­воримость компонента Р и Е. Из твердого раствора выпадают вторичные кристаллы .

В системах IУ и У на линиях pdb происходят паритектоидные превращения соответственно с образованием твердого по реакции и неустойчивого химического соединения по реакции В системе IУ по ли­нии bn изменяется растворимость компонентов К и L с выделением из твердого раствора вторичных (мелки) кристаллов .

В диаграмме УI также образуется химическое соединение , а на линиях aec и происходят эвтектоидные превращения.

В системе У1 компонент Р претерпевает одно полиморфное превращение при температуре , а компонент R- дважды при тем­пературах и . Компонент с решеткой близок по строению к свойствам к компоненту о решеткой и они неограниченно раст­воряются друг в друге, образуя твердый раствор . Компоненты же с решетками и ограниченные растворы и .

Распад твердого раствора с образованием промежуточной фазы.

Такую диаграмму образует железо-хром и др. (рис.9). Как видно из рисунка, твердый раствор распадается и образует - фазу. Она представляет собой твердый раствор на базе химичес­кого соединения , который существует в интервале концентраций ab.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Гуляев А.П. Металловедение.М.:Металлургия,1966,544 с.

 

2. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка. М. Металлургия, 1983,360 с.

Основные положения

 

По сравнению с чистыми металлами сплавы обладают лучшими механическими и технологическими свойствами. Сплавы в основном получают сплавлением различных металлов или металлов с металло­идами. Однородный жидкий раствор при кристаллизации образует следующие типы сплавов: механические смеси, химические соедине­ния, твердые растворы и промежуточные фазы.

В теории сплавов широко применяют такие понятия как компо­нент и фаза. Дадим определение этим понятиям. Компонентами назы­ваются химические элементы или их устойчивые соединения, наи­меньшее число которых достаточно для образования всех фаз систе­мы. Фаза - это структурно-однородная часть системы, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через кото­рую резко изменяются свойства.

Сплавы могут быть однофазными (гомогенными) и многофазными (гетерогенными), Диаграммы состояния являются теоретической ос­новой создания сплавов и показывают графически фазовое и структурное состояние сплавов в зависимости от температуры и концент­рации. Диаграммы, описывающие переход из жидкого состояния в твердое, называются первичными. Диаграммы, отображающие перекрис­таллизацию в твердом состоянии (переменная растворимость, поли­морфное превращение), называются вторичными. Диаграммы состояния обычно строят экспериментально. Однако в настоящее время разрабо­таны методы их расчета по термодинамическим функциям с применени­ем ЭВМ.

При построении диаграмм состояния по оси ординат откладыва­ется температура, по оси абсцисс - концентрация компонентов (рис. I). Левая крайняя вертикаль соответствует 100%-ному содержанию компонента А (0$ В), а правая - 100$-ному содержанию ком­понента В (0$ А). Процентное содержание компонента В в сплавах возрастает слева направо, а компонента А, наоборот, справа на­лево. Например, сплав I имеет концентрацию 22% В и 78% А, сплавII – 50% В и 50$ А, сплав III – 78%В и 22% А (см.рис.I).

Для построения диаграммы состояния берут серию сплавов с различным содержанием компонентов. Для каждого сплава строят термограмму - (кривую охлаждения)с помощью метода термического анализа. Для этого исследуемые сплавы нагревают в печи до жид­кого состояния, а затем медленно охлаждают. По данным изменений температуры во времени строят кривые охлаждения. По перегибам на кривых, либо температурным остановкам (горизонтальным площадкам) определяются температуры фазовых превращений - критические точ­ки I, 2,..... 10. Полученные значения критических точек перено­сят на вертикальные линии соответствующих сплавов на диаграмме температура - концентрация. Соединив точки начала и конца крис­таллизации, получают линии фазовых превращений - диаграмму сос­тояния. На рис. I показаны кривые охлаждения для чистых компонен­тов А и В, а также для сплавов I, II, III.

 

В данном случае компоненты близки по свойствам и неограни­ченно растворимы в жидком и твердом состоянии, образуя непрерыв­ный ряд твердых растворов. Образуется диаграмма состояния, имею­щая вид "чечевицы" или "двояковыпуклой линзы". Линия начала крис­таллизации (А' и В’) называется линией ликвидус (ликвидус - жид­кий). Выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии. Линия конца кристаллизации (В’ с а') называется линией солидус (солидус - твердый) В ниже ее сплавы находятся в твердом состоянии. Экспериментально построенные кривые охлаждения и диаграммы состояния проверяют по правилу фаз.

 

Правило фаз. Закон Гиббса

 

Равновесное фазовое состояние сплава при атмосферном дав­лении определяется температурой (внешним фактором) и концентра­цией (внутренним фактором системы).

Степень свободы системы - С - показывает число внешних и внутренних факторов - В, которые можно изменить без нарушения числа фаз, находящихся в равновесии. В общем случае число сте­пеней свободы зависит от числа компонентов - К, числа фаз - Ф и определяется выражением: С = К - Ф + В. Для каждого конкрет­ного сплава внутренний фактор - число компонентов К - величина постоянная, т.е. этот фактор в уравнении не учитывается. Остает­ся лишь внешний изменяющийся фактор - температура. Поэтому в данном случае В = I и уравнение приобретает вид С = К - Ф + I.

Для чистых компонентов А и В (см.рис. I) степень свободы при температуре кристаллизации равна нулю С = К – Ф + 1 = 1 – 2 + 1 = 0, и процесс кристаллизации должен проходить обя­зательно при постоянной температуре (горизонтальные площадки I - 2 и 9 - 10). Это нонвариантная система.

