16334850003245_Бабенко Э.Г. Конструкционные материалы 2014. Э. Г. Бабенко конструкционные материалы для деталей технических устройств железнодорожного транспорта рекомендовано Методическим советом по качеству образовательной деятельности двгупс в качестве учебного пособия Х
 Скачать 3.25 Mb.
|
|
2.2. Диаграммы состояния двойных сплавов 2.2.1. Общие положения При установлении режимов горячей обработки сплавов (прокатка, ковка, штамповка, прессование и др, термической обработки (отжиг, закалка, нормализация и др) необходимы сведения о превращениях структуры, ее количественных и качественных изменениях при изменении температуры. Для оценки свойств сплава важно знать не только структуру фаз, но и доли массы, которую они занимают. Если в твердом состоянии при изменении температуры не происходит изменений в строении сплава, то термическая обработка в большинстве случаев теряет смысл. Графическую зависимость состояния сплавов определенной системы от концентрации компонентов (химического состава) и температуры устанавливают диаграммы состояний. По диаграмме можно определить, при какой температуре происходит затвердевание сплава, какие превращения происходят при нагреве и охлаждении, количественный и качественный состав фаз и др. Диаграмма двухкомпонентного сплава строится в двух измерениях температура – концентрация (рис. 27). По оси ординат откладывается температура, а по оси абсцисс концентрация. Общее содержание компонентов в любом сплаве составляет 100 %. Левая крайняя точка А по оси концентраций соответствует 100 %-му содер- Е Д С 20 40 60 80 100 0 В,% А,% Т, о С Т Е Рис. 27. Координаты для изображения состояний двухкомпонентной системы 38 жанию компонента А. Процентное содержание второго компонента откладывается по этой оси слева направо. Правая крайняя точка В соответствует %-му содержанию второго компонента В. Каждая промежуточная точка на оси абсцисс соответствует определенному содержанию сплава. Например, в точке С сплав состоит из 40 % компонента В и 60 % компонента А. В точке Д – 80 % компонента В и 20 % компонента Аи т. д. Следовательно, по мере удаления от точки А увеличивается количество компонента В и наоборот. Ось ординат показывает изменение температуры, и каждая точка на оси (например точка Е) соответствует определенному фазовому состоянию рассматриваемого сплава при определенной температуре ТЕ. Порядок построения диаграмм Диаграммы состояния обычно строятся по экспериментальным данным термического анализа и исследованию структур сплавов в твердом состоянии. Из исследуемых компонентов изготавливается серия сплавов разного химического состава, и для каждого из них строится кривая охлаждения. Температура измеряется обычно термопарой рис. 28). В нагревательное устройство 1 помещается тигель 2, в котором находится исследуемый сплав. После его расплавления в тигель погружается горячий спай термопары 3 и производится медленное охлаждение. Через определенные промежутки времени производится фиксация температуры и строится кривая охлаждения (рис. 29). Из рисунка видно, что на кривой имеется две характерные точки и t 2 . При падение температуры сплава замедляется. Это свидетельствует о том, что начался процесс с выделением такого количество тепла, которое частично компенсирует тепло, отводимое в окружающую среду. При температуре выделение тепла идет настолько интенсивно, что компенсирует потери в окружающее пространство полностью. В данном случае при температуре начинается кристаллизация сплава, а при температуре заканчивается. Рис. 28. Схема установки для построения кривых охлаждения 1 – нагревательное устройство 2 – тигель термопара 4 – гальванометр t 1 t 2 Время t, о С Рис. 29. Кривая охлаждения сплава 39 Эти температуры называются критическими температурами или критическими точками. Рассмотрим построение диаграммы на конкретном примере. Пусть имеется сплав состоящий из двух компонентов Аи В, которые неограниченно растворимы в жидком состоянии, нов твердом взаимно нерастворимы и не образуют друг с другом химических соединений. Из этих двух компонентов создана серия сплавов различного химического состава, и для них получены критические температуры начала и конца кристаллизации (табл. 1). Таблица 1 Температуры начала и конца кристаллизации сплавов Номер сплава Состав сплава Температура кристаллизации Начала t 1 , С Конца t 2 , С I 100 % А 350 350 II 90 % А + 10 % В 325 170 III 70 % А + 30 % В 240 170 IV 60 % А + 40 % В 170 170 V 40 % А + 60 % В 300 170 VI 10 % А + 90 % В 420 170 VII 100 % В 450 450 Поданным табл. 1 строятся кривые охлаждения каждого сплава риса. Верхние точки кривых (1,1') соответствуют температурам начала затвердевания сплавов и называются температурами ликвидуса. Нижние точки (2,2') соответствуют температурам конца затвердевания и носят название температур солидуса. При построении диаграммы состояния сплавов на планшет в координатах температура – концентрация наносятся значения критических температур для каждого исследуемого сплава (рис. 30, б. Затем соединяя точки начала кристаллизации получают линию ликвидус (СДЕ), а присоединении точек конца кристаллизации – линию солидус (FДК). Таким образом, линии ликвидус и солидус представляют собой семейство точек соответствующих началу и концу кристаллизации многочисленных сплавов с различным содержанием компонентов. Выше температур, образующих линию ликвидус все сплавы данной системы находятся в жидком состоянии, а ниже линии солидус – в твердом. При температурах между этими линиями сплавы находятся в полужидком состоянии, те. в жидком расплаве находятся твердые фазы. 40 Следовательно, диаграмма показывает состояние сплава при любом соотношении содержания компонентов Аи В и при любой температуре. 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 2 2 2 2 2 2 1 1 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ,1 1 ,1 1 1 1 1 1 ,1 2 0 4 0 6 0 8 0 В ,% (1 0 0 % ) А ,% (1 0 0 % ) Т , о С Т , о С В В ре м я С F Д E K Ж I II II I IV V V I V II 2 , 2 2 , 2 2 , 2 2 , 2 а б Р ис 3 Порядок построения диаграммы состояния а - кривые охлаждения сплавов б - диаграмма состояния двухкомпонентного сплава Диаграммы дают возможность определять, какую структуру будут иметь медленно охлажденные сплавы, а также решать вопросы термической обработки, выясняя возможно ли при ее выполнении изменение микроструктуры. А поскольку технологические и эксплуатационные свойства сплавов тесно связаны сих микроструктурой, то для практического металловедения диаграммы играют очень большую роль. 2.2.3 . Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой образуют механические смеси (Ι рода) Диаграмма состояния сплавов (рис. 31) строится на основании компонентов Аи Б, фаз жидкости Ж, кристаллов компонента Аи кристаллов компонента В. Линия СДЕ – линия ликвидус, линия FДК – линия солидус. Наиболее характерным на диаграмме является сплав, кристаллизующийся в точке Д с одновременным выделением кристаллов компонента Аи компонента В. Такая механическая смесь двух (или более) видов кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкой фазы, называется эвтектикой, те. легкоплавящейся (от греч. eu- tektos ). Эвтектика образуется при строго определенном количественном соотношении компонентов (в данном случае соответствующем точке Д. Следовательно, сплав I при охлаждении до температуры, соответствующей точке Д, имеет жидкую фазу, а в точке Д кристаллизуется в эвтектику, которая обозначается Эвт [А+В] (риса. Сплавы диаграммы, находящиеся левее эвтектического, называются доэвтектиче- скими, а правее – заэвтектическими. В доэвтектическом сплаве II (рис. 31) при охлаждении до температуры, соответствующей точке 1, начинают выделяться кристаллы компонента А. Следовательно, концентрация этого компонента в остающейся жидкой фазе понижается. При достижении температуры солидуса (линия FДК) концентрация компонентов жидкой составляющей будет соответствовать эвтектической, в результате чего по окончании кристаллизации сплав образует эвтектику с находящимися в ней кристаллами чистого компонента А (рис. 32, б. Т, о С F Д K 20 40 60 80 В А В E Ж I II III 1 2 4 3 С Рис. 31. Диаграмма состояния сплавов 42 Т, о С Т, о С Т, о С D 2 D 1 2 3 4 4 Эвт[А+В] Эвт[А+В] А Ж В А Эвт[А+В] А Ж Эвт[А+В] Ж Ж В Эвт[А+В] В а б в Рис. 32. Кривые охлаждения сплавов а – эвтектического б – доэвтектического; в – заэвтектического Процесс кристаллизации заэвтектического сплава III протекает аналогично сплаву II. Разница состоит лишь в