Что такое диаграмма состояния какие вы знаете виды диаграмм состояния двойных систем

Диаграммы состояния двойных систем

Системой называется совокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (температуре, давлении). Система может быть простой, если она состоит из одного элемента, и сложной, если она состоит из нескольких элементов.

Компонентами называются вещества, образующие систему. Чистый металл представляет собой однокомпонентную систему, сплав двух металлов – двухкомпонентную и т.д. Устойчивые химические соединения могут быть компонентами.

Диаграммы состояния (ДС), или диаграммы фазового равновесия в удобной графической форме показывают фазовый состав сплава в зависимости от температуры и концентрации. Диаграммы состояния строят для условий равновесия или условий, достаточно близких к ним и не учитывают кинетику процессов превращений.

По диаграммам состояния можно можно определить:

— число фаз, их весовое соотношение и состав фаз (содержание, концентрация компонентов в каждой фазе) в любом сплаве при любой температуре данной системы;

— можно проследить за структурными превращениями и дать качественную оценку ожидаемой структуры в сплаве при комнатной температуре.

Точкой ликвидус называется точка, отвечающая началу кристаллизации, а точкой солидус – точка, отвечающая концу кристаллизации.

Диаграмма состояния сплавов, образующих в твердом состоянии механические смеси кристаллов чистых компонентов (диаграмма состояния I рода). Компоненты таких сплавов в жидком состоянии неограниченно растворимы друг в друге, а в твердом – не растворимы и не образуют химических соединений. Поэтому в этом сплаве возможно образование трех фаз: жидкого сплава и кристаллов компонентов. Механические смеси образуют сплавы свинца и сурьмы, свинца и олова, цинка и оло­ва, алюминия и кремния и др. Рассмотрим построение диаграммы на примере сплава свинца с сурьмой. Внача­ле строятся кривые охлаждения чистых свинца и сурьмы (рис. 29.). Температуры их кристаллизации соответствуют горизонтальным площадкам на кривых 1 и 6 (для свинца 327°С и для сурьмы 631°С). Далее рассматрива­ются несколько сплавов с соответствующим содержани­ем свинца РЬ и сурьмы Sb, %, например: РЬ 95, Sb 5; Pb 90, Sb 10; Pb 87, Sb 13; Pb 60, Sb 40. Строятся кривые их ох­лаждения (кривые 2-5 соответственно).

В процессе кристаллизации не­прерывно изменяется концентрация фаз и количество каждой фазы (количество жидкой фазы уменьшается, а твердой увеличивается). Концентрацию (состав) и количество каждой фазы можно определить в любой точке двухфазной области диаграммы состояния, используя правило отрезков. Правило отрезков формулируется следующим образом. Через заданную точку диаграммы состояния проводится горизонтальная линия до пересечения с линиями, ограничивающими данную область диаграммы. Проекции точек пересечения на ось концентраций показывают состав фаз. Длины отрезков горизонтальной линии между заданной точкой и точками, определяющими состав фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

Рассмотрим теперь определение относительного количества каждой фазы. Обозначим количество жидкой фазы Q_ж, а количество твердой фазы — Q_т. (Для примера на рис. 4,а твердой фазой является сурьма, а на рис. 4,6 — твердый раствор).

Тогда, в соответствии с правилом отрезков, количества фаз обратно пропорциональны длинам соответствующих отрезков:

Если обозначить количество всего сплава Q, то ему будет соответствовать отрезок kn, и можно найти относительные количества фаз:

;

Правило отрезков может быть применено для любой двухфазной области диаграммы состояния, т.е. не только для рассмотрения кристаллизации сплава, но и для изучения процессов, происходящих в твердом состоянии. В однофазных областях диаграммы состояния правило отрезков неприменимо. Любая точка внутри однофазной области характеризует концентрацию данной фазы.

Диаграмма II-го рода отличается от диаграммы 1-го рода тем, что в первом случае образуется одна кристаллическая решетка, а значит, нет и эвтектического сплава как у сплавов, образующих механическую смесь. Кроме того, у сплавов медь — никель начало и конец кристаллизации сплавов с различным содержанием компонентов протекают при различных температурах.

В некоторых сплавах могут одновременно находиться все виды соединений: механическая смесь, твердый раствор и химическое соединение. Примером таких сплавов служат сталь и чугун.

