Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и эвтектическим превращением

Такую диаграмму образуют компоненты, которые неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно растворимы в твердом состоянии и не образуют химических соединений, например Fe-C, Al-Cu и др.

В рассматриваемой системе ограниченная растворимость компонентов в твердом состоянии может не меняться с изменением температуры, как на рис.3 слева а может и меняться, как на рис. 3 справа.

GCH – линия ликвидус, выше которой все сплавы имеют однородный жидкий раствор. Линия GEСDH – линия солидус, ниже которой в сплавах отсутствует жидкая фаза.

Компоненты А и В не могут при затвердевании образовывать собственных кристаллов, т.к. они между собой образуют твердые растворы a и b в тех областях диаграммы, которые расположены соответственно слева от вертикали EN и справа от линии DF. В этих областях все сплавы кристаллизуются в интервале между ликвидусом и солидусом. Соответственно в области слева от EN при кристаллизации из жидкости начинают выделяться кристаллы твердого раствора a. В интервале кристаллизации сплавы имеют двухфазную структуру Ж+a. После завершения кристаллизации и до самого охлаждения эти сплавы имеют структуру однородного твердого раствора a. Аналогично справа, с той разницей, что выделяются кристаллы b-твердого раствора.

 

Рис.3. Диаграмма состояния компонентов, органиченно растворимых в твердом состоянии и образующих эвтектику и типовая кривая охлаждения

 

У сплавов, расположенных в интервале между точкой F и проекцией точки D, первичная кристаллизация в интервале между ликвидусом и солидусом протекает аналогично описанной. Сплавы после завершения кристаллизации до пересечения с линией DF имеют однородную структуру b-твердого раствора. При дальнейшем охлаждении этих сплавов до полного охлаждения в структуре этих сплавов происходят изменения, связанные с выделением из b-твердого раствора второй фазы a_П, причиной появления которой является уменьшение предела растворимости b-твердого раствора при снижении температуры. На это указывает наклонный характер кривой DF. При понижении температуры твердый раствор b становится пересыщенным компонентом А, и для приведения системы в равновесие из этого твердого раствора выделяется избыток растворенного компонента А. Но т.к. чистые компоненты в этой системе не могут существовать как самостоятельные фазы (они должны образовать твердые растворы), то на базе избыточных кристаллов компонента А образуется сразу же a-твердый раствор, кристаллы которого выделяются из b-твердого раствора и располагаются в виде мелкодисперсных включений внутри зерен основной фазы. Такие избыточные кристаллы, выделяющиеся не из жидкости, а из твердой фазы, обозначаются a_П (вторичные a-кристаллы), а сам процесс выделения новой фазы в твердом состоянии называется вторичной кристаллизацией.

Точки E и N характеризуют предельную растворимость компонента В в компоненте А, т.е предельную концентрацию a-твердого раствора при эвтектической и комнатной температурах, а точки D и F – предельную растворимость компонента А в компоненте В, т.е. предельную концентрацию b-твердого раствора при эвтектической и комнатной температурах.

Точки E и D являются границами линии ED, в пределах которой протекает эвтектическое превращение, а точка С – эвтектической точкой. Во всех сплавах, расположенных в пределах границ эвтектической линии, будет проходить эвтектическое превращение, которое приводит к образованию механической смеси твердых растворов a и b. Эвтектика в этом случае будет иметь вид Э(a+b), а эвтектическая реакция: Ж®a_E+b_D. Сплав компонентов А и В, соответствующий проекции точки С, т.е. сплав состава точки С, называется эвтектическим.

Все сплавы, расположенные между точками С и Е, называются доэвтектическими. Их кристаллизация начинается с выделения кристаллов a-твердого раствора. В интервале кристаллизации у этих сплавов будет двухфазная структура Ж+a. На линии ЕС в доэвтектических сплавах будет проходить эвтектическая реакция у той части жидкости Ж, которая еще осталась в сплаве на этот момент (ее количество определяется по правилу отрезков). Для доэвтектических сплавов: a+Ж®a+Э(a+b). Они после окончания охлаждения будут иметь структуру a+Э(a+b).

Все сплавы, расположенные между С и D, называются заэвтектическими. Их кристаллизация начинается с выделения кристаллов b-твердого раствора. В интервале кристаллизации (между точками 1 и 2 на рис.3 для сплава I) эти сплавы имеют двухфазную структуру Ж+b. На линии CD будет проходить эвтектическая реакция: b+Ж®b+Э(a+b). При дальнейшем охлаждении из твердого раствора b будет выделяться a_П. Т.е. все заэвтектические сплавы ниже температуры эвтектического превращения будут иметь следующую структуру: b+Э(a+b)+a_П. Эта структура содержит три структурных составляющих: b, Э(a+b) и a_П, но при этом структура остается двухфазной: a-фаза и b-фаза.

Таким образом, по диаграмме состояния можно анализировать превращения, происходящие в сплаве определенного состава при охлаждении/нагреве и определять количество и состав фаз при любой температуре.

 

 

Пример выполнения задания

 

 

Задание. Вычертить диаграмму состояния Ag-Cu, построить кривую охлаждения для сплава, содержащего 80 % Ag и 20 % Cu, в интервале температур от 1000 °С до 20 °С, описать фазовые превращения и образующиеся структуры. Определить количество и состав фаз этого сплава при температуре 800 °С.

 

Решение задачи.

Диаграмма состояния берется из Приложения.

Построение кривой охлаждения. Справа от диаграммы состояния системы Ag-Cu в том же масштабе оси температур строят кривую охлаждения в координатах «температура сплава – время охлаждения» для сплава содержащего 20 % Cu. Для этого на диаграмме состояния проводят вертикаль, проходящую через точку на оси концентраций (ось «х»), соответствующую заданному химическому составу сплава (рис.4). Отмечают точки пересечения вертикали со всеми линиями диаграммы состояния:

a – точка пересечения с линией ликвидус;

b – точка пересечения с линией солидус и с линией эвтектического превращения;

Переносят температуры точек а и b на кривую охлаждения.

 

Ж+a→э(a+b)+a

Рис.4. Пример построения кривой охлаждения сплава двухкомпонентной системы

 

Выше точки а сплав находится в жидком состоянии (рис.5, а). Происходит охлаждение расплава, не сопровождающееся никакими превращениями, поэтому на кривой охлаждения нет ни выделения, ни поглощения энергии – участок оа без перегибов (рис.4).

 

а	б
в	г
Рис.5. Схематическое изображение структуры на каждом этапе охлаждения в соответствии с кривой охлаждения: а – участок оа; б – ab; в – bb’; г – b’c

 

В интервале аb из жидкости начинают кристаллизоваться зародыши твердого раствора - фазы a (рис.4 и 5, б). В результате по мере кристаллизации фазы a в оставшемся расплаве концентрация Cu повышается с исходных 20% до 39,9 %, что соответствует эвтектическому составу. Данная химическая реакция – экзотермическая, поэтому на кривой охлаждения графически отображают выделение теплоты в виде выпуклой кривой – участок ab на кривой охлаждения рис.4.

При температуре 780 °С оставшаяся жидкость соответствует составу эвтектической точки и кристаллизуется в виде эвтектики (рис.5, в). Слева от эвтектической горизонтали располагается область фазы a, с права – твердый раствор - фаза b. Таким образом, эвтектика представляет собой смесь двух фаз Э (a + b). Поскольку в результате экзотермических химических реакций одновременно кристаллизуются сразу две фазы, происходит выделение тепла, которое компенсирует снижение температуры при охлаждении, поэтому на кривой охлаждения эвтектической реакции соответствует горизонтальный участок bb’ (рис.4).

Окончание эвтектического превращения совпадает с линией солидус, т.е. ниже температуры точки е (b) сплав находится в твердом состоянии.

C охлаждением, у фазы a уменьшается период решетки, что приводит к снижению способности серебра растворять в себе медь. Этому соответствует линия сольвус cf на рис.4. Поэтому дальнейшее охлаждение сопровождается выделением из фазы a избытка Cu в виде вторичной фазы b_II в зернах a - фазы по экзотермической реакции, как показано на рис.5, г.

Таким образом, после полного охлаждения и окончания всех возможных превращений структура сплава (рис.5, г) представлена эвтектикой э(a+b) и a -фазой, в зернах которой располагается вторичная фаза b_II.

Определение количества и состава фаз при температуре 800 °С. Проводят изотерму mxn. Проекция точки m на ось концентраций Xa отражает состав фазы a (~12 % Cu). Проекция точки n на ось концентраций Xж отражает состав жидкой фазы (~39 % Cu).

Количество фаз определяют по правилу отрезков:

 

Q _a = on/mn; Q _ж = mo / mn,

где Q_a – количество a-фазы, Q_ж – количество жидкой фазы при температуре 800 °С.

 

Рис.7. Схема определения химического состава и соотношения фаз в сплаве

 

 

⇐ Предыдущая123Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: