Как составить диаграмму состояния сплавов

Диаграммы состояния – одна из самых неприятных и сложно воспринимаемых тем, которые изучают инженеры материаловеды. Настигает эта великолепная вещь всех, кто изучает физическую химию.

Я решил, что информация по этому вопросу может оказаться полезной не только инженерам или материаловедам, но и всем читателям, которые так или иначе связаны с науками о материалах.

Поскольку тема довольно сложная и пишется далеко не с “чистого листа”, я планирую сделать ряд материалов по этому вопросу. Начну с этой статьи, в которой отражу самые основные вопросы и знания про диаграммы состояний. Если статья будет востребована, то я продолжу и цикл статей и так постепенно опишу весь этот вопрос.

Ну а сегодня обсудим основы :)…Итак, пристегните ремни!

Что вообще такое диаграмма состояния? Тут нет ничего волшебного. Просто нужно один раз вникнуть в вопрос и привыкнуть к специфическому отображению информации.

Диаграмма состояния – это специфический график, на котором отображается процентное содержание компонентов, входящий в сплав, температуры системы, их состояния и критические характерные точки.

Проще всего разобраться в азах вопроса, рассматривая самую простую систему двойной системы с неограниченной растворимость компонентов друг в друге. Напомню, что двойная система – это самый обычный сплав из двух компонентов.

Примем условно, что в нашем случае на примере один компонент сплава – это А, второй компонент В.

Есть и более сложные диаграммы состояния. Например, диаграммы состояния для тройных (и более систем) или диаграммы типа железо-углерод. Диаграмму железо углерод любят все студенты инженеры :))…

Что мы видим перед собой? Координатную плоскость. Пространство двухмерное.

По оси икс отложены концентрации компонентов условного сплава А и В. Концентрации эти в процентах. Теперь самый главный вопрос. Где А, а где В :)? Это первый вопрос, на котором все сыпятся.

Тут используется хитрый индейский способ, когда на одной оси мы откладываем сразу два компонента. Оно и логично. Ведь система-то равновесная! Если Компонента А – 20%, то В – 80%. И наоборот.

По оси игрЁк у нас отложена температура системы.

Чтобы найти точку, соответствующую сплаву,в котором А 20%, а В 80%, нужно поставить точку на оси ИКС. Теперь поднимем эту точку до пересечения с перпендикуляром от оси ИгрЁк и увидим состояние сплава АВ при нужной температуре. Всё также, как на обычном графике.

Вот точка пересечения и даст нам состояние системы.

А что это за состояние такое?

Под состоянием понимается фазовый состав и физическое состояние системы.

Вот например в нашем случае мы попали в точку, где есть альфа – фаза и есть жидкость (или расплав). И наблюдаем мы эту картинку при 500 градусах. А что это такое за адовое состояние, когда есть и альфа фаза, и жидкость? Это можно представить, как расплавленную частично плитку шоколада. Вроде как и частично твёрдое ооталось, и жидкость уже есть.

Ещё на сегодня отметим, что есть у нас линии Ликвидус и Солидус. Ликувидус сверху, солидус снизу.

Ликвидус показывает линию полного плавления твёрдой фазы, т.е. вот были у нас какие-то кристаллики альфа в расплаве, а по этой линии они ВСЕ расплавились. Всё что выше неё в системе есть жидкость.

Солидус – тоже самое, но про затвердевание. Процесс обратный.

Как видите, тут у нас между солидусом и ликвидусом есть некоторое пространство альфа + жидкость. Но его могло бы и не быть.

Зоны с состояниями определяются экспериментально. Ну а диаграммы есть для каждого из сплавов. Даже для систем типа Торий-Радий :)…

Ну и подытожим наш вводный урок вот такой аналитикой. Практика так сказать.

Есть у нас сплав АВ (А – 20%, В -80%). Нашли его на диаграмме. Поднимаем перпендикуляр вверх. Видим, что сначала прямая у нас пересекла линию солидус при 300 градусах,а потом и ликвидус при 900 градусах. Чем нам это полезно?

Мы видя этот график, знаем, что наш сплав АВ при температуре до 300 градусов представляет собой твёрдый раствор, затем мы имеем зону от 300 до 900 градусов, где есть твердый раствор и появилась жидкость, ну а выше 900 градусов у нас жидкость (или расплав).

Вот примерно и всё, что я хотел осветить на первом уроке. Если интересно или полезно, пишите в комментариях.