том, что при температуре ликвидус (точка 3) из жидкой фазы выделяются кристаллы чистого компонента В. По окончании кристаллизации сплав состоит из эвтектики Эвт [А+В] с расположенными в ней кристаллами компонента В (рис. 32, в. 2.2.4 . Правило отрезков В процессе кристаллизации при понижении температуры количество и концентрация фаз постоянно изменяются. Так, сплав Н (рис. 33) при температуре выше находится в однофазном жидком состоянии. При температуре ниже из жидкого расплава начинают выделяться твердые кристаллы компонента Аи сплав переходит в двухфазное состояние. При дальнейшем понижении температуры количество твердой фазы увеличивается, в результате чего концентрация компонента А в жидкой фазе уменьшается, а компонента В повышается. При температуре концентрация компонента А в жидкой фазе определяется проекцией точки в, те. отрезок Вв / показывает максимальное количество компонента А в жидкой фазе при температуре t 0 t, о С К Д М 20 40 60 80 В,% E Ж Н М 1 2 а o 0 20 40 60 80 А,% 0 в n m к o в м А В С t 1 t o t 2 t к Рис. 33. Диаграмма состояний двухкомпонентного сплава 43 При понижении температуры до точка 2) оставшийся жидкий сплав достигает эвтектической концентрации. Таким образом, при охлаждении сплава Н жидкая фаза изменяет свою концентрацию по линии 1вД, а выделяющиеся кристаллы компонента А имеют постоянный состав с концентрацией соответствующей вертикальной оси АС. Для характеристики сплава чаще всего требуется не только качественное определение, но и количество его структурных составляющих. Для решения подобных задач используется правило отрезков коноды. Конодой называется горизонтальная линия ав (см.рис. 33) параллельная оси концентраций, проведенная внутри исследуемой двухфазной области СДК до пересечения ее границ (точки аи в. Точка в граничит с областью жидкой фазы Ж, а точка а находится на вертикальной оси АС, соответствующей чистому компоненту А. Следовательно, рассматриваемая двухфазная система включает жидкую фазу, состоящую из атомов компонентов Аи В, в которой находятся кристаллы компонента А. Спроектировав точку в на ось концентраций, можно определить состав жидкой фазы приданной температуре. Так, в сплаве Н при t 0 в жидкой составляющей имеется в наличии 60 % компонента Аи компонента В. Определение количества фаз при определенной температуре проводится последующей схеме. Пусть требуется установить количество жидкой и твердой фаз сплава Н при температуре t 0 (см. рис. 33). Примем общее количество сплава за единицу, а количество твердой фазы (кристаллы компонента Азах. Тогда количество жидкой составляющей будет (х. В сплаве компонент А распределяется при между твердой и жидкой фазами. Количество компонента А в жидкой фазе соответствует отрезку Вв / , а в твердой фазе единице, те. отрезку ВА. Составим уравнение относительно компонента А, общее количество которого в сплаве соответствует отрезку Во. Его количество в твердой фазе будет равно ВА·х, а в жидкой - Вв / ·(1-х). Тогда ВА·х + Вв / ·(1 – х) = Во / х(ВА – Вв / ) = Во Вв / / / / В ВА В Во х в в , но Во Вв / = ов; ВА – Вв / = ав. Следовательно, количество твердой фазы составит Ах ав ов , а количество жидкой фазы Ж =1 – х = ав ао 44 Таким образом, для определения количества твердой фазы необходимо взять отношение части коноды, примыкающей к области жидкой фазы, к длине всей коноды, а для определения количества жидкой части сплава – отношение отрезка коноды, примыкающей к твердой фазе, к длине всей коноды. Правило отрезков применимо для любых температур и любых двухфазных областей диаграмм состояний. Например, сплав М, содержащий точкам компонента Аи компонента В при температуре t к состоит из эвтектики (точка m) и кристаллов компонента В (точка n). Количество эвтектики находится из выражения Эвт [А+В] = mn ка количество компонента Виз отношения В = mn к %. 2.2.5 . Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой неограниченно растворимы в жидком и твердом состояниях (ΙΙ рода) Компоненты сплавов компонент Аи компонент В фазы жидкий раствор Ж и кристаллы твердого раствора . Общий вид диаграммы приведен на рис. 34. Линия С1Д – линия ликвидус, линия С2Д – линия солидус. Подобные диаграммы характерны для сплавов, состоящих из компонентов с неограниченной растворимостью в жидком и твердом состояниях. Компоненты таких сплавов имеют одинаковые по типу с близкими параметрами кристаллические решетки. Рассмотрим кристаллизацию сплава I. При температуре образуются первые кристаллы твердого раствора состава точки m, те. содержащие Вm / компонента Аи А компонента В. Ввиду того, что в образовавшемся твердом растворе компонента В больше, он является растворителем. Значит вначале кристаллизации выделяются кристаллы В(А) – твердого раствора компонента А в компоненте В. С понижением температуры кристаллы твердого раствора продолжают выделяться. При этом их состав меняется по линии t, о С К Д 20 40 60 80 Ж Ж+ I 1 2 p o n m p n m А В С t 1 t 2 В,% Рис. 34. Диаграмма состояний сне- ограниченной растворимостью компонентов (ІІ рода) 45 солидуса. Одновременно с изменением состава твердого раствора изменяется и состав жидкой фазы по линии ликвидуса. Следовательно происходит перераспределение атомов компонентов Аи В между жидкой составляющей и кристаллами твердого раствора. Так, при температуре, соответствующей точке О, состав твердого раствора определяется точкой n , а жидкой фазы – точкой p. К концу кристаллизации (в условиях равновесия) все кристаллы становятся однородными и имеют состав, соответствующий точке К. Выравнивание состава кристаллов происходит за счет диффузии, те. перемещения атомов компонента А из жидкого расплава (в котором концентрация А более высокая) в имеющиеся кристаллы В(А). Однако диффузионные процессы протекают сравнительно медленно. Поэтому в реальных условиях быстрого охлаждения составы различных частей кристаллов полностью выровняться не успевают. Такое различие составов в одних и тех же кристаллах называется внутрикристаллической, или дендритной ликвацией. Дендритную ликвацию можно существенно понизить путем нагрева сплавав твердом состоянии до высоких температур, при которых диффузия протекает более интенсивно, и состав зерен выравнивается. 2.2.6 . Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой неограниченно растворимы в жидком состоянии и ограниченно в твердом (III рода) Компоненты сплавов компонент Аи компонент В фазы жидкий раствор Ж, ограниченный твердый раствор А(В), кристаллы компонента Аи кристаллы компонента В. Твердый раствора А(В) обозначим через α. В зависимости от вида реакций, в условиях существования фаз может быть два вида диаграмм диаграмма с эвтектикой и диаграмма с перитектикой. Диаграмма с эвтектикой Сплавы с ограниченной растворимостью компонентов в практике встречаются чаще, чем с неограниченной. Ограниченная растворимость состоит в том, что один компонент растворяется в другом до определенного предела. Если растворяемого компонента в сплаве будет больше предела растворимости, то он в твердый раствор не войдет и образуется механическая смесь насыщенного твердого раствора и кристаллов избыточного компонента. Диаграмма состояния с ограниченной растворимостью компонента В в компоненте Аи отсутствием растворимости А в В приведена на рис. 35. На этой диаграмме линия РДЕ – линия ликвидуса, линия РМДН – линия солидуса. Линия МДН – линия эвтектики [ +В. Линия КМ показывает растворимость компонента В в компоненте А. Следовательно, концентрация сплава, соответствующая точке К, показывает растворимость В в А при температуре А, а точка М соответствует максимальной растворимости компонента В в компоненте А. Значит, сплавы левее КМ состоят из кристаллов ненасыщенного твердого раствора А(В); на самой линии КМ насыщенные кристаллы А(В); правее линии КМ в сплавах кроме насыщенных кристаллов А(В), будут еще кристаллы избыточного компонента В, которые обозначаются В II Рассмотрим процесс кристаллизации некоторых сплавов этой системы. Сплав I начинает кристаллизоваться при понижении температуры ниже соответствующей точки 1 (ликвидус) с выделением кристаллов твердого раствора . При температуре 2 (солидус) кристаллизация заканчивается, и сплав в равновесных условиях состоит только из кристаллов твердого раствора . От температуры 2 до полного охлаждения в сплаве никаких структурных изменений не происходит. В сплаве II вначале кристаллизации (точка 3) из жидкого расплава начинают выделяться кристаллы твердого раствора . Кристаллизация заканчивается при температуре 4. В интервале температур 4–5 сплав состоит только из твердого раствора . Ниже точки 5, ввиду ограниченной растворимости, в компоненте Ане может раствориться столько компонента В, сколько его содержится в сплаве. Поэтому избыточный компонент В будет выделяться изв виде вторичных кристаллов В. Этот процесс происходит до полного охлаждения сплава и называется вторичной кристаллизацией. В результате после охлаждения сплав состоит из твердого раствора А(В) и очень мелких вторичных кристаллов компонента Вт. е. +В II Кристаллизация сплава III начинается при температуре ниже точки 6 с выделением кристаллов . При дальнейшем понижении температуры (между точками 6–7) количество твердого раствора увеличивается, и его состав меняется по линии солидус (линия РМ). Состав жидкого раствора также изменяется, но по линии ликвидуса (РД). Так, например, при а состав твердого раствора соответствует точке с , а состав t, о С M II 20 40 60 80 Ж Ж+ I 1 2 А В III В,% К Д P E Н 3 Л IV 4 5 c 6 o 6a 7 8 9 Эвт[ +В]+В Ж+В +B II t 6a t Э t А Д о с Рис. 35. Диаграмма состояний с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (ІІІ рода 47 жидкой фазы – точке о . При достижении эвтектической температуры t Э (точка 7) состав кристаллов соответствует максимальной растворимости В в А (точка М, а жидкий – точке Д. Последний, закристаллизовавшись, образует эвтектику, состоящую из кристаллов состава точки Ми кристаллов чистого компонента В Эвт [ + В. В итоге после окончании кристаллизации, сплав будет иметь следующий состав + Эвт [ + В. При дальнейшем понижении температуры наступает ограничение растворимости В в А. Из твердого раствора (как в самостоятельной фазе, таки в составе эвтектики) начинают выделяться кристаллы В, что ведет к уменьшению компонента В в твердом растворе по линии МКВ+ Эвт [ + В + В. В связи стем, что очень мелкие кристаллы В II внутри эвтектики объединяются с кристаллами В в однородные зерна и обычно не обнаруживаются при микроскопических исследованиях окончательный состав сплава III записывается таким образом + В + Эвт [ + В. Сплав IV на первом этапе кристаллизации выделяет чистый компонент В, количество которого при понижении температуры увеличивается. Состав жидкого раствора изменяется по линии ДЕ и при достижении эвтектической температуры (точка 9) имеет концентрацию компонентов Аи В определяемой точкой Д (эвтектическая смесь. В результате по окончании кристаллизации сплав IV имеет состав Эвт [ + В + В. При дальнейшем охлаждении из-за ограниченной растворимости твердого раствора в составе эвтектики из выделяются кристаллы В, которые объединяются с кристаллами В в однородные зерна. В результате до окончательного охлаждения сплав IV структурно не изменяется. Диаграмма с перитектикой Твердые растворы могут образоваться не только из жидкой фазы, но и при ее взаимодействии с твердой. Процесс образования новой фазы за счет растворения существующей твердой фазы в жидкости называется перитектическим (рис. 36). Компоненты диаграммы компонент Аи компонент В. Фазы жидкая – Ж, ограниченный твердый раствор компонента В в компоненте Аи кристаллы компонента В. Линия СКД – линия ликвидуса, СРМ – линия солидуса, РН – линия растворимости компонента В в компоненте А, КРМ – линия перитектического, превращения, которое происходит при температуре t П Сплав I (перитектический) начинает кристаллизоваться при температуре, соответствующей точке 1 с выделением кристаллов компонента В. При понижении температуры количество кристаллов В увеличивается, а его концентрация в жидкой фазе уменьшается. 48 Состав жидкой составляющей изменяется по линии К и при температуре t П достигает концентрации компонентов соответствующей точке К, те. достигаются условия, при которых происходит перитектическая реакция жидкий расплав состава К взаимодействует с кристаллами компонента В и образует твердый раствор , состав которого соответствует точке Р. Следовательно, для образования перитектического состава (в соответствии с правилом отрезков) необходимо, чтобы количество жидкой фазы состава К соответствовало отрезку РМ, а количество кристаллов В – отрезку КР. При дальнейшем охлаждении сплава, ввиду ограниченной растворимости компонента В в