Анализ диаграмм состояния двойных сплавов (стр. 1 из 2)

РАБОТА 5

АНАЛИЗ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ ДВОЙНЫХ СПЛАВОВ

Цель работы: изучение основных типов диаграмм состояния двойных систем, приобретение практических навыков изучения превращений, протекающих при кристаллизации сплавов, анализ полученных данных и определение возможности их использования па практике.

Знание диаграмм состояния различных систем, характеризующих превращения в сплавах, и умение анализировать эти превращения позволяют оценить свойства сплавов и в конечном итоге рационально выбрать материал для тех или иных изделий в зависимости от предъявляемых к ним требований.

Диаграммы состояния изображаются в координатах температура - содержание компонентов. Линии, соединяющие критические точки аналогичных превращений в системе, разграничивают области существования равновесных фаз. Любая точка на диаграмме определяет фазовый и химический составы сплава, а также его структуру при данной температуре. Вертикальная линия соответствует определенному химическому составу сплава. В зависимости от того, как взаимодействуют компоненты сплавов между собой в твердом состоянии (обладают различной взаимной растворимостью и образуют твердые растворы; образуют эвтектики или химические соединения), различают несколько типов диаграмм.

Рассмотрим, например, превращения, происходящие в сплавах Al - Са (рис. 5.1). Выше линии ликвидус ABCDEF оба компонента находятся в жидком состоянии и в любых соотношениях неограниченно растворяются друг в друге. Ниже линии солидус AMBNPQKEH сплавы системы находятся в твердом состоянии. Фнализ диаграммы показывает, что при затвердевании происходят следующие превращения.

1. Образуется α -твердый раствор Са в А1. Область существования твердого раствора – AMS₁ прилегает к линии чистого А1. Точка М показывает максимальную растворимость Са в А1, точка S₁ — минимальную, линия MS₁ — ограничение растворимости Са в Al. Итак, с понижением температуры наблюдается уменьшение растворимости Са в Al в соответствии с линией MS₁. Избыточный кальций, который не может быть растворен в α- твердом растворе, выделяется при охлаждении ниже линии MS₁ в виде вторичных кристаллов СаAl_{3 11} в отличие от первичных СаAl₃, образующихся при наличии жидкой фазы в точке Р.

2. Образуются химические соединения СаAl₃ и СаAl₂, кристаллизующиеся из жидкого сплава при температурах, соответствующих точке D, и точке Р при взаимодействии жидкой фазы и химического соединения СаAl₂ (соответственно) .

Превращение, протекающее при постоянной температуре, когда из двух фаз, одна из которых является жидкой, образуется третья и все фазы в момент превращения имеют определенный состав, называется перитектическим и может быть записано в виде реакции

T= const

Ж_c + CaAl _{2 (Q)} ———->СаА1 ₃(р),

где символы С, Q, Р показывают содержание компонентов в соответствующих фазах.

Рис. 5.1. Диаграмма состояния (в) и кривые охлаждения (а, б, г, д) сплавов системы Al - Са (структурный анализ):

I...IV — номера сплавов

В процессе перитектического превращения в соответствии с правилом фаз С = К – Ф + 1 = 2 – 3 + 1 = 0. Применение правила отрезков (конода CPQ) показывает, что при перитектическом превращении массы взаимодействующих фаз строго определенны. В доперитектических сплавах, расположенных левее точки Р, в избытке остается жидкая фаза, которая затем испытывает все превращения, описанные ниже для сплава II. В заперитектических сплавах, расположенных правее точки Р, избыточной является твердая фаза (в данном случае СаAl₂). Химическое соединение СаAl₃ является устойчивым при нагревании вплоть до температуры плавления (точка D). Химическое соединение СаAl₃ неустойчиво и, будучи нагретым до температуры точки Р, разлагается на жидкость и СаAl₂.

3. Формируются две эвтектики Э ₁ и Э ₂. Первая представляет собой тонкую механическую смесь кристаллов α -твердого раствора и СаА1 ₃, образующуюся (при С = 0) из жидкости по реакции

Вторая эвтектика представляет собой тонкую механическую смесь кристаллов Са и СаAl₃ и образуется но реакции

При этом превращении, как и при первом эвтектическом превращении, система нонвариантна (С = 0).

В ряде систем возможна подобная реакция, но смесь двух различных фаз образуется не из жидкости, а из твердого раствора. Такая реакция называется эвтектоидной.

Рассмотрим кривые охлаждения нескольких сплавов (см. рис. 5.1) и проведем их подробный структурный анализ.

Сплав I. При охлаждении от точки 0 до точки 1 (см. рис. 5.1, а) сплав находится в жидком состоянии (С = 2). При температуре t₁, соответствующей точке 1, начинается кристаллизация сплава. Конода abc—отрезок изотермы, проведенный влево и вправо от линии сплава до пересечения с линиями диаграммы, где расположены искомые фазы или структурные составляющие (см. рис. 5.1, в). Она показывает, что это кристаллы α - твердого раствора (точка а коиоды указывает на область α ). Вторая точка коноды с указывает на наличие жидкой фазы. Пользуясь правилом отрезков, можно определить массовую долю (Q, %) сосуществующих фаз. Например, при температуре t₁Qα = bc / ac*100, Qж = bc / ac*100. Итак, для определения содержания любой из двух фаз необходимо взять отношение длины противолежащего от искомой фазы отрезка коноды к длине всей коноды. Проекции точек а и с на ось концентраций покажут, каково содержание компонентов в каждой из фаз (точка а — в α - твердом растворе, точка с — в жидкой части сплава).

При охлаждении сплава I от t₁ до t₂ доля твердой фазы растет, а жидкой — соответственно уменьшается, что подтверждается правилом отрезков.

К моменту охлаждения сплава до t₂ содержание компонентов в последних порциях кристаллов α - твердого раствора будет соответствовать точке М, а в жидкости — точке В. Как видно, жидкость имеет эвтектический состав и потому она кристаллизуется по первой эвтектической реакции (С = 0), протекающей при постоянной температуре (t₂ = t_2’). С исчезновением при t_2’жидкости первичная кристаллизация заканчивается, а от t_2’ до t₃ протекает вторичная кристаллизация сплава (из твердой α - фазы выделяется СаAl_{3 11}).

Сплав II. От t₀ до t₁ (см. рис. 5.1, б) идет охлаждение жидкой фазы, от t₁ до t₂ - выделение из жидкости кристаллов СаAl₃. Затем протекает эвтектическая реакция при постоянной температуре (линия MBN на рис. 5.1, в) и жидкая часть сплава переходит в эвтектику. Ниже t₂ никаких превращений в кристаллах СаAl₃ и в эвтектике не происходит.

Сплав III. От t₀ До t₁ (см. рис. 5.1, г) идет охлаждение жидкой фазы, от t₁ до t₂ происходит выделение из жидкости кристаллов CaAl₂. По достижении температуры, соответствующей линии CPQ, протекает перитектическая реакция (С = 0)

Поскольку линия сплава III проходит правее точки Р, т. е. ближе к линии CaAl₂, то в результате перитектического превращения образуется СаAl₃ и некоторая часть СаAl₂ остается в избытке. Ниже t₂ никаких превращений в сплаве не происходит.

Кристаллизацию сплава IV (см. рис. 5.1, д) анализируют по аналогии с рассмотренными выше сплавами.

Анализ кривых охлаждения чистых компонентов Al и Са и химического соединения CaAl₂ показывает, что они имеют одинаковый характер (площадку кристаллизации в точках A, F и D соответственно) и отличаются лишь температурным уровнем площадки кристаллизации. Таким образом, устойчивые химические соединения ведут себя подобно компонентам сплава и, приняв CaAl₂ условно за компонент, диаграмму А1—Са (см. рис. 5.1, в)

Рис. 5.2. Диаграмма состояния сплавов системы Al - Са (фазовый анализ)

Можно рассматривать как состоящую из двух самостоятельных диаграмм А1—CaAl₂ и СаAl₂ — Са. При этом диаграмма CaAl₂ — Са является по существу элементарной диаграммой, когда оба компонента в твердом состоянии нерастворимы друг в друге и образуют механическую смесь—эвтектику. Аналогичная диаграмма (Sn—Zn) была рассмотрена в работе 4. Диаграмма А1—CaAl₂ состоит из частей элементарных диаграмм состояния с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии, с эвтектическим и перитектическим превращениями.

На рис. 5.2 приведены результаты фазового анализа диаграммы Al — Са.

Фазовый состав сплавов в любой области легко определить с помощью коноды, концы которой указывают на равновесные сосуществующие фазы и содержание в них компонентов. Линия ликвидус показывает не только температуру начала кристаллизации соответствующих сплавов, но и содержание компонентов в жидкой фазе любого сплава в зависимости от температуры. Солидус определяет температуру окончания кристаллизации и содержание компонентов в твердой кристаллизующейся фазе.

В случае, если необходимо определить массовую долю структурных составляющих, например, в сплаве IV для температуры t₂ — эвтектики и СаАl₂, проводят коноду fpk (см. рис. 5.1) до линий, соответствующих составляющим, и пользуются соотношениями Q_{CaAl 2} = ph / (fh) * 100 и Q_{э 2} = fh / 9fk)*100. Структурная составляющая сплава имеет под микроскопом своеобразный вид.

Задания

1. Начертить заданную преподавателем диаграмму состояния двойных сплавов (см. прил. 2.1—2.24).