Смотрите инженерные знания и образовывайтесь :)…

1. Диаграммы состояния сплавов

Сплавы в подавляющем числе случаев
находятся в состоянии, когда они обладают
ограниченной устойчивостью. Истинное
равновесие в практических условиях
достигается редко. Состояние сплава
зависит от внешних условий (например,
температуры, давления) и характеризуется
числом и концентрацией образовавшихся
фаз. Для описания фазового состава
сплавов в условиях, достаточно близких
к равновесному состоянию, применяют
диаграмму
состояния.

Диаграмма
состояния (фазового равновесия) сплава
— графическое изображение соотношения
между параметрами состояния (температурой,
давлением, составом) термодинамически
равновесной системы, в зависимости от
концентрации компонентов (в процентах
по массе или, реже, в атомных процентах)
и температуры.

Диаграмма состояния показывает строение
сплава в зависимости от соотношения
компонентов и от температуры. Обычно
применяют проекции диаграммы состояния
на одну из координатных плоскостей при
постоянном значении остальных параметров,
например, на плоскость температура —
состав при постоянном давлении.

Диаграммы состояния сплавов получают
на основании данных экспериментальных
исследований термического, микроскопического,
рентгеноструктурного, магнитного и
других анализов. Основным, наиболее
простым и широко используемым является
метод термического анализа. При этом
анализе определяют температуру начала
и конца затвердевания сплавов при
переходе их из жидкого состояния в
твердое, а также температуры всех фазовых
превращений, происходящих в сплавах в
твердом состоянии (например, полиморфизм).

Диаграмма состояния строится
экспериментально по кривым охлаждения
сплавов. В отличие от чистых металлов
сплавы кристаллизуются не при постоянной
температуре, а в интервале температур.
Поэтому на кривых охлаждения сплавов
имеется две критические точки (рис.
2.11.). В верхней критической точке,
называемой точкой ликвидус (t_л),
начинается кристаллизация. В нижней
критической точке, которая называется
точкой солидус (t_с),
кристаллизация завершается.

Рис. 2.11. .кривые охлаждения сплавов: а) механической смеси; б) твердого раствора

Кривая охлаждения механической смеси
(рис. 2.11. а) отличается от кривой охлаждения
твердого раствора (рис. 2.11 б) наличием
горизонтального участка. На этом участке
происходит кристаллизация эвтектики.
Эвтектикой называют механическую смесь
двух фаз, одновременно кристаллизовавшихся
из жидкого сплава. Эвтектика имеет
определенный химический состав и
образуется при постоянной температуре.

Диаграмму состояния строят в координатах
температура-концентрация. Линии диаграммы
разграничивают области одинаковых
фазовых состояний. Вид диаграммы зависит
от того, как взаимодействуют между собой
компоненты. Для построения диаграммы
состояния используют большое количество
кривых охлаждения для сплавов различных
концентраций.

Полученные на кривых охлаждения
характерные (критические) точки,
фиксирующие начало и конец горизонтальных
(изотермических) участков или перегибов,
переносят в координаты температура —
состав сплава. В получившихся на диаграмме
областях записывают фазы или структурные
составляющие. Линия диаграммы состояния
на которой при охлаждении начинается
кристаллизация сплава называется линией
ликвидус, а линия на которой кристаллизация
завершается — линией солидус.

Фазовый анализ кривых охлаждения
проводят, используя правило фаз Гиббса
(закон фаз): число равновесно
сосуществующих в какой-либо системе
фаз не может быть больше числа образующих
эти фазы компонентов, плюс, как правило,
1 (для систем при Р = const).

Рис. 2.12. Диаграмма состояния системы А–В с непрерывными жидкими и твердыми растворами. Случай неограниченных твердых растворов компонентов, например, Сu и Ni (α)

Правило фаз Гиббса связывает число
существующих фаз Ф, число компонентов
сплава К и число степеней свободы С в
одно уравнение:

С = К – Ф + 1. (2.0)

В любой
точке двухфазной
области диаграммы состояния можно
определить количество фаз, их процентное
соотношение и концентрацию. Для этого
используют правило
отрезков (рычага), когда относительные
количества
равновесных фаз при заданной температуре
обратно пропорциональны
отрезкам коноды данного сплава.
Практически в точке
b

,
%, (2.0)

где Q_ж
– содержание жидкой фазы; аb
– отрезок,
прилегающий к фазе твердого раствора,
ас – длина коноды
– линии, соединяющей две ноды, то есть
фигуративные точки,
соответствующие составу фаз (а
и с)
(рис. 2.12.).

В случае нерастворимости компонентов

,
%, (2.0)

то есть,
если определяем
количество жидкости, участвует отрезок,
прилегающий к твердому
компоненту, и наоборот (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Диаграмма состояния сплава с компонентами, не образующими твердых растворов

Степенями
свободы (вариантностью)
системы называются такие независимые
параметры (температура, давление,
концентрация), при изменении которых
число фаз, находящихся в равновесии, не
меняется.

Правило фаз Гиббса позволяет определить,
какие параметры системы (например,
температура и состав) можно изменить
без изменения числа фаз, то есть
безвариантно (нонвариантно) или с
изменением (моно- и бивариантно).

При нонвариантном равновесии сплав из
данного числа фаз может существовать
только при постоянной температуре и
определенном составе всех находящихся
в равновесии фаз. Это означает, что
превращение начинается и заканчивается
при одной постоянной температуре.

Так, например, эвтектические и
перитектические превращения, протекающие
при участии трех фаз постоянного состава,
соответствуют нонвариантному равновесию
и протекают при постоянной температуре.

Диаграммы
состояния одно- или двухкомпонентных
систем — плоскостное
изображение, на котором конкретные
состояния системы характеризуются
такими геометрическими образами, как
точки и линии.

На диаграмме состояния двухкомпонентных
систем на оси абсцисс точками указываются
составы сплавов, а на двух осях ординат
(каждая соответствует 100%-ному содержанию
одного из компонентов) — их температура.
Любая точка на диаграмме определяет
фазовый и химический составы сплава, а
также его структуру при данной температуре.
Вертикальная линия соответствует
определенному химическому составу. Вид
диаграммы состояния двойной системы
определяется взаимодействием ее
компонентов в жидком и твердом состояниях
(образованием жидких и твердых растворов,
химических соединений и промежуточных
фаз), а также наличием полиморфных
превращений компонентов.

Диаграммы состояния первого типа
относятся к сплавам, компоненты которых
А и В неограниченно растворяются
один в другом в жидком состоянии и не
растворяются в твердом (рис. 2.14).

Рис. 2.14. Диаграмма состояния сплава с неограниченной растворимостью компонентов в жидком состоянии и отсутствием растворимости в твердом

Выше линии асb
сплав находится в жидком состоянии.
При охлаждении сплава ниже линии ас
(линия ликвидус) начинается кристаллизация
компонента А и в области acd
находится жидкий сплав и кристаллы
компонента А. С понижением температуры
увеличивается содержание кристаллов
А и соответственно уменьшается
содержание компонента А в жидком
сплаве. При температуре, соответствующей
линии dc (линия
солидус), содержание компонентов в
оставшемся жидком сплаве достигает
значений, соответствующих точке с,
и происходит затвердевание жидкого
сплава.

При этом образуется механическая смесь
из мелких равномерно распределенных
кристаллов А и В, называемая
эвтектикой. При первоначальной
концентрации компонентов в жидком
сплаве, соответствующей эвтектической
точке с, происходит сразу переход
жидкого сплава в эвтектику. Кристаллизация
ниже линии cb (линия
ликвидус) начинается вначале с компонента
В, а затем при охлаждении до температур
линии се (линия солидус) также
образуется эвтектика. Ниже линии dсe
(линия солидус) сплавы находятся в
твердом состоянии. Микроструктуры
сплавов с первым типом диаграммы
состояния после равновесной кристаллизации
соответствуют:

• при
  концентрации компонентов эвтектической
  точки с — совокупности «зерен»,
  образованных эвтектикой двух фаз;

• при
  отклонении концентрации компонентов
  вправо или влево от концентрации
  эвтектической точки с — совокупности
  «зерен» эвтектики и зерен соответствующего
  избыточного компонента (вправо — А,
  а влево — В).

Диаграммы состояния второго типа
характерны для сплавов, компоненты
которых неограниченно растворяются
один в другом и в жидком состоянии, и в
твердом. Особенность сплавов с такой
диаграммой состояния — отсутствие
эвтектики (рис. 2.15).

Рис. 2.15. Диаграмма состояния сплава с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях

Сплавы рассматриваемой системы после
равновесной кристаллизации представляют
собой совокупность зерен твердого
раствора, и микроструктура в принципе
ничем не отличается от микроструктуры
чистого металла (рис. 2.16).

Рис. 2.16. Микроструктуры сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях

Диаграммы состояния третьего типа
относятся к сплавам, компоненты которых
неограниченно растворимы в жидком
состоянии и ограниченно в твердом (рис
2.17). Такой тип растворимости наиболее
часто встречается в металлических
сплавах. При образовании ограниченных
твердых растворов различают два типа
диаграмм состояния – с эвтектическим
и перитектическим превращениями.

Рис. 2.17. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и ограниченной в твердом состоянии (с эвтектическим превращением)

На диаграмме состояния третьего типа
с эвтектическим превращением ниже линии
ad образуется
твердый раствор (В в А), ниже
линии be — твердый
раствор (А в В). Максимальная
растворимость компонента В в
компоненте А в твердом состоянии
соответствует отрезку zd.
Линия adceb — линия
солидус. В точке с образуется
эвтектика. С понижением температуры
ниже линии солидус растворимость
компонента В в компоненте А
уменьшается в соответствии с линией
df, поэтому из
твердого раствора выпадает компонент
В в виде вторичного твердого раствора
β_вт компонента В в компоненте
А. Соответственно ниже линии eq
выпадает вторичный твердый раствор
– α_вт. Избыточная β-фаза чаще всего
представляет собой химическое соединение.

При
эвтектическом превращении жидкость
кристаллизуется с образованием
двух фаз, а при перитектическом –
жидкость за счет реакции
с ранее выпавшими кристаллами образует
новый вид кристаллов.
На линии перитектики СРD
в
точке Р
происходит
реакция Ж
+ β → α, когда образуется твердый раствор
α состава Р
наряду
с раствором
β состава D
(рис.
2.18). Тогда
получим соотношение по правилу отрезков
;
%.

Рис. 2.18. Диаграмма состояния сплавов с перитектическим превращением

Характер возможных микроструктур таких
сплавов после полной кристаллизации
может быть следующим (рис. 2.19).

Рис. 2.19. Формы выделения избыточных фаз в двухфазных системах: а) пластинчатая; б) игольчатая; в) сферическая

Твердые
растворы чаще всего ограниченные, то
есть имеющие предел
растворимости. Элементы сверх этого
предела переходят в
эвтектику, а также могут образовывать
химические соединения. Химические
соединения, которые при повышении
температуры разлагаются,
являются неустойчивыми и поэтому не
представляют
практического интереса. Устойчивые
соединения, сохраняющие
свою оригинальную кристаллическую
решетку до расплавления,
играют роль самостоятельного компонента
системы. Они обладают специфическими
свойствами: чаще всего они хрупкие, но
твердые, что широко используется на
практике. Например, инструментальные
стали содержат карбиды, нитриды, силициды
и другие химические соединения, повышающие
твердость и красностойкость (рис. 2.20).

Рис. 2.20. Диаграмма состояния сплавов с ограниченными твердыми растворами и химическими соединениями

Пример построения диаграммы состояния
для системы олово — цинк с анализом ее
фазового и структурного состава
представлен на рис. 2.21. Компоненты данной
системы неограниченно растворимы друг
в друге в жидком состоянии, а в твердом
нерастворимы и образуют легкоплавкую
эвтектику.

Рис. 2.21. Диаграмма состояния сплавов системы Sn – Zn (г) и кривые охлаждения: а) 100 % Sn; б) 4 % Zn + 96 % Sn; в) 9 % Zn + 91 % Sn; д) 60 % Zn + 40 % Sn; е) 100 % Zn

Следует отметить, что все описанные
изменения фазового и структурного
состава, происходящие при охлаждении
сплавов, обратимы, то есть они в обратном
порядке совершаются также и при нагреве
сплавов. Таким образом, проводить анализ
фазового или структурного состояния
сплавов можно и по кривым охлаждения,
и по кривым нагревания. По диаграмме
состояния конкретного сплава можно
определить температуры кристаллизации
и превращений в твердом состоянии и
структуры сплавов при любой заданной
температуре. Получаемая информация
позволяет примерно оценить механические,
физические и химические свойства сплава
и правильно подобрать режимы термической
обработки, обработки давлением, сварки
и др., и, в конечном итоге, рационально
выбрать материал для тех или иных изделий
в зависимости от предъявляемых к ним
требований.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Построение диаграммы состояния

Промышленное оборудование

• Хиты
• Новинки
• Спецпредложения

Хит

Грузоведущий конвейер применяется на операциях сборки кузовов, кабин и рам автомобилей. Узел автомобиля перемещается на специальной тележке, оборудованной устройством сцепления с цепью.

