Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
Диаграммы эвтектического типа
За исключением небольшого числа компонентов, образующих непрерывные ряды твердых и жидких растворов, большинство металлов ограниченно растворяются друг в друге. Поэтому, в системах таких компонентов области ограниченных твердых растворов разделяются двухфазными областями смесей этих твердых растворов. Такие области могут иметь системы с эвтектическим равновесием (рисунок 3.3.1).
|
Рисунок 3.3.1 - Диаграмма состояния системы эвтектического типа с переменной
ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии:
а – микроструктура сплава 1; б – микроструктура сплава 2
На диаграмме эвтектического типа с переменной ограниченной растворимостью компонентов друг в друге верхняя линия ТАEТВ – линия ликвидуса, ТАMENТВ – линия солидуса. Важнейшими линиями этой системы являются: Мm – кривая ограниченной растворимости компонента В в a-твердом растворе и Nn – кривая ограниченной растворимости компонента А в b-твердом растворе. Область ТАMmА – область твердого раствора компонента В в А (a-фаза), область ТВNnB – область твердого раствора компонента А в В (b-фаза). Область mМЕNn – область двухфазного состояния (a + b).
Кривые ликвидус пересекаются в точке E (или e), которая называется эвтектической точкой. Горизонтальная линия MEN, проходящая через эвтектическую точку, называется эвтектической линией или линией эвтектики, она характеризует эвтектическое равновесие LE↔aM + bN. Сплавы, фигуративная линия которых пересекает горизонталь МЕ, называют доэвтектическими, а сплавы, которые пересекают горизонталь ЕN – заэвтектическими.
Проследим процессы формирования структуры сплавов при кристаллизации и превращениях в твердом состоянии. При температуре выше линии ликвидуса все сплавы диаграммы находятся в состоянии однородного жидкого раствора.
В сплаве 1 (рисунок 3.3.1) при понижении температуры от точки 1 до точки 2 происходит кристаллизация a-твердого раствора L→a, точно также, как и в случае неограниченных твердых растворов. Ниже солидуса сплав 1 охлаждается без изменения фазового состава. Структура однофазного сплава при комнатной температуре представлена одной структурной составляющей – кристаллами a-твердого раствора (рисунок 3.3.1,а).
Кристаллизация сплава 2 происходит аналогично сплаву 1. Ниже температуры точки 2 сплав находится в состоянии однородного a-твердого раствора. В точке 3 твердый раствор достигает предела растворимости для данной температуры и при дальнейшем охлаждении, в связи с уменьшением растворимости компонента B в А, из твердого раствора должен выделяться избыток компонента В. Однако в данной системе компонент В может в себе также растворять компонент А, образуя твердый раствор b. Поэтому избыток компонента В в сплаве 2 выпадает в виде кристаллов b-фазы. При этом избыточная b-фаза выделяется в равновесных условиях в форме ободков по границам зерен. При охлаждении от температуры точки 3 до 4 состав a-твердого раствора будет изменяться по линии 3m, а состав выделяющегося твердого раствора b по линии qn. Соответственно изменяется и относительное количество фаз a и b в сплаве. Количество b-фазы при температуре точки f по правилу рычага будет равно: 
, количество a-фазы 
.
Кристаллы фаз, выделяющиеся при превращениях в твердом состоянии, называются вторичными. Они имеют размеры значительно меньше первичных.
Структура сплава 2 фазового состава (α + β) при комнатной температуре содержит две структурные составляющие: первичные кристаллы α-твердого раствора, составляющие основу сплава и вторичные кристаллы β-твердого раствора, располагающиеся по границам зерен (рисунок 3.3.1, б).
Рассмотрим превращения при охлаждении доэвтектического сплава (рисунок 3.3.2 а). От температуры точки 1 до точки 2 в сплаве происходит выделение первичных кристаллов a-твердого раствора. Состав a-фазы в интервале кристаллизации изменяется по линии 1’-a, жидкости – по линии 1-е. На термической кривой охлаждения сплава появляется выпуклый участок, как результат выделения скрытой теплоты кристаллизации.
При эвтектической температуре (точка 2) в сплаве остается некоторое количество жидкости, равное 
, состав которой отвечает точке е, т.е. жидкость предельно насыщена как компонентом В, так и компонентом А.
В связи с этим при постоянной температуре te жидкость распадается на физико-химическую смесь фаз Lе →(aа + bb)э, т. е. в сплаве происходит эвтектическая кристаллизация с образованием колоний эвтектики, состоящей из кристаллов a и b твердых растворов, состав которых будет соответствовать точкам а и b. На термической кривой охлаждения сплава появляется изотерма, свидетельствующая о выделении значительной теплоты кристаллизации при эвтектическом превращении. По правилу фаз Гиббса С = К – Ф + 1= 2 – 3 + 1 = 0, т.е. эвтектическое равновесие нонвариантно.
Эвтектическая кристаллизация – это процесс образования и совместного роста разветвленных, регулярно чередующихся кристаллов α и β-фаз, составляющих эвтектическую колонию. Каждая эвтектическая колония представляет собой двухфазный бикристалл. Ранее выпавшие первичные кристаллы α-фазы оказываются окруженными колониями тонко-дифференцированной эвтектической физико-химической смеси двух фаз (α + β)э – эвтектикой.
Таким образом, структура доэвтектического сплава ниже линии эвтектики будет состоять из первичных кристаллов a-твердого раствора и эвтектики (a + b)э.
С понижением температуры ниже эвтектической, в соответствии с представленной диаграммой, уменьшается растворимость компонента В в α-твердом растворе и компонента А в β-твердом растворе, а концентрация a и b твердых растворов изменяется по линиям аа1 и bb1. Соответственно, изменяется и относительное количество a и b фаз.
Поэтому доэвтектический сплав (рисунок 3.3.2 а) при охлаждении ниже линии эвтектики претерпевает фазовое превращение в твердом состоянии, в результате которого из первичных и эвтектических кристаллов α-фазы происходит выделение вторичных кристаллов β-фазы, а из эвтектических кристаллов β-фазы происходит выделение вторичных кристаллов α-фазы. На кривой охлаждения сплава ниже горизонтальной площадки имеется небольшой перегиб, что свидетельствует о выделении при фазовом переходе α↔β теплоты превращения. Выделения вторичных кристаллов из составляющих эвтектики структурно не проявляются. В результате, структура доэвтектического, двухфазного (a и b) сплава, при комнатной температуре состоит из первичных кристаллов a-твердого раствора, эвтектики (a + b)э и вторичных кристаллов b-фазы.
|
|
| б |
| Рисунок 3.3.2 - Диаграмма состояния системы эвтектического типа с ограниченной переменной растворимостью в твердом состоянии: а - доэвтектический сплав; б - эвтектический сплав. |
Сплав, по составу совпадающий с точкой е, называется эвтектическим, он кристаллизуется при постоянной температуре te с образованием эвтектики (aа + bb)э в виде эвтектических колоний. Фазовые и структурные превращения в эвтектическом сплаве представлены и описаны на рисунке 3.3.2 б. Затвердевание заэвтектического сплава отличается от доэвтектического только выделением других первичных кристаллов. Кристаллизация заэвтектического сплава начинается с выделения первичных кристаллов β-фазы. Состав твердой и жидкой фаз и их относительное количество определяется тем же способом, что и для доэвтектического сплава. Структура заэвтектического сплава имеет вид, подобный структуре доэвтектического сплава (рисунок 3.3.2 а)
Рассмотрим последовательность кристаллизации эвтектическойколонии по механизму, предложенному А.А. Бочваром. При переохлаждении эвтектического сплава ниже температуры te (рисунок 3.3.3) происходит пересыщение жидкости состава точки d компонентом А и В (сравнить концентрации точки d с точкой f и концентрации точки d с точкой с соответственно).
В этих условиях возможно одновременное зарождение кристаллов a, обогащенных компонентом А, и b, обогащенных компонентом В, составляющих основу эвтектических колоний. Обычно зарождение колоний начинается с выделения плоского кристалла фазы, имеющей высокую энтропию плавления. Такую фазу называют ведущей. Примерами ведущих фаз являются химическое соединение Fe3C, в системе Fe-Fe3C; CuAl2, в системе Al-Cu; Si в системе Al-Si. На фронте затвердевания перед растущим кристаллом ведущей фазы β, обогащенной, например атомами компонента В, создается пересыщение жидкости атомами компонента А, что дает возможность образования на межфазной границе L→β зародыша второй фазы α. Вторая фаза в эвтектике зарождается и растет в форме дендрита на кристалле ведущей фазы.
