Діаграми стану подвійних сплавів, що утворюють механічні суміші із чистих компонентів (І роду)

Рисунок 1.2. Діаграма стану сплавів, що утворюють механічні суміші I роду

Діаграма стану подвійних сплавів ілюструє зміну стану сплаву залежно від температури і концентрації (вмісту) компонентів у сплаві. Тиск сталий.

Діаграма стану сплавів, що утворюють механічні суміші (І роду). Обидва компоненти А і В (К = 2) — без обмеження розчиняються в рідкому стані, а у твердому не розчиняються і не утворюють хімічних сполук.

Фази — рідина Р, кристали А і кристали В. Максимальне число фаз Ф = 3. При охолодженні на лінії A₁C починають виділятися кристали А, а на лінії СВ₁ — кристали В. У точці С (при концентрації С) одночасно виділяються кристали А і В (рис. 1.2).

На кривій охолодження доевтектичного сплаву (рис. 1.3, а) ділянка 0—1 відповідає охолодженню рідкого сплаву, ділянка 1—2 — виділенню кристалів А,ділянка — 2—2' сумісному виділенню кристалів А і В, ділянка 2'—3 — охолод­женню твердого тіла.

На кривій охолодження евтектичного сплаву (рис. 1.3, б) відрізок 0—2 відповідає охолодженню рідкого сплаву, відрізок 2—2' — одночасній кристалізації кристалів А і В, відрізок 2'—3 — охолодженню сплаву, який закристалізувався.

На кривій охолодження заевтектичного сплаву (рис. 1.3, в) відрізок 0—1
відповідає охолодженню рідини, відрізок 1—2 виділенню кристалів В, відрізок
2—2' — сумісному виділенню кристалів А і В, відрізок 2'—3 — охолодженню
сплаву, що закристалізувався.

Рисунок 1.4. Діаграма стану сплавів Pb—Sb, побудована на підставі кривих охолодження

Рисунок 1.3. Криві охолодження і схеми структур: а – до евтектичного сплаву; б – евтектичного сплаву; в – заевтектичного сплаву

Механічну суміш двох (і більше) видів кристалів, які одночасно утворилися з рідини, називають евтектикою. Сплави, які лежать зліва від евтектичої точки, є доевтектичними, а сплави справа від евтектичої точки — заевтектичними.

На діаграмі стану (див. рис. 1.2) чітко простежуються області існування різних фаз. Нижче евтектичої горизонталі DCE знаходяться дві фази — кристали А і кристали В. Зліва евтектичої концентрації з рідини виділяються спочатку кристали А, а потім евтектика. Отже, структурний стан доевтектичного сплаву можна позначити як А + евтектика (А+В), заевтектичного сплаву В + евтектика (А+В), хоча і в тому, і в іншому випадку в сплаві наявні дві фази — А і В.

3. Правило фаз для подвійних сплавів (І роду)

Якщо у подвійних сплавах лише одна фаза — рідина, то К =2, Ф=1,С = 2+1-1 = 2. Це означає, що за цих умов можна змінювати температуру та концентрацію (у певних межах).

Якщо у подвійних сплавах дві фази, наприклад рідкий сплав і кристали твердої фази, то K=2+1-2=1. Тобто за даних умов можна змінювати темпе­ратуру, але тоді кожній температурі відповідатиме певне співвідношення фаз.

Якщо у подвійних сплавах одночасно існує три фази, наприклад рідкий сплав і дві тверді фази, як у випадку кристалізації евтектики, то К= 2, Ф = 3, С = 2 + 1-3 = 0. Такий стан можливий лише за сталої температури і постійного складу фаз.

Отже, при кристалізації евтектичного сплаву склад рідкої та твердої фаз має бути незмінним.

Структура всіх доевтектичних сплавів після затвердіння А + евтектика А + В; евтектичних сплавів — евтектика А+В; заевтектичних сплавів — В + евтектика А+В.