Хит

Портально фрезерный станок с ЧПУ Axis FZ1 предназначен для высокоточной металлообработки крупногабаритных заготовок, размер которых может доходить до нескольких метров, а масса — составлять несколько тонн.

Хит

Сверлильный портальный станок с ЧПУ Axis DZ1 – это современное оборудование, созданное для выполнения, таких задач как фрезерование, гравировка, сверление.

Хит

Новинка

Ленточнопильный станок с ЧПУ Axis S2 – это эффективный
инструмент для металлообработки, предназначенный для распиливания прокатных,
кованых, литых заготовок (круглый металлопрокат, трубы, уголки, швеллеры и
прочие изделия). 

Новинка

Станок ЧПУ для резки металла Axis С1 – высокоточное металлообрабатывающее оборудование, предназначенное для раскроя листового проката, фигурной и прямолинейной резки листового металла.

Новинка

Так все больше распространение получают ленточные конвейеры или системы конвейеров на базе пластиковой модульной ленты.

1.1. Диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение фазового состояния сплавов и критических точек в зависимости от температуры и концентрации в условиях равновесия.

Для того чтобы обеспечить равновесное состояние системы, охлаждение сплава из жидкого состояния осуществляют очень медленно. Равновесными считаются такие условия, при которых процессы, протекающие в системе, являются обратимыми. В данном случае – процессы, происходящие при охлаждении сплава, должны в точности совпадать с процессами, протекающими при его нагреве.

Диаграмму состояния строят в координатах температура – концентрация (рис. 3.4). Для сплавов, состоящих из двух компонентов А и В, состав характеризуется отрезком прямой, принятым за 100 %. Крайние точки А и В соответствуют 100 % чистых компонентов. Любая точка на этом отрезке характеризует состав двойного сплава. Так, например, точка С соответствует сплаву, состоящему из 20 % В и 80 % А; точка D  – 60 % В и 40 % А.

Для построения диаграммы состояния из компонентов изготовляют  серию сплавов различного состава и для каждого из них строят кривую охлаждения по результатам термического анализа в координатах температура – время (так же, как для металлов). Особенности поликристаллического строения сплавов в твердом состоянии изучаются с помощью оптического микроскопа обычно при 100–1000-кратном увеличении. Атомная структура сплавов и параметры кристаллических решеток определяются методом рентгеноструктурного анализа.

Рис. 3.4. Координаты для изображения диаграммы состояния двухкомпонентной системы

В зависимости от характера строения двухкомпонентных сплавов (в жидком состоянии оба компонента неограниченно растворяются друг в друге, образуя однородный жидкий раствор) различают следующие основные типы диаграмм состояния:

1) при образовании компонентами механической смеси;

2) при неограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии;

Рекомендуемые материалы

3) при ограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии;

4) при образовании компонентами химического соединения.

Диаграмма состояния сплавов из компонентов,
образующих в твердом состоянии механическую смесь

Экспериментально установлено, что при совместной кристаллизации сплавов, компоненты которых не растворяются друг в друге в твердом состоянии, температура начала кристаллизации всегда ниже, чем у исходных компонентов. Температура же окончания процесса перехода в твердое состояние одинакова для сплавов любого состава двухкомпонентной системы.

На рис. 3.5 приведена диаграмма состояния сплава с компонентами А и В. Выше линии КСN все сплавы двухкомпонентной системы представляют собой однофазный жидкий сплав (ж. с.). Эта линия называется линией ликвидуса  (с греч. – жидкий), линия DСЕ – линией солидуса (с греч. – твердый). Ниже линии DСЕ все сплавы находятся в твердом состоянии. Сплав, соответствующий точке С, называется эвтектическим (эвтектикой).

Эвтектикой, таким образом, называется механическая смесь кристаллов двух (или более) твердых веществ, одновременно закристаллизовавшихся из жидкого сплава при температуре ниже температуры плавления отдельных компонентов или любых других их смесей. Это определение относится к твердой эвтектике. Жидкой эвтектикой называется жидкий расплав (раствор), из которого возможна такая кристаллизация.