Далее происходит прорастание ведущей фазы β через дендритные промежутки второй фазы α и их последующий кооперативный, совместный рост. Парный совместный рост эвтектического бикристалла (чаще трикристалла, где центральной фазой оказывается ведущая, а с обеих сторон от нее – ведомая фаза) происходит достаточно быстро. В жидкости, прилегающей к поверхности a и b двухфазного кристалла, устанавливается неодинаковая равновесная концентрация атомов компонентов на межфазных границах: L-a, (точка f) и L-b (точка с), т.е. происходит разделительная диффузия в жидкости на короткие расстояния. Равновесные концентрации определяются пересечением продолжений линий ликвидуса с линией температуры переохлаждения. Наличие разной концентрации атомов в жидкости перед двухфазным фронтом кристаллизации является движущим фактором выравнивающей диффузии в жидкости.
| Рисунок 3.3.3 - Распределение компонента В в жидкости перед двухфазным фронтом кристаллизации эвтектической колонии |
В результате диффузионных процессов в жидкости атомы А присоединяются к a-эвтектическим кристаллам, а атомы В к b-эвтектическим кристаллам и происходит быстрый совместный рост разветвляющегося по мере роста би (три) кристалла (a + b) фаз. Таким образом, эвтектическая колония растет до столкновения с соседней колонией.
Примером формирования эвтектической колонии может служить кристаллизация сотового ледебурита при эвтектическом превращении в системе Fe-Fe3C (рисунок 3.3.4).
Форма и строение эвтектических колоний зависит от степени переохлаждения расплава. При малых переохлаждениях основание эвтектических колоний, например, ледебурита, растёт в виде пластин с преобладанием сотовой структуры. С увеличением переохлаждения, в условиях некоторого замедления выравнивающей диффузии, происходит разветвление дендритов в пластинчатом пакете эвтектики. Объем колонии, занимаемой сотовой структурой уменьшается.
|
Рисунок 3.3.4. Схема формирования эвтектической колонии ледебурита:
а - кристалл ведущей фазы, Fe3C; б - основание колонии ледебурита (g+Fe3C);
в-е - совместный рост Fe3C и g фаз и образование сотового ледебурита
В условиях больших переохлаждений начинается веерное разветвление эвтектического пакета, общая пластинчатая форма колонии искажается, и формируются сильно разветвленные колонии (рисунок 3.3.5,а). При глубоком переохлаждении расплава колонии разделяются на сектора, образуя сферолиты (рисунок 3.3.5,в).
Кристаллы эвтектических фаз, также как и первичные, могут расти округлыми и ограненными. Форму кристаллов связывают с особенностями кристаллохимической природы фаз, и с величиной энтропии плавления. При малой величине энтропийного критерия растут округлые кристаллы с атомно-шероховатой поверхностью раздела. Эта форма роста характерна для типичных металлов и твердых растворов на их основе. Высокоэнтропийные фазы образуют ограненные кристаллы, для которых характерна атомно-гладкая поверхность раздела и ступенчатый, тангенциальный механизм роста.
По характеру микроструктуры на шлифе эвтектику называют пластинчатой, зернистой, скелетной, игольчатой (рисунок 3.3.6, 3.3.7).
|
| Рисунок 3.3.5. Веерное разветвление пластинчатого пакета фаз (а, б) и рост сферолита эвтектики в системе Fe+Fe3C (в): а - ×250; б - ×100; в - ×300 |
При этом форма эвтектики при наблюдении в микроскопе, часто определяется лишь условиями пересечения непрерывной колонии плоскостью шлифа, и не дает общего представления о фактическом строении эвтектических кристаллов.
    
абв г
|
| Рисунок 3.3.6- Пластинчатая (а), зернистая (б), игольчатая (в) скелетная (г), эвтектики |
Если на шлифах обнаруживается регулярное строение, в случае пластинчатой и скелетной эвтектики (рисунок 3.3.7, а, г), то данную эвтектику называют нормальной. Эвтектика, в колониях которой на шлифах не выявляется регулярное расположение фаз, считают аномальной.
| 
|
| а | б |
| 
|
| в | г |
| Рисунок 3.3.7 - Структура пластинчатой эвтектики α(Al)+CuAl2 (а); зернистой эвтектики Cu+Cu2O (б); игольчатой эвтектики α(Al)+Si (в); скелетной эвтектики γ(Fe)+(W,Fe)6C(г). |
К аномальной относят игольчатую эвтектику, например эвтектику в сплавах системы Al-Si рисунок 3.3.7, в) или графито-аустенитную эвтектику в серых чугунах.
В качестве примера реальной диаграммы состояния эвтектического типа представлена двойная система Pb-Sb (рисунок 3.3.8, а.). Сурьма растворима в свинце, концентрация сурьмы при эвтектической температуре составляет 6,8 ат. % и, поэтому, со стороны свинца образуется область ограниченного a-твердого раствора замещения сурьмы в свинце. Напротив, свинец слабо растворим в сурьме, следовательно, на диаграмме практически отсутствует область b твердого раствора и при кристаллизации сплавов рассматриваемой системы анализируется фазовый состав и структура с участием чистой сурьмы.
Диаграмма состоит из четырех областей. Выше линии ликвидус сплавы находятся в виде однородного жидкого раствора. Между линиями ликвидус и солидус расположена двухфазная область жидкой и твердой фаз. Ниже линии эвтектики все сплавы находятся в твердом состоянии. Причем при содержании Sb до 13 % по массе (17,5 ат. %) затвердевший доэвтектический сплав состоит из избыточных кристаллов a-твердого раствора и эвтектики, являющейся физико-химической смесью мелкодисперсных частиц a-твердого раствора и сурьмы (рисунок 3.3.8, б).
Сплав, содержащий более 13 % сурьмы, по составу заэвтектический. Структура заэвтектического сплава содержит первичные кристаллы сурьмы и эвтектику (a + Sb)э (рисунок 3.3.8, в).
В реальных условиях неравновесной кристаллизации, происходит существенное изменение равновесного состояния сплавов. Перераспределение компонентов А и B между твердыми растворами a и b и соответственное изменение количества этих фаз происходит в твердом состоянии диффузионным путем. Следовательно, для протекания этого процесса необходимы значительные затраты времени. Для практики важным является особенность дендритной ликвации при неравновесной кристаллизации сплавов в системах эвтектического типа, образующих твердые растворы с ограниченной растворимостью. Дендритная ликвация доэвтектического сплава (рисунок 3.3.8, б.) проявляется не только образованием химической неоднородности по сечению дендритов твердого раствора, но и присутствием в структуре литого сплава неравновесной эвтектики.
Причина появления неравновесной эвтектики в сплавах типа твердых растворов связана с изменением положения линий равновесной диаграммы состояния.
| |
| а | |
| 
|
| б | в |
| Рисунок 3.3.8 - Диаграмма состояния системы Pb-Sb(а); литая структура сплавов: Pb – 9% Sb, (б)структурные составляющие: первичные кристаллы a - раствора Sb в Pb и эвтектика (a + Sb); Pb – 25% Sb (в) структурные составляющие: первичные кристаллы Sb и эвтектика (a + Sb)э; ´100 |
Подавление диффузии в твердой фазе в условиях ускоренного охлаждения при кристаллизации сдвигает влево концентрационную границу появления второй фазы при эвтектическом превращении, понижает температуру окончания кристаллизации, и приводит к образованию неравновесного солидуса (рисунок 3.3.9).
| Рисунок 3.3.9 - Неравновесный солидус ТАМa в эвтектической системе |
В сплаве 4 при охлаждении до температуры точки 3 сохраняется некоторое количество 
жидкой фазы, которая претерпевает эвтектическую реакцию.
Вследствие малого количества эвтектической жидкости эвтектика может структурно вырождаться в одну фазу. В этом случае такую структурную составляющую называют вырожденной эвтектикой.
Date: 2015-10-18; view: 6334; Нарушение авторских прав; Помощь в написании работы --> СЮДА... |