Лекция 7 диаграмма состояния
 Скачать 348.03 Kb.
|
|
Лекция №7 ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ. В зависимости от температуры, концентрации и видов взаимодействия компонентов, сплавы имеют различное состояние и структуру. Информация о состоянии и структуре сплавов просто и сжато может быть представлена в виде диаграммы состояния - графического изображения состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Строится диаграмма состояния различными методами: по кривым охлаждения сплавов, измерениям удлинения образца из сплава при охлаждении, наблюдением микроструктуры, рентгеновским методом и др. Если для двухкомпонентного сплава диаграмму строят по кривой охлаждения, то готовят серию образцов, в которых за 100% принимается все вещество образца, а соотношение компонентов изменяется от 100% компонента А и 0% Б до 0% А и 100% Б. Далее для каждого сплава строят кривую охлаждения от жидкого состояния до твердого, при этом фиксируют температуру, при которой меняется состояние сплава. После охлаждения сплавов проводится металлографический, рентгеноструктурный и другие анализы для выяснения структуры и фазового состава в твердом состоянии. Затем результаты сводятся в одну графическую зависимость - диаграмму состояния в координатах температура - концентрация компонентов. На диаграмме показана не только температура перехода сплава из твердого в жидкое состояние и наоборот, но и какие структуры имеются в сплавах до температуры плавления. Линия, выше которой сплавы находятся только в жидком состоянии, называется линией ликвидуса. Линия, ниже которой сплавы находятся только в твердом состоянии, называется солидус. Диаграмма с полной нерастворимостью компонентов в твердом состоянии (механических смесей или диаграмма I рода) Механические смеси компонентов сплава в твердом состоянии образуются, если компоненты не растворяются друг в друге и не вступают в химическую реакцию. Основные линии диаграммы: abc – линия ликвидус – геометрическое место точек начала кристаллизации сплавов различного химического состава: Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии. L – liquid. dbс – линия солидус – геометрическое место точек конца процесса кристаллизации; http://portal.tpu.ru:7777/SHARED/m/MELNIKOV_AG/Study_work/Tab2/Tab/L7.doc 30.10.2019, 22K27 Стр. 1 из 8 Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. abd – двухфазное состояние сплавов – происходит процесс кристаллизации компонента А. bce - двухфазное состояние сплавов – происходит процесс кристаллизации компонента В. Точка b – точка эвтектики; x b – эвтектический состав для данной пары компонентов. Сплавы и структуры, образующиеся до точки b на диаграмме, называются доэвтектическими. Сплавы и структуры, образующиеся в точке b на диаграмме, называются эвтектическими. Сплавы и структуры, образующиеся за точкой b на диаграмме, называются заэвтектическими. Для всех сплавов - доэвтектических и заэвтектических - микроструктура содержит эвтектику в том или ином количестве. Поэтому, линию dbс называют линией эвтектического превращения. Для сплавов, образующих механическую смесь, характерна ликвация. Ликвация - химическая неоднородность по удельному весу. Она проявляется при большой разнице в удельном весе. При медленном охлаждении более тяжелый компонент оседает на дно. Примером систем сплавов с практической нерастворимостью компонентов в твердом состоянии являются сплавы: Al - Si, Pb – Sb. Диаграмма с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (или диаграмма II рода) Оба компонента неограниченно растворимы в жидком и твердом состояниях и не образуют химических соединений. Если два компонента неограниченно растворяются в жидком и твердом состоянии, то возможно существование только двух фаз - жидкого раствора и твердого раствора a . Трех фаз быть не может, кристаллизация при постоянной температуре не наблюдается, и горизонтальных линий на диаграмме нет. Кристаллизация сплава начинается в т.1 возникновением зародыша a - твердого раствора. Из правила отрезков видно, что кристалл, выпадающий в точке 1 сильно обогащен тугоплавким компонентом Б. По мере охлаждения рост зародыша сопровождается и изменением химического состава кристалла по линии В - 2, а жидкая фаза изменяет свой состав по линии 1 - А. Таким образом, химический состав по сечению кристаллов будет переменным: центральная часть обогащена компонентом с большей температурой плавления, а периферия зерна - компонентом с меньшей температурой плавления. Это явление называется внутрикристаллической ликвацией. Это явление характерно для сплавов с данным типом диаграмм состояния. Затвердевание сплава завершается в т.2, в которой последние порции жидкости имеют состав максимально обогащенный компонентом А. После затвердевания состав сплава в твердом состоянии соответствует исходному - жидкому - составу. Примеры сплавов - Cu - Ni , Cu - Au . http://portal.tpu.ru:7777/SHARED/m/MELNIKOV_AG/Study_work/Tab2/Tab/L7.doc 30.10.2019, 22K27 Стр. 2 из 8 Диаграмма состояния с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (или диаграмма III рода) На диаграммах данного вида оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии и ограниченно в твердом и не образуют химических состояний. Также на диаграмме присутствуют фазы: жидкость, a и b фаза. α - твердый раствор компонента В в А; b - твердый раствор компонента А в В. В этой системе не образуются фазы, представляющие собой чистые компоненты. Из жидкости могут выделяться только твердые растворы a и b . Предельная растворимость В в А определяется линией df, а предельная растворимость А в В - линией eg. abc – линия ликвидус; X b – химический состав эвтектики. adec – линия солидус. df, eg – линии предельной растворимости в твердом состоянии. Сплав (1): Рассмотрим процессы, протекающие при кристаллизации доэвтектического сплава № 1. При охлаждении жидкости до температуры в точке 1, где зарождаются кристаллы твердого раствора компонента В в А. Заканчивается кристаллизация твердого раствора В в А ( a ) в точке 2. При охлаждении до точки 3 изменений в http://portal.tpu.ru:7777/SHARED/m/MELNIKOV_AG/Study_work/Tab2/Tab/L7.doc 30.10.2019, 22K27 Стр. 3 из 8 структуре сплава не происходит, как не происходит изменений и в концентрации твердого раствора - содержание компонента В равно его исходному содержанию в сплаве. При дальнейшем охлаждении ниже точки 3 концентрация компонента В в твердом растворе падает, т.е. атомы компонента В выделяются из твердого раствора. В структуре это проявляется появлением внутри зерен твердого раствора дисперсных частиц новой фазы. Как отмечалось выше, из твердого раствора a при охлаждении ниже линии df выделяется компонент В. Однако выделение происходит не в виде кристаллов чистого компонента B, а в виде частиц твердого раствора атомов А в кристаллической решетке компонента B. Таким образом, фактически происходит выделение b фазы из твердого раствора a . Эти частицы называют вторичными зернами b фазы и обозначают как b 2 , имея в виду, что выделение первичных кристаллов b фазы происходит для заэвтектических сплавов из жидкой фазы. Частицы b 2 фазы возникают у границы зерен или на определенных кристаллографических плоскостях существующей фазы. При дальнейшем охлаждении до комнатной температуры количество b 2 фазы увеличивается за счет роста имеющихся зародышей и появления новых. Скорость охлаждения оказывает сильное влияние на количество выделившейся фазы - чем выше скорость охлаждения, тем меньше b 2 фазы, и при определенной скорости охлаждения выделений не происходит. В таком случае говорят о закалке сплава. Сплав (2): При охлаждении эвтектического сплава отмечаются следующие особенности: у него самая низкая температура плавления (кристаллизации). Кристаллизация сплава при охлаждении начинается в точке b одновременным выделением из жидкости кристаллов a и b - твердых растворов компонентов B в А и А в B соответственно. Заканчивается переход из жидкого состояния в твердое при той же температуре, что и в начале кристаллизации в точке b. Структура сплава ниже точки b - эвтектика, состоящая из механических чередующихся зерен a и b твердых растворов. При дальнейшем охлаждении фазовых превращений не происходит, но растворимость составляющих эвтектику a и b уменьшается по правилу концентраций в соответствии с линиями ограниченной растворимости df - cg. В результате уменьшения растворимости из твердых растворов - выделяются вторичные мелкие кристаллы a и b фаз, причем, чем ниже температура, тем больше выделяется вторичных зерен. Сплав (3): При охлаждении сплава кристаллизация начинается при достижении температуры точки 4, лежащей на линии a - b. При этом выделяются кристаллы твердого раствора компонента B в кристаллической решетке компонента А ( a фаза ). Охлаждение до температуры ( × ) 5 увеличивает количество a фазы, при этом оставшаяся жидкая фаза, обедняясь по компоненту А, имеет состав, согласно правилу концентраций, эвтектический. Поэтому при температуре точки 5 остаток жидкости превращается в эвтектику, и тогда затвердевший сплав имеет структуру эвтектики с отдельными зернами a фазы. Для определения состава (соотношение a фазы и эвтектики) необходимо определить отношение отрезков d - 5 и 5 - c. При дальнейшем охлаждении превращений в сплаве не происходит, но концентрация растворенного компонента в твердых растворах a и b фаз, составляющих эвтектику, и отдельной a фазы уменьшается согласно линиям df - cg. Происходит выделение вторичных зерен a и b фаз. Диаграмма состояния для сплавов с устойчивым химическим соединением компонентов. В диаграммах состояния такого типа предусматривается, что оба компонента при определенном соотношении образуют одно устойчивое соединение типа АnBm со http://portal.tpu.ru:7777/SHARED/m/MELNIKOV_AG/Study_work/Tab2/Tab/L7.doc 30.10.2019, 22K27 Стр. 4 из 8 своей собственной кристаллической решеткой. В этом случае на диаграмме состояния появляется вертикальная линия, соответствующая содержанию компонентов в химическом соединении, верхняя точка, которой соответствует температуре плавления химического соединения. Если обозначить соединение АmBn как компонент - С, то диаграмма разделится на две части, которые аналогичны уже рассмотренным диаграммам, за исключением того, что один из элементов