компоненте А (линия РН), из твердого раствора перитектического состава будут выделяться кристаллы В. В итоге после полного охлаждения перитектический сплав I состоит из твердого раствора и вторичных кристаллов компонента В + В II Кристаллизация сплава II начинается при температуре, соответствующей точке 2 с выделением первичных кристаллов В. При достижении температуры t П (точка 3) состав жидкого раствора соответствует точке К. При этой температуре происходит перитектическая реакция, для которой требуется количество жидкой фазы соответствующее отрезку РМ. В рассматриваемом случае количество жидкой фазы соответствует отрезку М, что больше необходимого для перитектической реакции. В связи с этим, часть жидкого расплава в перитектическом превращении принимать участия не будет, и сплав II в точке 3 состоит из кристаллов твердого раствора (состав Р) и жидкой фазы (состава К. При дальнейшем охлаждении до точки 4 оставшаяся жидкость затвердевает с образованием . После окончательного охлаждения сплав состоит только из зерен твердого раствора . В сплаве III кристаллизация начинается также с выделения первичных кристаллов компонента В. При понижении температуры (между точками и 6) количество жидкого расплава уменьшается, его состав изменяется по линии К и к точке 6 достигает соответствующего точки К. По окончании кристаллизации (точка 6) происходит перитектическая реакция от взаимодействия жидкой фазы состава точки К и первичных кри- t, о С M II 20 40 60 80 Ж I 1 2 А В III В,% К Д P С Н 3 4 5 6 Ж+В +B II t п Ж+ +B II +B изб К Рис. 36. Диаграмма состояний сплавов с перитектикой 49 сталлов В. В связи стем, что для этой реакции требуется количество кристаллов В, соответствующее отрезку КР, а имеется больше (отрезок К, часть кристаллов В в перитектическом превращении принимать участия не будет, и сплав после кристаллизации состоит из твердого раствора состава Р и первичных кристаллов компонента В, которые называются избыточными (В изб ). При дальнейшем охлаждении, ввиду ограниченной растворимости компонента В в А, из твердого раствора будут выделяться вторичные кристаллы компонента В. Окончательно структура сплава III будет В + В изб 2.2.7 . Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой в твердом виде образуют устойчивые химические соединения (IV рода) В металлических сплавах могут образовываться различные химические соединения как между двумя или несколькими металлами (интерметаллиды, таки между металлами и неметаллами (карбиды, оксиды, нитриды и др. Обычно химическое соединение имеет свою кристаллическую решетку, отличную от кристаллических решеток составляющих его компонентов. Поэтому свойства химического соединения всегда резко отличаются от свойств этих компонентов. Химическое соединение, как правило, имеет высокую твердость, малую пластичность, большое электросопротив- ление, относительно низкую теплопроводность. Следовательно, если ка- кие-либо металлы Аи В образуют химическое соединение, то оно может быть обозначено простой формулой А n В m , которая показывает, что между собой соединяются n атомов компонента Аи атомов компонента В, образующие одну кристаллическую решетку. На диаграмме состояний этому соединению будет соответствовать определенная ордината. Химические соединения могут быть устойчивыми или неустойчивыми. В первом случае они сохраняются до температуры плавления, во втором – распадаются ниже температуры плавления. Если в химическом соединении возможна замена какой-то части атомов одного из элементов атомами другого, то образуется твердый раствор на основе химического соединения. Основными данными диаграммы состояния двух компонентов, образующих одно химическое соединение, в котором оба компонента не растворяются (рис. 37) являются компоненты диаграммы компонент Аи компонент В фазы жидкая ж, кристаллы компонента А, кристаллы компонента В, кристаллы химического соединения А n В m ; линия СДЕМН – линия ликвидуса, ОДРКМЛ – линия солидуса линии ОДР и КМЛ – линии 50 эвтектических превращений. Точка Е соответствует температуре плавления химического соединения А n В m t, о С M О 20 40 60 80 Ж К А В В,% С Д P E Н Л А + Э вт 1 [А + + А n В m ] Ж+В Ж+А n В m Ж+А n В m Ж+А Э вт 1 [А + + А n В m ]+ А n В m Эвт 2 [А n В m + +В]+А n В m Эвт 2 [А n В m + +В]+В А n В m Рис. 37. Диаграмма состояния сплавов, образующих устойчивое химическое соединение (ΙV рода) Приведенную диаграмму, можно рассматривать как две простые диаграммы первого рода диаграмму состояния сплавов компонента Аи химического соединения А n В m и диаграмму состояния того же химического соединения и компонента В. Следовательно, диаграмма состояния сплавов в случае образования химического соединения раскладывается на две, в каждой из которых химическое соединение играет роль самостоятельного компонента. Сплав, кристаллизующийся в точке Д, состоит из механической смеси кристаллов компонентов Аи А n В m . Эта эвтектика на диаграмме обозначена Эвт 1 А + А n В m ]. Кристаллизация сплавов, расположенных левее точки Д, начинается с выделения кристаллов компонента А. При дальнейшем понижении температуры жидкая фаза изменяет концентрацию компонентов по линии СД (ликвидус) и при достижении температуры солидуса (линия ОР) претерпевает эвтектическую реакцию. В результате, до полного охлаждения эти сплавы состоят А + Эвт 1 А + А n В m ]. Кристаллизация сплавов, расположенных правее точки Д, начинается с выделения кристаллов А n В m , а заканчивается на линии ОР образованием Эвт 1 А + А n В m ]. В итоге после полного охлаждения сплавы имеют А n В m + Эвт 1 А + А n В m ]. Сплав, кристаллизующийся в точке М, образует эвтектику Эвт 2 [А n В m + В. Кристаллизация сплавов, расположенных левее точки М 51 начинается с выделения химического соединения А n В m , а расположенных правее – с образования кристаллов компонента В. Заканчивается кристаллизация обеих групп сплавов образованием Эвт 2 [А n В m + В. Поэтому сплавы между точками К и М после окончательного охлаждения имеют состав А n В m + Эвт 2 [А n В m + В, а сплавы между точками Ми Л – В + Эвт 2 [А n В m + В. 2.2.8 . Связь между диаграммами состояний и свойствами двухкомпонентных сплавов Рассмотренные диаграммы состояний дают характеристику строения сплавов различного состава при различных температурах. Вместе стем состав и строение сплавов оказывают влияние на их свойства. Исследованиям такой связи посвящены работы академика НС. Курнакова – одного из основоположников физико-химического анализа сплавов. На рис. 38 приведены зависимости свойств (в частности твердости, НВ) от состава сплава. t, о С HB В А б г в а В А В А В А В А В А В А В А А n В m В,% В,% В,% В,% Рис. 38. Зависимость твердости сплавов от вида диаграммы состояний В сплавах, имеющих структуру механических смесей (риса, кристаллы компонентов Аи В полностью сохраняют свои свойства. Поэтому свойства всех сплавов будут изменяться по прямолинейному закону от компонента А до компонента В. Сплавы с неограниченной растворимостью в твердом состоянии изменяют свои свойства по криволинейному закону в зависимости от химического состава (см. рис. 38, б. Кривая на диаграмме состав – свойства, как правило, имеет максимум. Например, твердость у твердых растворов может быть выше, чему чистых компонентов. Если сплавы образуют ограниченные твердые растворы (см. рис. 38, в, то свойства в области однофазных твердых растворов изменяются по криволинейному закону, а в области механических смесей – по прямолинейному. При образовании химического соединения А n В m (см. рис. 38, г, в котором не растворяются ни компонент Ани компонент В, свойства изменяются по ломаной линии с максимальным значением у химического соединения. Зная характер взаимодействия между типом диаграммы и свойствами, можно определять состав сплава, который формирует заранее заданные свойства. Контрольные вопросы 1. Дайте характеристику основных видов сплавов. 2. Что называется диаграммой состояния сплавов Основные виды диаграмм двухкомпонентных сплавов. 3. Для чего необходимо правило отрезков Какова связь между диаграммами состояний и свойствами двухкомпонентных сплавов 4. В чем состоит отличие твердых растворов внедрения и твердых растворов замещения 5. Какова структура сплавов в виде механических смесей 6. Что называется линией ликвидус 7. Что называется линией солидус 8. На основании каких данных строятся диаграммы состояния сплавов. Какова структура эвтектического сплава 10. Что называется вторичной кристаллизацией |