Теория сплавов

Следовательно, фазовый состав в различных областях будет следующим: между линиями АВ и DB — L+A; между линиями ВС и BF — L+B, а ниже линии DBF — А+В.

Точка В делит диаграмму  на две части: левее точки В  сплавы называют доэвтектическими, правее точки В — заэвтектически- ми. Сплав состава точки В называют эвтектическим.Такое деление определяется различием этих сплавов по структуре, а следовательно, и по свойствам.

2.5. Правило отрезков

В процессе кристаллизации изменяются и концентрация фаз и количество каждой фазы. В любой точке диаграммы  можно определить количество фаз и их состав. Для этого служит так называемое правило отрезков.

В точке «а», показывающей состояние сплава К при температуре t,, сплав состоит из жидкости и кристаллов В. При охлаждении сплава от точки 1 выделяются кристаллы В и состав жидкости изменяется в сторону увеличения в ней компонента А. При температуре t, состав жидкости определяется проекцией точки «в»; это максимальное количество компонента В, которое может содержать жидкость при температуре t,. При достижении эвтектической температуры (точка 2) жидкость принимает эвтектическую концентрацию (точка В). Следовательно, при охлаждении сплава К концентрация жидкости изменяется по линии ликвидус от точки 1 до точки В. Кристаллы В имеют постоянный состав — это чистый компонент В.

Первая часть правила  отрезков формулируется так.

(•)  Чтобы определить концентрации  компонентов в фазах, через  данную точку проводят горизонтальную  линию до пересечения с линиями,  ограничивающими данную область  диаграммы; проекции точек пересечения  на ось концентраций показывают состав фаз.

Для определения количества каждой фазы запишем:

Q_a= Q_o6ui К %— количество компонента А в сплаве III;

Q_a= С?_ж- ш %—количество компонента А в жидкости при температуре t,.

Так как из жидкости кристаллизуется  только компонент В, то правые части равенств равны, то есть Q_o6lu- К = <З_жт. В этом равенстве К = aS, a m = в<5, то есть Q^ • aS=Q_x в 8, или QoJQ>k=»SlaS.

Вычтем из числителей (З_ж и соответствующий ему отрезок а, б, тогда получим:

Ообщ-Q» _а8'-а8' Q,, _ ав

~~ с/ ' ИЛИ с/'

Q« ^а° Q« ^а°

Вторая часть правила  отрезков формулируется так.

(•)  Для того чтобы определить  количественное соотношение фаз, через данную точку проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; отношение весов кристаллизующейся фазы к исходной пропорционально размерам противолежащих отрезков.

Возможна обратная задача — определение химического состава сплава по его структуре в равновесном состоянии. Для этого подсчитывают площади структурных составляющих (при изучении под микроскопом), которые соответствуют их весовым долям. При известном составе (концентрации) компонентов в них нетрудно посчитать концентрацию сплава. Таким образом, диаграмма фазового равновесия позволяет:

2. определить для каждого сплава системы, какие фазы находятся в равновесии при любой температуре;
3. установить состав и количественное соотношение находящихся в равновесии фаз;
4. предсказать приблизительно структуру сплава, а иногда и определить соотношение структурных составляющих.

Свойства сплава определяются его структурой, то есть наличием тех или иных структурных составляющих и их количественным соотношением. Например, в доэвтектических сплавах с увеличением содержания компонента В увеличивается количество эвтектики и уменьшается количество кристаллов А, выделяющихся в интервале 1-2. Диаграмма состояния позволяет определить количественное соотношение структурных составляющих. Так для сплава 1 весовое отношение кристаллов А и эвтектики для точки 2 определится из соотношения Q_A/Q₃=2B/2D. Если, например, эвтектика твердая и прочная, а кристаллы А мягкие и пластичные, то с увеличением содержания компонента В, то есть с увеличением количества эвтектики, прочность и твердость сплава будет увеличиваться. Будут изменяться и другие механические и физико-химические свойства сплава.

При наличии одновременно трех фаз в двойной системе  количество их определить нельзя, так как в процессе кристаллизации количество их непрерывно меняется. Так, в диаграмме I рода три фазы могут существовать при температуре кристаллизации эвтектики, когда в равновесии находятся три фазы, концентрации которых не изменяются и концентрационные точки находятся на одной горизонтали. В процессе кристаллизации количество жидкой фазы уменьшается, концентрация же фаз не изменяется: концентрация жидкости соответствует точке В, кристаллов А — точке D и кристаллов В — точке F.

2.6. Диаграмма состояния  для сплавов с неограниченной  растворимостью компонентов в  твердом состоянии (II рода)

Компоненты сплава неограниченно растворимы в жидком и твердом состояниях и не образуют химических соединений.

Компоненты: вещества А и В.

Фазы: жидкость (L), твердый раствор (а).

В этом случае возможно существование  только двух фаз — жидкости L и твердого раствора а. Трех фаз быть не может, кристаллизации при постоянной температуре не наблюдается и горизонтальной линии на диаграмме нет (рис. 2.7).

Рис. 2.7

На диаграмме имеется  три области: выше линии ликвидус АтВ расположена однофазная область существования однородного жидкого раствора L, ниже линии солидус — однородного твердого раствора а. В промежуточной области, разделяющей эти две однофазные области, будут существовать фазы, расположенные на границах этой области, то есть L+ а.

Процесс кристаллизации сплава К начинается в точке 1 путем выделения кристаллов а состава точки 1', потому что кристаллы только этого состава затвердевают при температуре точки 1. Процесс кристаллизации заканчивается в точке 2.

Последняя частица жидкости имеет состав точки 2'. В интервале 1-2 состав кристаллов а изменяется по линии солидус от точки 1' до точки 2, а жидкости — по линии ликвидус от точки 1 до точки 2'. Изменение состава как жидкости, так и твердой фазы происходит за счет диффузии, протекающей как в твердой фазе, так и между твердой и жидкой фазами. При температуре точки а состав жидкой фазы определяется проекцией точки «в» на ось концентрации, а твердой фазы — точки Ъ. Весовое отношение фаз определяется из соотношения Qa/Q_L= а51ав. В результате кристаллизации образуется однофазная структура, состоящая из зерен а твердого раствора.

2.7. Диаграммы состояния  для сплавов

с ограниченной растворимостью в твердом состоянии (III рода)

Компоненты неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно в твердом и не образуют химических соединений. Компоненты: А, В. Фазы: L, а, Д

а—твердый раствор компонента В в компоненте А; Р—твердый раствор компонента А в компоненте В.

D

А 4  В т

Рис. 2.8. Диаграмма с эвтектикой

А

т

В таких сплавах возможно нонвариантное равновесие при одновременном  существовании трех фаз: L, а и р. В зависимости от того, какая реакция протекает в условиях существования трех фаз, могут быть два вида диаграмм: диаграмма с эвтектикой (рис. 2.8) и диаграмма с перитектикой (рис. 2.9).

В этой системе из жидкости выделяются только твердые растворы а или р. Около вертикалей А и В находятся однофазные области существования твердых растворов а или р. Предельная растворимость компонента В в компоненте А определяется линией DK и она переменна — максимальна в точке D и минимальна в точке К (рис. 2.8). А ВС — линия ликвидус. Выше нее существует жидкость L — третья однофазная область. Остальные области промежуточные, разделяющие эти три однофазные области. В этих областях находятся фазы тех однофазных областей, которые они разделяют.

ADBEC—линия солидус. На линии DBE в равновесии находятся три фазы. На этой линии происходит эвтектическое превращение жидкости по реакции L-> а + р.

Кристаллизация  сплава /. До точки 1 идет охлаждение жидкости. В точке 1 начинается процесс кристаллизации путем выделения кристаллов а концентрации точки Г. В равновесии находятся две фазы (L + а), следовательно, с = 1 и на кривой охлаждения будет перегиб. Процесс кристаллизации жидкости заканчивается в точке 2, лежащей на линии солидус. В интервале 1 -2 состав жидкости изменяется по линии ликвидус от точки 1 до точки 2', а состав кристаллов а — по линии солидус от точки Г до точки 2. Образовавшиеся кристаллы а охлаждаются без изменений до точки 3. Ниже этой точки кристаллы ос оказываются пересыщенными компонентом В и выделяются избыточные кристаллы Р—твердого раствора. При этом концентрация а изменяется по линии DK от точки 3 до точки К. Кристаллы р, выделившиеся из твердого раствора, называют вторичными и обозначают символом р_п в отличие от первичных Р-кристаллов, выделяющихся из жидкости. Процесс выделения вторичных кристаллов из твердой фазы носит название вторичной кристаллизации в отличие от процесса первичной кристаллизации, когда кристаллы образуются из жидкости. Сплавы, лежащие левее точки К, не будут иметь вторичных кристаллов и будут однофазными.

Линия Е — F вертикальна, то есть растворимость компонента А в компоненте В постоянна и вторичных выделений а-кристал- лов нет, но они были бы, если бы линия EF была наклонена вправо, то есть растворимость уменьшалась бы с понижением температуры. На диаграммах данного рода могут быть любые сочетания по растворимости в твердом состоянии (обе линии вертикальны, обе наклонны и т.п.).

Пользуясь правилом отрезков, можно определить количество кристаллов р_и при любой температуре ниже точки 3. Оно будет максимальным при нормальной температуре: QP_n/Qa= 4K/4F. Как видно, количество кристаллов Р_п очень мало. Они могут выделяться как по границам зерен а, так и внутри них. Кристаллизация сплава II. В интервале 1-2 из жидкости выделяются кристаллы а. В точке 2 жидкость имеет состав точки В, а кристаллы а — точки D. И жидкость и кристаллы а предельно насыщены компонентом В. Дальше процесс кристаллизации путем выделения только а-кристаллов идти не может. Оставшаяся жидкость состава точки В кристаллизуется путем одновременного выделения кристаллов а и р, то есть превращается в эвтектику. В равновесии находятся три фазы (L+a+P), С=О и на кривой охлаждения образуется площадка; состав всех находящихся в равновесии фаз не изменяется, пока последняя частица жидкости не затвердеет. Образуется структура, состоящая из зерен а твердого раствора и эвтектики (a+Р); фазы a+р. Весовое отношение структурных составляющи в точке 2 QJQ =2B/ 2D, фаз —Q_a/Q_p=2E/2D.

При дальнейшем охлаждении из а твердого раствора в соответствии с линией DK будут выделяться кристаллы р_п. В эвтектике они сливаются с р-фазой эвтектики и структурно не выявляются.

При эвтектическом превращении  жидкость кристаллизуется с образованием двух твердых фаз. Возможен и другой тип нонва- риантного превращения (равновесия), когда жидкость реагирует с ранее выделившимися кристаллами и образуется новый вид кристаллов. Такая реакция называется перитектической.

Кристаллизация  сплава 1 начинается в точке 1 (рис. 2.9) путем выделения из жидкости кристаллов а и этот процесс продолжается до точки 2, лежащей на линии солидус ADFC. При этой температуре жидкость состава точки В реагирует с кристаллами а состава точки D и образуются кристаллы р состава точки F. Пери- тектическая реакция записывается следующим образом: L_B+a_D-»P_F+a_D. В равновесии — три фазы (L+a+p), С=0, и пери- тектическая реакция идс^- при постоянной температуре, на кривой охлаждения — площадка.

Для сплавов, лежащих в  интервале концентраций между точками К и Е, в избытке остаются кристаллы a_D, что видно из соотношения Q_L/Q_a=2D/2B. Кристаллов а много, они остаются в избытке. Вся жидкость и все кристаллы а расходуются на образование Р-кристаллов в сплаве состава точки F (Q_L/Q_a=FD/FB).

По окончании реакции (точка 2' на кривой охлаждения) в структуре  будут продукты перитектической реакции (то есть Рис. 2.9. Диаграмма с перитектикой

Р-кристаллы) и оставшиеся в избытке а-кристаллы. Эта механическая смесь кристаллов (а+р) называется перитектической. или перитектикой. От эвтектики она отличается строением. Эвтектика — мелкодисперсная механическая смесь кристаллов, в то время как перитектика — грубая крупнозернистая смесь.

Весовое соотношение фаз  перитектики определяется из соотношения (для сплава I): Q_a/Q_p=2F/2D.

В сплаве II при температуре  точки 2 много жидкости и мало кристаллов а, поэтому в результате перитектической реакции в избытке остается жидкость, которая при дальнейшем охлаждении кристаллизуется путем выделения кристаллов р. Весовое отношение фаз до реакции Q_L/Qa=2D/2B — жидкости много; после реакции Q₁/Q_(J=2F/FB — все кристаллы а израсходованы на образование p-кристаллов. Структура сплава после окончания кристаллизации однофазная, состоит из р-пкристаллов.

Сплавы левее точки  D и правее точки В кристаллизуются по диаграмме II рода.

2.8. Диаграммы состояния  для сплавов,

образующих химические соединения (IV рода)

Различают химические соединения устойчивые и неустойчивые. Химическое соединение устойчиво, если при нагреве до расплавления оно не разлагается; и неустойчиво, если при нагреве оно разлагается на жидкость и кристаллы одного из его элементов, то есть полностью не расплавляется. В зависимости от этого могут быть два вида диаграмм: диаграммы с устойчивым химическим соединением и диаграммы с неустойчивым химическим соединением.