В сплаве II в интервале температур 5-6 будут присутствовать две фазы (жидкая и твердый раствор ). Число степеней свободы С = К - Ф + 1 = 2 - 2 + 1 = 1. Это моновариантная сис­тема, т.е. кристаллизация сплава идет не при постоянной темпера­туре, а в условиях непрерывного охлаждения в интервале темпера­тур. На термограмме в точках 5 и 6 наблюдается перегиб кривой, а горизонтальная площадка отсутствует.

 

Правило отрезков для двухфазной области

 

Во - первых - это правило позволяет определить концентрации (химический состав) фаз исследуемого сплава при заданной темпе­ратуре. Для этого необходимо провести коноду (изотерму) до пе­ресечения с линиями диаграммы, ограничивающими данную двухфаз­ную область. Проекции точек пересечения на оськонцентраций (ось абсцисс) показывают концентрацию фаз.

Например, для сплава II при температуре проведем коноду (см. рис, I). Точки пересечения конода обозначим .

Проекция точки а (т. ) покажет концентрацию жидкой фазы, т.е. в жидкости количество компонента В будет определяться от­резком А , компонента А - отрезком .

Проекция точки С (т. ) покажет концентрацию твердого раст­вора , т.е. в - твердом растворе содержится компонент В (отрезок АС’) и компонент А (отрезок C’В). Значит твердая фаза будет более богата компонентом В, чем жидкость. Та­кое распределение компонентов в фазах объясняется ах разной тем­пературой плавления. Компонент А будучи более легкоплавким, чем компонент В, сохранится в большем количестве в жидкости и в меньшем количестве войдет в кристаллы твердом раствора . Таким образом, в процессе кристаллизации сплава концентрация твердого раствора будет изменяться но лиши солидус, а кон­центрация жидкой фазы по линии ликвидус. Значит, состав кристал­лов будет при кристаллизации изменяться в сторону уменьшения со­держания более тугоплавкого металла. Химическая неоднородность по объему кристаллов носит название внутрикристаллитной ила дендритной ликвации. Она может быть устранена последующим нагре­вом сплава и его выдержкой при температуре, близкой к линии солидус. Заметим, что - сплавы всегда однофазны.

Это правило позволяет также определить количество (массу) фаз отношением противоположного отрезка ко всему отрезку - коноде. Так, если для сплава II (см. рис. I) отрезок (в милли­метрах) принять за общее количество – 100% (), то количество фаз в сплаве будет определяться соотношениями:

 

 

Таким образом, количество жидкой фазы пропорциональ­но отрезку bc, прилегающему к линии солидус, а количество твердой фазы – отрезку ab, прилегающему к линии ликвидус.

 

Диаграммы состояний с образованием механической смеси компонентов с эвтектикой

 

 

На рис. 2а показана диаграмма состояний сплавов, где ком­поненты полностью не растворяются в жидком состоянии и образуют смесь.

Сплав II является эвтектическим (наиболее легкоплавким). Он кристаллизуется при самой низкой температуре с одновремен­ным выделением кристаллов двух компонентов А и В, т.е. эв­тектика двухфазна. Так как кристаллизация происходит с большим переохлаждением жидкости, что обуславливает зарождение большого числа центров кристаллизации, то структура эвтектики характери­зуется мелкозернистостью.

Эвтектическое превращение сплава II протекает изотермически на участке 3 - 3' при постоянной концентрации фаз, так при крис­таллизации существует три фазы: компонент А, В и жидкость. Число степеней свободы С = К - Ф + 1 = 2 – 34 - 1 = 0. Для эв­тектики характерно определенное количественное соотношение ком­понентов (фаз), которое сохраняется во всех сплавах данной сис­темы. Так для данного случая

 

Следовательно, эвтектикой называется мелкодисперсная смесь двух компонентов (фаз), которая кристаллизуется из жидкости оп­ределенного химического состава при постоянной самой низкой для данной системы температуре.

В доэвтектическом сплаве I ниже линии А'е в интервале температур 1-2 из жидкости выделяются первичные крупные кристал­лы компонента А, а в заэвтектическом сплаве III в температурном интервале 4 - 5 - первичные крупные кристаллы компонента В. При достижении эвтектической температуры во всех сплавах жидкость распадается с образованием мелкодисперсной эвтектической смеем компонентов А и В. Первичные крупные зерна компонентов А, В и эвтектика являются структурными составляющими сплавов. Струк­туры, полностью, эвтектического, доэвтектического и заэвтектического сплавов показаны на рис. 26. Количество структурных состав­ляющих в сплаве может быть определено при помощи треугольника Таммана, (рис. 2 в), Вертикали в треугольнике указывают количест­во эвтектики. Высота треугольника соответствует 100%-ной эвтектике. Количество эвтектики будет уменьшаться с удалением от эвтектического сплава по закону прямой линии от 100 до 0%. Если для сплава I количество эвтектики по треугольнику будет опреде­ляться отрезками 2 - 2', то количество избыточных кристаллов ком­понента А - отрезком 2' - 2". Так как количество эвтектика пропорционально времени ее кристаллизации, отрезок 2 – 2’ тре­угольника соответствует отрезку 2 - 2' на кривой охлаждения спла­ва I при кристаллизации эвтектики.

Количество структурных составляющих можно также определить по правилу отрезков. Для сплава.I

Рассмотренный тип диаграммы состояния имеют системы: свинец-сурьма, олово-цинк и др.