Діаграма стану сплаву свинець-сурма (Pb—Sb). Розглянемо реальну діаграму І роду (рис. 1.4). Кристалізується сплав Рb— Sb. Температура плавлення евтектики, що складається з 13 % Sb і 87 % Рb складає 246°С. Доевтектичні сплави, що містять менше 13% Sb, мають структуру Рb + евтектика Pb+Sb. Заевтектичні сплави, що містять у собі понад 13% Sb мають структуру Sb + евтектика Pb+Sb.

Евтектичний сплав з вмістом 13% Sb має структуру Pb+Sb.

4. Правило відрізків (правило важеля)

При кристалізації змінюються склад рідини (концентрація компонентів) і кількість кожної фази, у будь-якій точці діаграми їх можна визначити. Роблять це, використовуючи правило важеля (правило відрізків).

Рисунок 1.5. Правило відрізків (правило важеля)

У точці а (рис. 1.5), що відповідає стану сплаву К при температурі t₁ сплав складається з кристалів В і рідини. Вище точки l сплав перебуває в однофазному стані і концентрація компонентів у цій фазі (рідині) визначається проекцією точки l. Під час охолодження зі сплаву виділяються кристали В і склад рідини змінюється — у ній збільшується вміст компонента А. За температури t₁ концентрація компонента В визна­чається проекцією точки b. Це максимальна кількість компонента В, яку може містити рідина при температурі t₁. У разі евтектичної температури рідина сягає евтектичної концентрації. Отже, при охолодженні сплаву К концентрація рідини зменшується за кривою lС. Кристали В, що виділилися, мають сталий склад — це чистий компонент В.

Для визначення концентрації рідкої і твердої фаз сплаву К при температурі t₁ через точку а проводимо горизонтальну лінію bc до перетину з лінією CB₁ і з вертикаллю. З точки опускаємо пряму на вісь абсцис. Точка b дає значення концентрації компонентів у рідкій фазі при температурі t₁. Склад твердої фази — кристали В.

Якщо маса сплаву К, прийнята за 100%, на діаграмі відповідає відрізку bс, то маса кристалів у точці а сплаву

g_т = ba/ba*100%

Кількість рідини визначають відношенням:

g_p = ac/bc*100%.

Отже, щоб установити кількість рідкої та твердої складових, необхідно:

• 
  провести вертикальну лінію до перетину з віссю концентрацій (лінія сплаву АВ);
• 
  для конкретної температури провести горизонтальну лінію до перетину з лініями діаграми, що обмежують дану область;

— співвідношення між рідкою та твердою фазами сплаву буде обернено пропорційним відрізкам, на які лінія сплаву ділить ізотерму;

— для визначення кількості твердої фази взяти відношення довжини відрізка, що прилягає до рідкої частини сплаву, до довжини всього відрізка;

— для визначення кількості рідкої частини сплаву взяти відношення довжини відрізка, що прилягає до твердої частини сплаву, до довжини всього відрізка.

Оскільки в ці співвідношення не входить температура, то правило відрізків справедливе для будь-яких температур і різних областей діаграм стану.

5. Побудова діаграм стану сплавів, що утворюють

необмежені тверді розчини (II роду)

Обидва компоненти необмежено розчиняються у рідкому та твердому станах і не утворюють хімічних сполук. Компоненти: А і В.

Якщо два компоненти необмежено розчинні в рідкому і твердому станах, то можливе існування тільки двох фаз — рідкого розчину Р та твердого розчину а (рис. 1.6). У цьому випадку трьох фаз бути не може, кристалізація при постійній температурі не відбувається, горизонталь­ної лінії на діаграмі немає.

Лінія АтВ є лінією ліквідусу, а лінія АпВ — лінією солідусу. Точка 1— початок кристалізації, точка 2 — кінець кристалізації (рис. 1.7). Між точками 1 і 2 сплав знаходиться у двофазному стані. За двох компонентів і двох фаз система моноваріантна С = К+1-Ф=2+1-2=1, тобто, якщо змінюється температура, змінюється і концентрація компонентів у фазах. Кожній температурі відповідає певний, цілком конкретний, склад фаз.

При С = 0 рівновагу називають нонваріантною (безваріантною); при С = 1 —моноваріантною (одноваріантною); при С = 2 — система біваріантна (двоваріантна).

Концентрацію і кількість фаз у сплаві К в точці а (див. рис. 1.6) визначають за правилом відрізків, склад рідкої фази —

проекцією точки b, що лежить на лінії ліквідусу, а склад твердої фази — проекцією точки с на лінії солідусу. Кількість фаз знаходять зі співвідношень ас/bc для рідкої фази і ba/bc — для твердої. У всьому інтервалі кристалізації (від точки 1 до точки 2) з рідкого сплаву, який має вихідну концентрацію К, виділяються кристали, багатші на тугоплавкий компонент порівняно з вихідним сплавом. Склад цих кристалів визначають проекцією s. Завершується кристалізація К у точці 2, коли остання краплина рідини, що має склад l затвердіє. Склад рідини змінюється відповідно до кривої 1 - l, а склад кристалів — відповідно до кривої s—2, і в момент закінчення кристалізації склад кристалів ідентичний складу вихідної фази.

Необмежені тверді розчини утворюють компоненти, що мають однакові за типом та близькі за параметрами кристалічні решітки та невелику різницю в атомних розмірах.

6. Діаграма стану сплавів, що утворюють обмежені тверді розчини (III роду)

Обидва компоненти необмежено розчинні у рідкому стані, обмежено — у твердому і не утворюють хімічних сполук. Компоненти: А і В. Фази: Р, а, β. Залежно від того, яка реакція протікає в умовах рівноваги трьох фаз, можуть бути два види діаграм — системи з евтектикою і системи з перитектикою.

Діаграма системи з евтектикою (рис. 1.8). У цій системі немає фаз, що являють собою чисті компоненти.

З рідини можуть виділитися лише тверді розчини α або β. Отже, біля вертикалей А і В, що відповідають чистим компонентам, знаходяться області твердих розчинів а і β.

а—розчин компонента В у ком­поненті А; β — розчин компонента А у компоненті В. Лінія АСВ — лінія ліквідусу. Лінія ADCEB — лінія солі­дусу. Лінія DE — лінія евтектичного перетворення, точка С — евтектична точ

Рисунок 1.8. Діаграма стану сплавів з евтектикою

При зниженні температури твердих розчинів а і β відбувається їх розпад (криві DF і EG) з виділенням вторинних твердих розчинів а_п і B_jV Вторинними ці розчини називають тому, що утворюються вони з твердих сплавів на відміну від первинних кристалів, що виникають у процесі затвердіння рідкого сплаву. Концентрація, що відповідає точці D, характеризує межову розчинність компонента В у компоненті А за евтектичної температури. Концентрація, що відповідає точці Е, характеризує межову розчин­ність компонента А у компоненті В при евтектичній температурі.

Діаграма системи з перитектикою (рис. 1.9).

Рисунок 1.9. Діаграма стану сплавів з перитектикою

Діаграма стану такого типу характери­зується тим, що після первинної кристалізації твердого розчину остан­ній вступає в реакцію з рідиною, що залишилася, утворюючи при цьому нові кристали іншого твердого розчину. Реакцію взаємодії рідини з криста­лами, що випали раніше, називають перитектичною. Лінія АСВ є лінією ліквідусу. Лінія APDB — лінією солідусу. Лінія CPD — лінія перитектичного перетворення. Точка Р — перитектична точка (або просто перитектика). Перитектичні перетворення спостерігаються у багатьох промислових сплавах заліза з вуглецем (до 0,5%), міді з цинком та ін.

Після досягнення перитектичної горизонталі CPD склад рідини відповідатиме точці С, а склад кристалів — точці D. Обидві ці фази реагують і дають третю фазу а, концентрація якої визначається точкою Р.

Перитектична реакція: Р_с + β_D↔α_p.

Поиск по сайту: