 |
Министерство образования и науки Российской Федерации
|
|
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации
________________
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПЕТРА ВЕЛИКОГО
Ю. Г. Сергеев, Е. И. Масликова
Задачи
по диаграммам равновесия двух- и трехкомпонентных систем
Санкт-Петербург
Содержание
1. Диаграммы состояния двухкомпонентных систем ………………3
1. 1. Основные понятия……………………………………………………... 3
1. 2. Правило фаз Гиббса и правило рычага………………………… 4
1. 3. Описание реакций фазовых равновесий …………………………… 5
2. Задачи на построение диаграмм двухкомпонентных
систем ………………………………………………………………….. ….. 13
2. 1. Диаграммы состояния с нонвариантным эвтектическим
превращением …………………………………………………………….... 13
2. 2. Диаграммы состояния с нонвариантным перитектическим
превращением и химическими соединениями……………………………. 17
2. 3. Диаграммы состояния с монотектическим, синтектическим,
метатектическим превращениями…………………………………………. 23
3. Примеры построения и разбора диаграмм двухкомпонентных
систем ………………………………………………………………………31
3. 1. Пример построения диаграммы с нонвариантным
эвтектическим превращением……………………………………………... 31
3. 2. Пример построения диаграммы с нонвариантным
перитектическим превращением…………………………………………... 32
3. 3. Определение химического состава сплава и соотношения фаз
(или структурных составляющих)…………………………………………33
4. Диаграммы состояния трехкомпонентных систем. ..... ……………. 36
4. 1. Проекции поверхностей ликвидуса …………………………………. 36
|
|
|
4. 2. Изотермические и политермические разрезы в тройных системах…40
4. 3. Правило отрезков и правило центра тяжести весового треугольника
в тройных системах………………………………………………………... 41
4. 4. Задачи с изотермическими разрезами и поверхностями
ликвидуса трехкомпонентных диаграмм…………………………………. 44
Список литературы…………………………………………………………61
I. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ
Диаграммы равновесия или диаграммы фазовых состояний представляют собой графическое изображение температурно-концентрационных областей существования отдельных фазовых состояний сплавов. Они показывают состояние сплава при изменении температуры, давления и химического состава. Диаграммы состояния служат основой для определения фазовых превращений, состава и количества фаз и структурных составляющих сплавов, определяющих механические, физические, химические и технологические его свойства. Диаграммы состояния являются одним из базовых компонентов при синтезе новых сплавов. Они позволяют прогнозировать механические и технологические свойства, разрабатывать технологические процессы литья, термической и пластической обработок для того или иного сплава.
1. 1. Основные понятия
Прежде чем приступить к изучению диаграмм состояния, необходимо определить понятия система, фаза, компонент, структура и структурная составляющая.
Физико-химической системой называют совокупность бесконечно большого числа сплавов, которые можно получить при сплавлении двух или более металлов и неметаллов. Физико-химические системы могут состоять из одной фазы (гомогенные системы) или из нескольких (гетерогенные системы).
Наиболее краткое определение фазы дано академиком М. А. Леонтовичем: «В термодинамике фазой называется всякая однородная система, т. е. тело, физические свойства которого во всех точках одинаковы... ». В металловедении фазой называют гомогенную часть гетерогенной системы или совокупность нескольких частей, одинаковых по своему химическому составу, строению и свойствам, которые не зависят от массы фазы. Фазы всегда разделены межфазной границей. Химический состав фазы в металлическом сплаве выражается через концентрацию компонентов в атомарных, молярных или массовых долях. Фазой могут быть чистые металлы, неметаллы и их модификации, жидкие и твердые растворы, химические соединения или промежуточные фазы.
|
|
|
Компонентами называют простые вещества, способные существовать в изолированном виде, наименьшее число которых достаточно для образования всех фаз системы. Компонентами в металлических сплавах обычно являются чистые металлы, неметаллы, а также устойчивые химические соединения стехиометрического состава.
Под структурой понимают форму, размеры или характер взаимного расположения соответствующих частиц (атомов, блоков, зерен, фаз и др. ) в металлах или сплавах. Различают четыре масштабных уровня структуры: атомно-кристаллический, субструктурный, микроструктурный, макроструктурный.
Структурная составляющая – это часть (элемент) структуры, имеющая характерное строение и состав при средних увеличениях, образовавшаяся при определенной температуре или в интервале температур. Структурная составляющая может быть одно- и многофазной.
1. 2. Правило фаз Гиббса и правило рычага
Анализ диаграмм состояния позволяет определять фазовые превращения в условиях медленного нагрева или охлаждения. Состояние сплава зависит от внешних условий (температуры и давления) и характеризуется числом и химическим составом образовавшихся фаз. Возможность изменения равновесного состояния системы, т. е. химического состава и числа фаз, определяется правилом фаз Гиббса, которое выражается уравнением
С = К – Ф + 2,
где С – число степеней свободы (вариантность); К – число компонентов системы; Ф – число фаз, находящихся в равновесии; 2 – внешние факторы равновесия (температура, давление).
Чаще всего равновесие рассматривается в конденсированных системах, т. е. при постоянном атмосферном давлении, тогда правило фаз записывается в виде:
|
|
|
С = К – Ф + 1.
Таким образом, фазовое состояние сплава в двухфазной области полностью определяется температурой и концентрацией компонентов в фазах. При изменении температуры или состава меняется количественное соотношение фаз.
Для определения фазового состава в двухфазной области, химического состава фаз и их количественного соотношения пользуются правилом отрезков (рычага). Для этого через данную фигуративную точку, расположенную в двухфазной области, проводят изотерму (коноду) до пересечения с ближайшими линиями диаграммы состояния. Концы коноды, упираясь в однофазные области, указывают на фазовый состав, а их проекции на ось концентраций дают химический состав равновесных фаз. Отношение отрезков коноды позволяет определить объемное или массовое количественное соотношение фаз (рис. 1. 1).
Рис. 1. 1. Диаграмма состояния с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях (а), кривая охлаждения и реакция фазового превращения (б), правило отрезков (в).
Пользуясь правилом отрезков, можно определить и соотношение структурных составляющих для данного сплава. На практике часто решается обратная задача: по соотношению структурных составляющих, определяемых на металлографическом шлифе равновесного сплава, находят его химический состав.
|
|
|