В отличие от эвтектики, эвтектоид – аналогичная ей составляющая металлических сплавов, – образуется не из жидкой, а из твердой фазы. Эвтектоид, по сравнению с эвтектикой, имеет более тонкое дисперсное строение из двух или более фаз.

Рис. 3.5. Диаграмма состояния сплавов, образующих в твердом состоянии механическую смесь компонентов А и В

Эвтектический сплав данной системы имеет строго определенное процентное соотношение компонентов А и В. Сплавы, расположенные слева от эвтектики, называются доэвтектическими, а справа – заэвтектическими.

В доэвтектических сплавах сначала при охлаждении ниже линии ликвидуса КС выделяются кристаллы компонента А, а в заэвтектических – ниже линии СN – кристаллы компонента В.

После затвердевания, т.е. ниже линии солидуса DСЕ, доэвтектические сплавы состоят из кристаллов А и эвтектики, а заэвтектические – из кристаллов В и эвтектики.

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной
растворимостью компонентов в твердом состоянии

Рассмотрим построение диаграммы состояния для сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии. Например, экспериментально получены кривые охлаждения компонентов А и В и сплавов I (70 % А и 30 % В), II (50 % А и 50 % В) и III (20 % А и 80 % В) (рис. 3.6, а).Кристаллизация компонента А начинается и заканчивается при постоянной температуре t_A. Аналогично происходит кристаллизация компонента В при температуре t_B. Кристаллизация сплавов I, II и III происходит в интервале температур. Кристаллизация сплава I начинается при температуре t₁ и заканчивается при температуре t₂ с образованием твердого раствора a. Аналогично происходит кристаллизация и двух других сплавов – при температуре t₃ начинается и при температуре t₄  заканчивается затвердевание сплава II, а сплава III – при температурах t₅ и t₆. Разница только в интервале температур начала и конца кристаллизации.

Если на оси абсцисс сетки в координатах температура – концентрация (рис. 3.6, б) отметить точками исследованные сплавы и в каждой из этих точек восстановить перпендикуляры, т.е. провести линии сплавов, затем на эти линии, а также на левую и правую ординаты температур, соответствующие компонентам А (левая) и В (правая), перенести найденные критические точки от t_A до t_B и одноименные (имеющие одинаковый физический смысл) критические точки соединить плавными кривыми, то получится диаграмма состояния сплавов А и В с неограниченной растворимостью в твердом состоянии (рис. 3.6, б).

Рис. 3.6. Построение  диаграммы состояния сплавов для случая неограниченной растворимости компонентов А и В в твердом состоянии [7]:
а – кривые охлаждения; б – диаграмма состояния

На этой диаграмме кривая t_At₁t₃t₅t_B – кривая начала затвердевания сплавов – линия ликвидуса, а кривая t_At₂t₄t₆t_B – кривая конца затвердевания – линия солидуса.

Рассмотрим процесс кристаллизации какого-либо сплава, например сплава I состава 50 % компонента А и 50 % компонента В по этой диаграмме при очень медленном охлаждении, т.е. полностью в равновесных условиях (рис. 3.7). При температуре t_л начинается кристаллизация и образуются первые кристаллы. На любой диаграмме состояния состав твердой части сплава (состав кристаллов, которые могут находиться в равновесии с жидкостью) при данной температуре показывает линия солидуса. Следовательно, первые образовавшиеся кристаллы имеют состав точки М. При дальнейшем охлаждении, когда сплав достигает, например, температуры t₁, в равновесии с жидкостью уже находятся только кристаллы состава точки Л.

Рис. 3.7. Диаграмма состояния сплавов для случая неограниченной растворимости компонентов А и В в твердом состоянии

Рассмотрим, каким образом ранее образовавшиеся кристаллы состава точки М превращаются в кристаллы состава точки Л. В кристаллах состава М больше компонента В, чем в кристаллах состава Л; следовательно, кристаллы состава М обогащаются компонентом А. Этот процесс происходит за счет диффузии атомов компонента А в уже имеющиеся, т.е. возникшие до этой температуры, кристаллы. При достаточной выдержке или медленном охлаждении при t₁ устанавливается равновесие кристаллов точки Л и жидкого сплава. Но в кристаллах состава точки Л компонента В больше, чем в сплаве; следовательно, жидкая часть сплава беднее компонентом В. При этой температуре состав жидкой части сплава определяется линией ликвидуса, т.е. точкой N. При дальнейшем охлаждении, когда сплав достигает температуры t₂ и устанавливается равновесие, сплав состоит из кристаллов состава точки К и жидкой части сплава состава точки Р. При достижении температуры t_c сплав полностью затвердевает и состоит из однородных кристаллов твердого раствора (состава 50 % А и 50 % В).