Диаграмма состояния сплавов с полиморфным превращением одного из компонентов.Большой практический интерес представляют сплавы, у которых один из компонентов или оба имеют полиморфные превращения. В этих сплавах в результате термической обработки можно получать метастабильные состояния структуры с новыми свойствами.

Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями компонентов и эвтектоидным превращением. Из анализа диаграммы, представленной на рис. 35, можно заклю­чить, что после кристаллизации всех сплавов данной системы в опреде­ленном интервале температур образуется твердый раствор γ, который при понижении температуры ниже t₃испытывает эвтектоидное превращение

Образовавшуюся смесь двух твердых фаз принято на­зывать эвтектоидом. В свя­зи с переменной растворимо­стью компонентов в твердых растворах α и β при дальней­шем охлаждении следуют вто­ричные выделения твердых растворов βII и αII, которые показаны на структурной схеме сплавов, при­веденной под диаграммой (см. рис.9).

20. Железо и его сплавы, Диаграмма Fe-C(Fe₃C)

Модификация Fe_γ существует в интервале температур от 911 до 1392°С, и имеет ГЦК решетку, период которой при 911°С равен 0,364 нм. ГЦК решетка более компактна, чем ОЦК. В связи с этим при Fe_α —> Fe_γ объем железа уменьшается приблизительно на 1 %. Fe_γ парамагнитно.

Углерод существует в двух модификациях: графита и алмаза. При нормальных условиях стабилен графит, алмаз представляет собой его метастабильную модификацию. При высоких давлениях и температурах стабильным становится алмаз. Это используют при получении синтетических алмазов.

В сплавах железа с углеродом могут существовать 5 фаз: жидкий расплав, феррит, аустенит, цементит и свободный углерод в виде графита.

Цементит (обозначают Ц) — карбид железа (почти постоянного со­става) Fе₃С, содержит 6,69 % С и имеет сложную ромбическую решетку. При нормальных условиях цементит тверд (800 НВ) и хрупок. Он слабо ферромагнитен и теряет ферромагнетизм при 210 °С. Температуру пла­вления цементита трудно определить в связи с его распадом при нагреве. При нагреве лазерным лучом она установлена равной 1260 °С.

Графит — углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии. Имеет гексагональную кристаллическую решетку. Графит электропроводен, химически стоек, малопрочен, мягок.

Каждая точка на диаграмме имеет свой физический смысл. Координаты характерных точек диаграммы приведены в табл. 4

Точка А определяет температуру плавления чистого железа, a D — температуру плавления цементита. Точки N и G соответствуют температурам полиморфных превращений железа. Точки Н и Р характеризуют предельную концентрацию углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпературном феррите. Точка Е определяет наибольшую концентрацию углерода в аустените. Значения остальных точек будут ясны после проведенного анализа диаграммы.

;

эвтектическое превращение на линии ECF (1147 °С)

;

эвтектоидное превращение на линии PSK (727 °С)

.

Стали состава II имеют содержание углерода от 0,1 до 0,16 % (углеродистые конструкционные стали марок 10 – 15). В интервале температур точек 5 0 в них выделяется феррит. При температуре точки 6 в сплаве II содержится избыточный феррит. В результате перитектический процесс заканчивается образованием новой фазы аустенита при сохранении некоторого количества феррита:

При дальнейшем охлаждении этот остаток феррита перекристаллизуется в аустенит с тем содержанием углерода, которое имеет сплав.

Сьали типа IV содержат от 0,16 до 0,51 %С. При температуре точки 11 они имеют избыток жидкой фазы по сравнению со сплавом III. В результате перитектический процесс заканчивается образованием аустенита при сохранении некоторого количества жидкой фазы:

При дальнейшем охлаждении в интервале температур точек 11-12 оставшаяся жидкая фаза затвердевает, образуя аустенит. Концентрация углерода в аустените ниже температуры точки 11 изменяется по линии JE.

Таким образом, все рассмотренные стали, лежащие ниже линий NJ и JE, находятся в твердом состоянии и имеют аустенитную структуру. Рассмотрим превращения, протекающие в сталях при охлаждении из однофазной аустенитной области (рис. 46 а). Именно при этих температурах выполняют большинство технологических операций (термическую обработку, обработку давлением и др.).

При содержании углерода в техническом железе больше 0,0002 % (сплав II на рис. 50 а) после образования феррита, начиная с температуры точки 5, происходит выделение из феррита кристаллов третичного цементита. Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в феррите (см. линию PQ на рис. 50 а). Конечная структура будет двухфазной: феррит и третичный цементит, причем цементит располагается в виде прослоек по границам ферритных зерен. Третичный цементит ухудшает технологическую пластичность.

Сплав II (рис. 50 б) с содержанием 0,8 % С называется эвтектоидной сталью. В ней при температуре линии PSK происходит эвтектоидное превращение, в результате которого из аустенита выделяются феррит с содержанием 0,02% С и цементит. Такую смесь двух фаз называют перлитом. Эвтектоидное превращение идет при постоянных тем­пературе и составе фаз, так как в процессе одновременно участвуют три фазы и число степеней свободы равно нулю.

Сплав I (см. рис. 50 б) с содержанием углерода менее 0,8 % называют доэвтектоидной сталью. Обычно все эти углеродистые стали относятся к классу конструкционных. Эвтектоидному превращению в них предшествует частичное превращение аустенита в феррит в интервале температур точек 1-2. При температуре точки b фазовый состав сплава А_с+Ф_α. Количественное соотношение аустенита и феррита соответственно определяется отношением отрезков ab и bс.

При температуре точки 2 сплав имеет фазовый состав A_S + Ф_P с количественным соотношением фаз соответственно Р2 и 2S. В результате эвтектоидного превращения аустенит переходит в перлит, который вместе с выделившимся ранее ферритом образует конечную структуру стали.

Количественное соотношение между структурными составляющими (феррит и перлит) в доэвтектоидных сталях определяется содержанием углерода. Чем ближе содержание углерода к эвтектоидной концентрации, тем больше в структуре перлита. Следовательно, зная содержание углерода в доэвтектоидной стали, можно заранее предвидеть ее структуру в стабильном состоянии.

20 %) будет в сплаве с содержанием углерода 2,14%. Заэвтектоидные углеродистые стали относятся к классу инструментальных.

При дальнейшем охлаждении концентрация углерода в аустените изменяется по линии ES вследствие выделения вторичного цементита и к температуре эвтектоидного превращения принимает значение 0,8 % С. При температуре линии PSK аустенит в ледебурите претерпевает эвтектоидное превращение в перлит.

Вопросы для самоконтроля по разделу

1. Какие типы кристаллических решеток Вам известны?

2. Как обозначаются кристаллографические направления в плоскости?

3. Какие дефекты существуют в кристаллических решётках металлов?

4. Перечислите возможные варианты фазового состава у различных двойных сплавов?

5. В чём заключается эффект модифицирования сплавов?

6. Объясните суть и практическое значение правила отрезков?

7. Назовите прочностные и пластические характеристики металлических материалов.

8. Назовите фазы образующиеся в системе Fe – Fe₃С, сравните их свойства.

9. Чем отличается эвтектическое превращение от перитектического и эвтектоидного? Как называются структуры, образующиеся в системе Fe – Fe₃С при этих превращениях?

10. Что такое текстура?

11. Назовите виды разрушения материалов, и чем они характеризуются?

12. Что такое порог хладноломкости и критическая температура хрупкости материалов? Как определяется критическая температура хрупкости?

Источник

Привет студент

Главные типы диаграмм состояния двойных сплавов

Так как свойства металлов и сплавов определяются не только их химическим составом, но также и структурой и так как всякое структурное изменение в них происходит при соответствующей температуре, то для изучения, свойств металлов и сплавов важно знать их критические точки.

Ввиду того что законы равновесия между фазами, которым подчиняются сплавы и растворы солей в воде, аналогичны, изучение явлений, происходящих при охлаждении сплавов, удобно начинать с изучения явлений, происходящих при охлаждении соляных растворов.

Построим кривые охлаждения для растворов поваренной соли в воде с содержанием соли 0; 10; 15; 23,5 и выше 23,5% и сгруппируем их на одной диаграмме (фиг. 63).

Кривая I представляет собой уже известную нам кривую охлаждения чистой воды,ее критическая точка 0°; при этой температуре начинается и заканчивается процесс кристаллизации воды. Кривая II изображает изменения температур с течением времени при охлаждении соляного раствора, содержащего 10% NaCl; рассматривая эту кривую, видим, что изменение направления кривой происходит не при 0°, а только при — 8° (точка А кривой II), после чего кривая принимает несколько более пологое, чем на вышележащем участке, направление. Когда температура опустится до —22°, произойдет температурная остановка (участок ВС кривой II). Исследуя физическую сторону явления, можно убедиться в том, что, начиная от точки А до точки В кривой ll, из соляного раствора выделяются кристаллы

льда, и концентрация раствора, постепенно повышаясь, доходит до 23,5% В течение времени, равного участку ВС кривой II, при температуре —22° происходит кристаллизация и воды и соли одновременно, при этом концентрация жидкого маточного раствора сохраняется в течение всего времени замерзания постоянной.

Несколько большая пологость кривой на участке АВ, чем на вышележащей ее части, объясняется тем, что происходящий на этом участке процесс кристаллизации сопровождается выделением тепла, вследствие чего падение температуры на этом участке не может быть столь быстрым, как на вышележащем.

Характер кривой охлаждения раствора, содержащего 15% NaCl (кривая III), аналогичен кривой II, но перегиб кривой здесь имеет место не при —8°, а при —11°; на участке AВ кривой также кристаллизуется только вода и на участке ВС — вода и соль одновременно. Концентрация соли в растворе при температуре —22° и в этом случае равна 23,5%.

Кривая охлаждения раствора (кривая V), содержащего 23,5% NaCl, имеет только одну температурную остановку, соответствующую кристаллизации воды и соли одновременно.

При увеличении концентрации соли сверх 23,5% кривые охлаждения имеют характер, подобный кривым II, III и IV, но физическая сторона процесса здесь несколько иная; кристаллизация начинается в точке Л, но на участке АВ кривой VI выделяются кристаллы не воды, а соли. Вследствие того что на участке АВ происходит кристаллизация соли, крепость раствора от A до В уменьшается; в точке В, т. е. при температуре —22°, крепость раствора делается равной 23,5%.

Сравнивая между собой кривые II, III, IV, V и VI, замечаем, что раствор, содержащий 23,5% NaCl, начинает затвердевать и заканчивает затвердевание при постоянной и самой низкой температуре (—22°).

Следовательно, этот раствор является и наиболее легкоплавким; такие растворы называются эвтектическими.

При охлаждении доэвтектических растворов кристаллизация начинается, как мы видели, с воды, а при охлаждении заэвтектических— с соли, и для всех растворов кристаллизация заканчивается (при —22°) одновременным выделением кристаллов воды и соли. Твердая масса, образующаяся при —22°, представляет собой смесь мелких кристаллов льда и соли. Таким образом, доэвтектические растворы соли после затвердевания превращаются в массу, состоящую из более крупных первичных кристаллов льда и эвтектики, состоящей из смеси мелких кристаллов льда и соли, а заэвтектические — в массу, состоящую из более крупных кристаллов соли и эвтектики.

Критические точки для растворов различных концентраций можно представить на одной диаграмме, откладывая по оси X весовые проценты соли в растворе, а по оси Y — температуру; такая диаграмма, построенная по критическим точкам, взятым с кривых охлаждения I, II, III, IV, V и VI, представлена на фиг. 64. Ход построения диаграммы таков: 1) по оси X откладывают точки, соответствующие концентрациям растворов, для которых были построены кривые охлаждения (в данном случае — 0; 10; 15; 23,5 и свыше 23,5%); 2) через полученные точки проводят линии, параллельные оси У, и на них наносят критические точки, взятые с соответствующих кривых охлаждения (в данном случае точки А и В); 3) все точки А соединяют кривой и через все точки В проводят линию, которая будет параллельна оси X.

Рассматривая построенную таким путем диаграмму, видим, что так как точки A_I, A_II, А_III, А_V, A_VI показывают температуру начала затвердевания соответствующей концентрации растворов, то выше кривой A_I A_I, А_VI лежит область, где системы из воды и соли находятся в жидком состоянии. В области, лежащей между линиями A_II, А_III и В_II, В_III системы из воды и соли находятся частью в твердом, частью — в жидком состоянии; при этом твердая часть системы состоит из кристаллов воды. Подобно этому, все точки области, находя-

щиеся между кривыми A_VA_VI и B_VB_VI соответствуют частично жидкому и частично твердому состоянию, причем твердая часть состоит из кристаллов NaCl. Ниже линии В_II B_VI все растворы находятся в твердом состоянии; левее линии ВvС и ниже ВllВv находится область твердой массы, состоящей из кристаллов воды и эвтектики из льда и соли; правее линии B_VC и ниже ВvВvl — область твердой массы, состоящей из кристаллов соли и эвтектики льда и соли. Наконец, все точки линии В_VС соответствуют твердому состоянию раствора, причем его твердая масса состоит только из эвтектики льда и соли.

Линию начала затвердевания (A_IА_IIA_IIIA_IVA_VA_VI) называют линией ликвидуса (граница жидкого состояния), линию конца затвердевания (В_IIВ_VI)—линией солидуса (граница твердого состояния).

Очевидно, взяв любую точку диаграммы, можно сказать, к раствору какой концентрации она относится, какую раствор имеет температуру в этой точке и в каком состоянии он находится. Такая диаграмма называется диаграммой состояния.

Пользуясь диаграммой состояния, можно не производя непосредственно опытов ответить на ряд вопросов, относящихся к изучаемой системе. Ниже приведено несколько задач, решаемых при помощи диаграмм состояния.

1. Определить в каком состоянии будет находиться система, содержащая k% NaCl (при температуре, равной —t).

Для решения задачи надо найти пересечение линий, проведенных параллельно осям координат через точки k и —t. Положение точки а на диаграмме определяет состояние системы, которая будет находиться частью в жидком и частью в твердом состоянии.

2. При какой температуре окончательно расплавится система, содержащая k% NaCl.

Проводим через k линию, параллельную оси У, до пересечения с линией ликвидуса в точке b; проведя через точку b линию, параллельную оси X до пересечения с осью Y (в точке — t1), находим искомую температуру (—t₁).

3. Определить концентрацию раствора в точке а. Если провести через точку а линию, параллельную оси X, до пересечения с линией ликвидуса в точке с, отрезок tc покажет искомую концентрацию раствора, так как при температуре —t° начнет затвердевать раствор, содержащий t_c% NaCl.

4. Определить весовое количество льда в точке а.

Обозначим через Q вес раствора (системы) в кг; k — концентрацию NaCl в растворе; x — вес льда в точке а (при температуре—t°); (Q—х) — вес жидкой части раствора в точке а (при температуре —t°).

Так как точка а была взята произвольно и так как решение найдено в общем виде, то очевидно, что полученное выражение для определения величины х даст ответ на аналогичный вопрос относительно любой точки в пределах диаграммы.

5. Определить весовое количество жидкой части раствора в точке а.

Искомая величина будет, очевидно, равна у =Q—х; подставляя сюда найденное выше выражение для х, находим

Диаграммы состояния всех двойных сплавов строятся аналогичным способом, т. е. путем перенесения критических точек с кривых охлаждения на диаграмму, в которой по оси X откладываются весовые проценты компонентов, а по оси У температуры.

Рассмотрим главные типы диаграмм состояния двойных сплавов.

1) Диаграмма состояния двойных сплавов, образующих при затвердевании смесь кристаллов чистых компонентов. Явления, происходящие при затвердевании таких сплавов, совершенно аналогичны тем, которые происходят при затвердевании раствора поваренной соли в воде. Рассмотрим в виде примера сплав свинца с сурьмой, структура которого относится к рассматриваемому типу.

Чтобы получить диаграмму состояния сплавов системы свинец—сурьма, строим предварительно кривые охлаждения для сплавов с различным содер

жанием свинца и сурьмы, затем берем систему осей координат ХY и, откладывая по оси X весовые соотношения свинца и сурьмы, а по оси Y — температуры, переносим на нее с кривых охлаждения критические точки.

Чем больше будет взято для наблюдения сплавов с различным содержанием свинца и сурьмы, т. е. чем больше будет построено кривых охлаждения, тем более точно может быть построена диаграмма состояния.

Главных критических точек будет три: температура плавления свинца (327°), температура плавления сурьмы (630°) и температура плавления эвтектики этого сплава (246°), получающаяся, как показывает опыт, при 13% содержания в сплаве сурьмы.

Построенная таким путем диаграмма представлена на фиг. 65; справа от диаграммы помещено несколько кривых охлаждения, по которым такая диаграмма строится (для 5, 13 и 45% Sb). Все задачи, которые были поставлены выше для растворов Н₂0—NaCl и решены графически, при помощи диаграммы состояния, могут быть решены таким же методом и для сплава.

Проследим за изменением в состоянии сплава с содержанием 45% Sb при охлаждении его от 500°. От а до b (фиг. 65) сплав находится в жидком состоянии и представляет собой одну фазу жидкого раствора; в точке b начинается выделение из жидкого раствора кристаллов Sb; в интервале от b до с сплав представляет смесь двух фаз — жидкого раствора и твердых кристаллов Sb, при этом состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидуса bВ и в точке с доходит до концентрации 13% Sb. В точке с происходит затвердевание оставшегося жидкого сплава и распадение его на эвтектическую смесь кристаллов Рb и Sb. В период затвердевания эвтектики, пока сплав находится при температуре 246°, он представляет собой смесь трех фаз — жидкого раствора (Pb, Sb), кристаллов Рb и кристаллов Sb. Ниже точки с сплав представляет смесь двух фаз — кристаллов Рb и кристаллов Sb.

Пример. Определить количество эвтектики в сплаве, состоящем из 10% Sb и 90% Рb.

Рассуждаем так: эвтектика затвердевает при 246°, следовательно, когда температура рассматриваемого сплава, снижаясь, достигнет 246°, вся жидкая его часть при застывании образует эвтектику; таким образом, задача сводится к тому, чтобы определить количество жидкой фазы в точке N. Решение можно будет отыскать, применяя формулу

На фиг. 66 приведена микроструктура одного из доэвтектических сплавов, содержащего 90% Рb и 10% Sb; на фотографии видны древовидные образования кристаллов свинца, окруженные эвтектикой.

На фиг. 67 представлена микроструктура одного из заэвтектических сплавов, содержащего 80% Рb и 20% Sb. Здесь на фоне мелкозернистой массы выступают более крупные кристаллы сурьмы.

На фиг. 68 можно видеть микроструктуру эвтектики сплава свинец —сурьма.

Диаграммы состояния сплава свинец — сурьма представляют собой частный случай диаграммы состояния двойных сплавов, образующих при затвердевании смесь кристаллов чистых компонентов. В общем виде диаграмма состояния сплавов компонентов А и В представлена на фиг. 69; температуры плавления компонентов —- соответственно ta и tb\ эвтектика затвердевает при температуре tэвт; содерание компонента В в эвтектике равно k%.

Построение этой диаграммы аналогично построению диаграммы сплава свинец — сурьма. На фиг. 70 представлена схема изменения структуры сплавов А и В, диаграмма состояния которых дана на фиг, 69; на фиг. 70, а показана структура компонента А (соответствует точке а на диаграмме состояния фиг. 69); ка фиг. 70, б — структура доэвтектических сплавов (точка б на диаграмме); на фиг. 70, в — структура эвтектического сплава (точка в диаграммы); на фиг. 70, г — структура заэвтектических сплавов (точка г диаграммы); на фиг. 70, д — структура компонента В (точка д диаграммы). Такого типа диаграммы состояния имеют, кроме сплава свинец — сурьма, ряд сплавов, например, кадмий — висмут, алюминий — олово, олово — цинк.

2) Диаграммы состояния двойных сплавов, способных образовать химические соединения, нерастворимые в твердом состоянии ни в одном из компонентов. Рассмотрим случай, когда компоненты сплава А и В способны образовать лишь одно химическое соединение С.

Пусть для образования химического соединения С требуется К_с%В и (100— К_с)% А; если количество В будет меньше К_с%, то в результате взаимодействия А и В образуется С при некотором свободном остатке свободного A; при избытке же В сверх К_с% образуется С при наличии остатка свободного В. Диаграмма состояния таких сплавов из А и В представлена на фиг, 71.

Области этой диаграммы имеют следующие значения:

При концентрации, равной К_эвтА_с%, получим эвтектику (А + С).

При концентрации, равной К_с%, получим С.

При концентрации, равной К_эвтсв%у получим эвтектику (С + В).

Имеются металлы, способные образовать между собой не одно, а несколько химических соединений.

В качестве примера таких сплавов приводится диаграмма (фиг. 72) для сплавов меди с магнием, способных образовать химические соединения Cu₂Mg и CuMg₂ при 17 и 43% магния. Диаграмму состояния сплава медь—-магний можно рассматривать как сложенные вместе три диаграммы первого типа:

3)Диаграмма состояния двойных сплавов, компоненты которых обладают полной взаимной растворимостью как в жидком, так и в твердом виде. Если два тела способны сохранить взаимную растворимость не только в жидком, но и в твердом состоянии, то при затвердевании они образуют кристаллы смешанного состава. Вещества, входящие в состав кристаллов твердого раствора, могут содержаться в этих кристаллах в произвольных весовых отношениях.

Если два тела способны к образованию твердых растворов, то при затвердевании жидких растворов этих тел из жидкости начинается выпадение кристаллов твердого раствора, более богатых компонентом, повышающим температуру плавления раствора. Таким образом, кристаллы твердого раствора имеют переменный состав; в случае медленного охлаждения состав кристаллов твердого раствора может выравниваться вследствие диффузии.

При температурах, лежащих выше температуры, определяемой точкой 1 на кривой охлаждения, сплав состава К представляет

собой жидкую фазу; в интервале температур, определяемых точками 1 и 2, сплав имеет две фазы— жидкий раствор и кристаллы твердого раствора; при температурах, лежащих ниже температур, определяемых точкой 2, сплав представляет одну твердую фазу (твердый раствор). Возьмем сплав, содержащий К%В при температуре г; состояние этого сплава на диаграмме определяется точкой q. Из диаграммы видно, что при температуре t° сплав будет находиться частью в твердом и частью в жидком состоянии. Рассматривая линию tpqr, можно заметить, что при температуре t0 нацело затвердевает сплав, содержащий tr% В, и в совершенно жидком состоянии будет сплав, содержащий tp%B. С изменением температуры точка q будет перемещаться кверху или книзу по линии kq, а точки г и р будут скользить по линиям солидуса и ликвидуса; следовательно, состав твердой фазы сплава во время затвердевания будет изменяться по линии t_Ant_B, а состав жидкой фазы — по линии t_Amt_B.

Определим также и весовые количества твердой и жидкой фаз сплава для случая, когда его состояние определяется точкой q диаграммы.

Обозначим для этого:

На фиг. 74 приведен частный случай диаграммы состояния сплава из двух компонентов, обладающих полной взаимной растворимостью как в жидком, так и в твердом состоянии, — сплава меди и никеля Кроме линий ликвидуса и солидуса. на диаграмме состояния сплава медь—никель имеется линия, указывающая на магнитное превращение, происходящее при твердом состоянии сплава. Это превращение происходит для чистого никеля при 320°, а для его сплавов с медью при более низких температурах. Температура превращения тем ниже, чем больше меди находится в сплаве.

При температурах, лежащих ниже 320°, никель обладает магнитными свойствами — это aNi; при более высоких температурах никель их теряет— это pNi. Из диаграммы видно, что сплав никеля с медью практически перестает быть магнитным при содержании меди, близком к 50%.

Из числа сплавов, образующих при затвердевании непрерывный ряд твердых растворов, кроме сплава меди с никелем, можно указать, например, сплавы железа с никелем или хромом, золота с медью или серебром.

Нужно иметь в виду, что некоторые из диаграмм состояния сплавов, образующих твердые растворы, имеют более сложные очертания линий ликвидуса

и солидуса, чем диаграмма для сплава медь — никель, а также имеют в некоторых случаях очень сложную систему линий, указывающих на превращения, происходящие при твердом состоянии сплава.

4) Диаграмма состояния сплавов, обладающих полной взаимной растворимостью в жидком виде и ограниченной в твердом. Большинство металлов обладает способностью растворять в себе другие металлы или металлоиды лишь в ограниченной степени. Если такой ограниченной взаимной растворимостью обладают вещества А и В, то при затвердевании доэвтектических сплавов сначала будут выпадать кристаллы А, содержащие в растворе некоторое количество В, а при затвердевании заэвтектических сплавов кристаллы В, содержащие в растворе некоторые количества А; эвтектика же будет состоять из кристаллов двух твердых растворов.

Диаграмма состояний сплава из двух компонентов, обладающих полной взаимной растворимостью в жидком виде и ограниченной в твердом, представлена в общем виде на фиг. 75. Эта диаграмма будет вполне понятна, если мы проследим по ней за охлаждением нескольких сплавов, состав которых соответствует наиболее характерным областям диаграммы.

Рассмотрим несколько случаев.

а) Сплав содержит К% В.

В точке l начинается затвердевание сплава; кристаллы твердого раствора а, образующиеся в точке /, содержат rs % В; при снижении температуры, когда состояние сплава будет определяться точкой О, кристаллы твердого раствора будут содержать r₁s₁ % В. Таким образом, состав твердого раствора будет изменяться по линии sD а состав жидкого — по линии /С. Для точки О количество твердой фазы будет относиться к количеству жидкой, как Ol₁ : Os₁.

В точке O₁ сплав будет состоять из твердого раствора а, содержащего t₀D % В, и жидкого раствора, содержащего t₀C% В. Жидкая часть при затвердевании образует эвтектику, состоящую из твердых растворов а Кси р, содержащих соответственно t₀D% В и t₀E% В. При дальнейшем охлаждении сплава происходит уменьшение взаимной растворимости компонентов A и В и выделение вторичных кристаллов b из твердого раствора а и вторичных кристаллов а из твердого раствора b; изменение составов кристаллов твердых растворов ниже температуры t°₀ происходит по линиям DF и EG; например, в точке O₂при температуре сплав будет состоять из двух твердых растворов состава s1 и s’1, которые образуются в результате распада твердых растворов состава D и Е.

б)Сплав содержит K₁ % В.

Из диаграммы ясно, что этот сплав после затвердевания будет состоять только из кристаллов твердого раствора а состава K₁% В.

в) Сплав содержит K₂% Б.

При охлаждении этого сплава до температуры ниже t₂ из насыщенного твердого раствора а начнут выделяться кристаллы твердого раствра b состава S₁— Для точки O₃ состав твердых растворов определяется точками S и S₃.

Менее общим будет случай, когда растворимость одного компонента в другом не уменьшается с понижением температуры.

Такие сплавы в пределах определенных концентраций дают эвтектическую структуру; в виде примера можно указать сплав Ag — Сu.

На фиг. 76 дана фотография шлифа сплава 15% Сu и 85% Ag; здесь видны кристаллы твердого раствора меди в серебре, окруженные эвтектикой; на фиг. 77 — фотография шлифа сплава 28% Сu и 72% Ag — эвтектического; характерное строение эвтектики ясно видно на фотографии; на фиг. 78 — фотография шлифа сплава 65% Сu и 35% Ag. Здесь видны кристаллы твердого раствора серебра в меди, окруженные эвтектикой твердых растворов.

Необходимо отметить, что для большинства систем, которым раньше приписывались диаграммы первого типа (металлы, взаимно нерастворимые в твердом состоянии), при детальном изучении была обнаружена незначительная взаимная растворимость компонентов. Так, например, свинец растворяет в твердом состоянии до 2,5% сурьмы, а сурьма около 4% свинца. Повидимому, какую-то (хотя бы ничтожную) взаимную растворимость в твердом состоянии имеют все способные сплавляться между собой металлы, так что диаграмма первого типа является лишь схемой.

5)Перитектическсе превращение. Перитектическим называется такой вид превращения, при котором жидкий сплав, взаимодействуя с ранее образовавшимися кристаллами, образует новый вид кристаллов.

Перитектические превращения происходят при постоянной температуре.

На фиг. 79 приведен общий вид диаграммы состояния с перитектическим превращением.

Линией ликвидуса здесь является линия АСВ, линией солидуса — APDB; перитектическое превращение происходит при температуре, определяемой отрезком CPD, параллельным оси X.

Проследим за охлаждением сплава, содержащего К% В.

Кристаллизация начинается в точке 1; содержание компонента В в образующихся кристаллах твердого раствора р определяется точкой b; при падении температуры от 1 до 2 содержание В в кристаллах твердого раствора меняется

по линии bD, а в жидком сплаве по линии 1C; при температуре 2 жидкий сплав и кристаллы твердого раствора р, содержащие D% B, взаимодействуя, образуют твердый раствор а, содержание В в котором определяется точкой Р; перитектический процесс образования твердого раствора а может быть выражен так:

Таким образом, после перитектического превращения этот сплав будет состоять из твердых растворов а и р; структура этих двух твердых фаз будет состоять из крупных участков ранее образовавшихся кристаллов b и участков, образовавшихся затем из кристаллов b и жидкого сплава кристаллов а. Следовательно, в результате перитектического превращения получается несходная с эвтектической структура, состоящая из сочетания участков двух фаз твердых растворов а и b.

Рассмотрим процесс кристаллизации сплава, содержащего К1%В. В этом случае при перитектическом превращении вследствие избытка жидкой фазы на образование кристаллов а расходуется все количество кристаллов b ранее исчерпания всего запаса жидкой фазы; поэтому ниже точки 3, когда весь сплав будет в твердом состоянии, он будет состоять только из кристаллов твердого раствора а.

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ

Источник