является химическим соединением. В каждой из этих диаграмм чистые компоненты и соответствующие химические соединения могут играть роль, как чистых компонентов, так и основы для твердых растворов. Это определяется физическими свойствами компонентов и их соединений. Важно, что на графике диаграммы надо обеспечить стыковку на важнейших точках линии ликвидус и солидус (должна получиться одна общая линия). Диаграмма состояния с полиморфным превращением Полиморфное превращение - это превращение в твердом состоянии одного типа кристаллической решетки в другую при изменении температуры или давления. Если компоненты, образующие систему сплавов, имеют полиморфные превращения, то на диаграмме состояния это проявляется в виде системы линий ниже линии солидуса. Эвтектикоподобная механическая смесь, состоящая из одновременно выделяющихся из твердого раствора g кристаллов твердого раствора a и кристаллов К (компанент b с низкотемпературной решеткой) в точке d называется эвтектоидом. Правило отрезков Правило отрезков применяется для двухфазных областей диаграммы. С помощью правила отрезков можно для сплавов постоянного химического состава определить при изменении температуры: 1. Весовое соотношение между фазами. 2. Изменение химического состава фаз. Правило отрезков для диаграмм I рода. http://portal.tpu.ru:7777/SHARED/m/MELNIKOV_AG/Study_work/Tab2/Tab/L7.doc 30.10.2019, 22K27 Стр. 5 из 8 Для линий abd, bce и части диаграммы ниже линии de можно применить правило отрезков. Выберем сплав определенного химического состава x и рассмотрим применение правила отрезков для этого сплава при температуре t 1 . Общее состояние сплава определяется точкой f. Правило отрезков позволяет определить относительное количество фаз. 1) Фазы L+B: 2) Химический состав фаз: Относительное количество фаз определяется отношением соответствующей части горизонтального отрезка, проведенного для заданной температуры t 1 – до пересечения с границами области к общей длине этого отрезка. Химический состав фаз при заданной температуре определяется проекцией точек пересечения горизонтального отрезка с заданными границами областей на ось химического состава. Правило отрезков для диаграмм II рода Для a1b2 работает правило отрезков: ; Химический состав фаз для рассматриваемой области определяется проекциями точек, попадающих на границу с областью, занимаемой соответствующей фазой, то есть в донном случае точка g на границе с областью – определяет химический состав - кристаллов, точка h на границе с областью L – определяет химический состав жидкости. Применим правило отрезков для точек 1, f и 2 сплава x. При этом химический состав образующихся -кристаллов будет меняться от x, через x g до исходного состава x в соответствии с правилом отрезков, то есть при кристаллизации -кристаллы, образующиеся на разных этапах кристаллизации имеют разный химический состав. Это противоречие связано с тем, что рассматриваемая нами диаграмма состояния является равновесной, то есть: а) Процесс фазового превращения происходит бесконечно медленно; б) Происходит диффузионное выравнивание химических составов каждой фазы; В действительности: а) Скорость кристаллизации конечна; б) Полного выравнивания химического состава твердой фазы не происходит, то есть в составе образовавшейся твердой структуры остаются -кристаллы с отличающимся от среднего химическим составом. Это явление носит название химической ликвации. Ликвация – процесс, при котором часть структуры сплава отличается по своему химическому строению от основного состава. В реальных сплавах всегда происходит процесс ликвации. http://portal.tpu.ru:7777/SHARED/m/MELNIKOV_AG/Study_work/Tab2/Tab/L7.doc 30.10.2019, 22K27 Стр. 6 из 8 Правило отрезков для диаграмм III рода Применим правило отрезков для линий adf, fdeg и ceg. Для сплава состава x при температуре t i (точка i). Две фазы: жидкость и -кристаллы: ; Для сплава x при температуре t l (точка l). Две фазы и : ; Для двухфазной области fdeg правило отрезков также работает. Изменение относительного количества и химического состава в этой области происходит за счет изменения растворимости компонентов друг в друге и соответствующих диффузионных процессов перераспределений внутри сплавов. Связь свойств сплавов с их диаграммой состояния Курнаков установил, что между типом диаграммы сплава и изменением его свойств, при изменении состояния, имеется соответствие. В его основе: 1) Изменение физических свойств твердых растворов существенно нелинейно зависит от их химического состава. 2) Изменение свойств механических смесей линейно связано с изменением относительного количества кристаллов в смеси. Эта связь позволяет: 1) При исследовании новых сплавов и определении их свойств существенно сократить объем исследований, так как характеристика соответствующего графика известна. 2) На основе характеристик изменения свойств сплава уточнить соответствующие структуры превращения в нем. http://portal.tpu.ru:7777/SHARED/m/MELNIKOV_AG/Study_work/Tab2/Tab/L7.doc 30.10.2019, 22K27 Стр. 7 из 8 http://portal.tpu.ru:7777/SHARED/m/MELNIKOV_AG/Study_work/Tab2/Tab/L7.doc 30.10.2019, 22K27 Стр. 8 из 8 |