В реальных условиях ускоренного охлаждения состав кристаллов не получается однородным в связи с тем, что скорость кристаллизации больше скорости диффузии.

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью
компонентов в твердом состоянии

Один из видов такой диаграммы состояния показан на рис. 3.8. Число фаз в данной системе три – жидкий раствор, твердый раствор компонента В в компоненте А (обозначим его a) и твердый раствор компонента А в компоненте В (обозначим его b) [7].

Рис. 3.8. Диаграмма состояния сплавов для случая ограниченной
растворимости компонентов А и В в твердом состоянии

На этой диаграмме линия КСD – линия ликвидуса, линия KECFD – линия солидуса. По линии ликвидуса КС из жидкого сплава выделяются кристаллы a, а по линии CD – кристаллы b. На линии солидуса КЕ сплавы затвердевают с образованием кристаллов a, на линии DF – кристаллов b. На линии солидуса ECF происходит одновременная кристаллизация a- и b-фаз с образованием эвтектики.

Сплав состава точки С после затвердевания состоит только из одной эвтектики a+b. Аналогично ранее рассмотренному случаю сплавы, по своему составу находящиеся левее эвтектической точки С (на линии ЕС), после затвердевания имеют структуру a+эвтектика (a+b) и являются доэвтектическими. Сплавы, по своему составу лежащие правее точки С (на линии СF), после затвердевания имеют структуру b+эвтектика (a+b) и являются заэвтектическими.

Линия ЕS показывает ограниченную растворимость в твердом состоянии компонента В в компоненте А, уменьшающуюся с понижением температуры, а линия FM – растворимость компонента А в В, не изменяющуюся с понижением температуры.

Точка Е характеризует предельную растворимость компонента В в компоненте А, а точка F – A в В. Если кристаллизуются сплавы, состав которых находится левее точки S (или правее точки М), то при любой температуре в твердом состоянии все количество компонентов В (или А) находится в твердом растворе и структура таких сплавов состоит из зерен a (или b). В сплавах, состав которых находится между точками S и Е’, т.е. за пределом растворимости В в А, образовавшиеся при затвердевании кристаллы a при понижении температуры ниже линии ES пересыщены компонентом В, и поэтому происходит выделение из них избыточных кристаллов, которыми являются кристаллы b концентрации точки М, называемые вторичными (b₁₁). После полного охлаждения эти сплавы имеют структуру, состоящую из кристаллов a состава точки S и кристаллов b₁₁ – a + b₁₁. В сплавах состава линии EC, имеющих после затвердевания структуру a + эвтектика (a+b), из кристаллов a тоже выделяются кристаллы b, и после полного охлаждения будет структура a + эвтектика (a+b)+b₁₁.

Процесс выделения вторичных кристаллов из твердого раствора называется вторичной кристаллизацией, в отличие от образования кристаллов в жидком сплаве (первичная кристаллизация).

Диаграмма состояния сплавов с образованием компонентами
химического соединения

Химическое соединение обозначают А_mB_n. Это означает, что в данном соединении на m атомов компонента А приходится n атомов компонента В. Диаграмма состояния сплавов для случая образования между компонентами химического соединения, состав которого при нагреве и охлаждении не изменяется, приведена на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Диаграмма состояния сплавов для случая образования компонентами А и В химического соединения

Данная диаграмма как бы составлена из двух диаграмм: компонент А – химическое соединение A_mB_n и компонент В – химическое соединение A_mB_n. В сплавах левее точки С (соответствующей по составу химическому соединению A_mB_n) компонента А имеется больше, чем входит в химическое соединение. Следовательно, в этих сплавах левее точки С образуется эвтектика a+ A_mB_n. В сплавах правее точки С компонента В больше, чем может входить в химическое соединение. Следовательно, в этих сплавах образуется эвтектика A_mB_n+b.

Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния

Основоположником учения о связи диаграмм состояния со свойствами сплавов является академик Н.С. Курнаков.

Вам также может быть полезна лекция “7 Международное налоговое право”.

а                                             б

                                   в                                             г

На рис. 3.10 схематически показана зависимость свойств сплавов от типа диаграммы состояния, откуда можно вывести следующее: при образовании твердых растворов с неограниченной растворимостью свойства изменяются по плавным кривым (рис. 3.10, б); при образовании твердых растворов с ограниченной растворимостью или механической смеси свойства изменяются прямолинейно (рис. 3.10, а, в); при образовании химического соединения свойства изменяются резко – скачком (рис. 3.10, г).

Фазовый состав сплавов

Практически все металлы в жидком состоянии растворяются, образуя жидкий раствор. При затвердевании такого раствора могут образовываться:

1. Механическая смесь различных фаз.
2. Твердый раствор.
3. Химическое соединение.

Твердый раствор представляет собой однофазную систему, где одна из составляющих образовывает собственную кристаллическую решетку, а второй компонент присутствует в виде отдельных атомов, то есть собственной кристаллической решетки у него нет. В данном случае компонент с собственной кристаллической решетки называется растворителем, а второй растворенным компонентом. Твердые растворы делятся на растворы внедрения и замещения. В растворах внедрения атомы растворенного компонента располагаются в порах кристаллической решетки растворителя. К особенностям данных растворов относятся ограниченность растворимости и малый радиус атомов растворенного компонента. В растворах замещения атомы растворенного компонента замещают атомы растворителя в узлах кристаллической решетки. Главная особенность такого раствора – неограниченная растворимость и при этом атомы растворенного вещества могут полностью замещать атомы растворителя при определенных условиях, в противном случае происходит накопление упругой энергии и значительный искажения кристаллической решетки.

Химическое соединение образуется при определенных условиях. К их особенностям относятся образование новой кристаллической решетки, определенная температура плавления, получившееся соединение обладает кардинально новыми свойствами. Когда компоненты сплава не способны к взаимному растворению и не взаимодействуют с друг другом, то образуется механическая смесь различных фаз. Получившей материал будет состоять из зерен различной структуры, свойств и состава.

При строго определенных условиях из жидкого раствора одновременно может кристаллизоваться два и более компонентов. Результатом этого является образование механической смеси двух фаз или эвтектики. Она имеет определенный химический состав и образуется при постоянной температуре. В большинстве случаев у зерен эвтектики пластинчатое строение.

Методы построения диаграмм состояния сплавов

Свойства сплава зависят от ряда факторов, однако, в первую очередь они определяются фазовым составом и соотношением фаз. Данную информацию можно получить благодаря анализу диаграммы состояния сплава, которая строится экспериментально.

«Диаграммы состояния сплавов» 👇

Благодаря диаграмме состояния сплава можно представить процесс формирования структуры абсолютно любого сплава и выбрать режимы литья, обработки давлением или термической обработки. Ее построение возможно благодаря тому факту, что фазовое превращение сплава сопровождается тепловым эффектом или изменением различных свойств, таких как удельный объем, электрическое сопротивление и т. п. В большинстве случаев диаграмма состояния сплава строится посредством метода термического анализа. При данном методе строятся кривые охлаждения, для которых координатами являются температура по оси X и время по оси У. По перегибам и остановкам, причиной которых является тепловой эффект определяются температуры превращений или критические температуры. После этого строятся диаграммы состояния, в которых координатами являются температура и химический состав. Она строится для условий равновесия:

1. Медленное охлаждение.
2. Длительный нагрев.

При вышеперечисленных условиях систем имеет минимальное значение свободной энергии. Но как правило, сплавы находятся в метастабильном состоянии, характеризующееся, в большинстве случаев, повышенными механическими свойствами. Чтобы была возможность управлять свойствами и структурой сплавов, необходимо изучить природу метастабильных состояний и на основе полученных данных разработать режим обработки сплава, с целью получения неравновесных состояний. Для решения такой задачи необходимо знать диаграмму состояния сплава.

К особенностям кристаллизации различных фаз относятся:

1. Твердые растворы сплавов могут кристаллизоваться в интервале температур – две точки фазового превращения: температура начала процесса кристаллизации и его окончания, в данном случае на кривой охлаждения сплава отмечается перегиб.
2. Чистые составляющие сплава, химические соединения и эвтектика кристаллизуется при постоянной температуре, то есть всего одна критическая точка температуры, в данном случае на кривой охлаждения сплава отмечается горизонтальный участок.