В жидком и твердом состояниях

Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с неограничен- ной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях представлена на рис. 1.2. На диаграмме состояния имеются две линии: А'mB' – линия температур начала кристаллизации (конца плавления) сплавов, или линия ликвидуса á твердого раствора; А'nB' – линия тем- ператур конца кристаллизации (начала плавления), или линия солиду- са á твердого раствора. Эти линии делят всю диаграмму состояния на три фазовые области. Выше линии ликвидуса располагается область однофазных жидких растворов, ниже солидуса – область однофазных твердых растворов. Между линиями ликвидуса и солидуса находится двухфазная область (Ж +á).

Рассмотрим процессы, которые будут происходить в сплаве Х при его равновесном охлаждении (рис. 1.3, а). При охлаждении образца, находящегося в жидком состоянии, до комнатной температуры в сплаве будут наблюдаться две критические точки (m и n), соответст- вующие температурам t1 и t2. В исходном состоянии сплав представ- ляет собой жидкий раствор, состав которого соответствует составу сплава. При охлаждении образца сплава до температуры первой кри- тической точки t1 сплав будет оставаться однофазным.

При температуре t1 из жидкого раствора, состав которого отвечает

точке m, начнут выделяться кристаллы á твердого раствора, состав которых соответствует точке k. Произойдет изменение фазового со-

стояния сплава, он станет двухфазным, начнется процесс кристалли-

зации. Температура t1 – температура ликвидуса сплава Х.

Фигуративная точка, отвечающая жидкой фазе, при понижении

температуры будет перемещаться от точки m вниз по кривой ликвиду-

са, а фигуративная точка, соответствующая á твердому раствору, – от точки k вниз по кривой солидуса. При какой-то промежуточной тем- пературе t2 составы находящихся в равновесии жидкой и твердой фаз будут описываться фигуративными точками c и d, а состояние сплава Х – фигуративной точкой f. Отрезок cd, соединяющий фигуративные точки равновесных фаз, носит название коноды. Количество каждой из равновесных фаз в рассматриваемом сплаве может быть определе- но по правилу рычага. Если принять за точку опоры мысленного ры- чага cd фигуративную точку f, согласно правилу рычага отношение масс фаз будет обратно отношению отрезков от точки f до фигуратив- ных точек соответствующих фаз.

Таким образом,

m cf

á

, (1)

где mЖ и má– масса соответственно жидкой и твердой фаз.

Рис. 1.3. Кристаллизация двухкомпонентного сплава:

а) диаграмма состояния системы А – В; б) кривая ох-

лаждения сплава Х

Из уравнения (1) следует, что

mЖ =mЖ =

fd = fd,

mЖ +má

mспл

cf + fd cd

má = cf,

где mспл – масса сплава.

mспл cd

Как видно из этих уравнений, количество той или иной фазы в сплаве может быть выражено в долях или в процентах от массы всего сплава. При этом вся длина коноды cd будет соответствовать массе всего сплава, то есть 100 %, а отрезки cf и fd – массам á фазы и жидкой фазы.

Процесс кристаллизации закончится при такой температуре, при которой отрезок коноды между точками, соответствующими кристал- лам á фазы и сплаву, будет равен нулю. Такой температурой будет температура t2. Температура конца кристаллизации сплава t2 называ- ется температурой солидуса сплава. Точки r и n будут соответствовать составам последних капель жидкого раствора и кристаллов á фазы, находящихся в равновесии друг с другом при температуре t2. Следо- вательно, процесс кристаллизации сплава Х происходит в интервале температур от t1 до t2. При этом фигуративная точка жидкого раствора перемещается по кривой ликвидуса от точки m до точки r, а фигура- тивная точка á твердого раствора – по кривой солидуса от k до точки n.

Эта реакция является реакцией кристаллизации сплава.

При охлаждении сплава Х от t2 до комнатной температуры в нем никаких фазовых превращений не происходит.

Кривая охлаждения образца сплава Х (рис. 1.3, б) в интервале температур от t1 до t2 изменяет свой ход, что связано с выделением те- плоты кристаллизации. Поэтому по термограммам охлаждения сплава можно определить температуры ликвидуса и солидуса.

Подобные кривые получаются и при термическом анализе других сплавов заданной системы. Различие между кривыми охлаждения раз- личных сплавов заключается лишь в температурах критических точек.

á

Рис. 1.4. Структура сплава Х после равновесной кристаллизации (схема)

После равновесной кристаллизации структура сплава Х будет со- стоять из кристаллов á твердого раствора, состав которых соответст- вует составу сплава (рис. 1.4).

Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и ограниченной растворимостью компонентов в твердом состояниях (эвтектический тип)

Рис. 1.5. Фазовая диаграмма двухкомпонентной системы А – В

с ограниченной растворимостью их в твердом состоянии

А'e – линия ликвидуса á твердого раствора (твердого раствора компонента В в компоненте А), В'e – линия ликвидуса â твердого рас- твора (твердого раствора компонента А в компоненте В). А'а и В'b – это линии солидуса á и â твердых растворов соответственно; ab – эв- тектическая линия; е – эвтектическая точка; аc является линией огра- ниченной растворимости компонента В в компоненте А (линией соль- вуса á раствора), а bd – линией ограниченной растворимости компо- нента А в компоненте В (линией сольвуса â раствора). Эти линии раз- бивают всю диаграмму состояния системы А – В на шесть фазовых областей: три однофазные области (Ж, á, â) и три двухфазные области (Ж + á, Ж + â, á+â). Эвтектическая прямая является по существу седь- мой, выродившейся в линию трехфазной областью Ж + á+â.

Все сплавы системы А – В могут быть подразделены на доэвтекти- ческие, эвтектический и заэвтектические сплавы. Состав эвтектиче- ского сплава соответствует составу точки эвтектики е. Доэвтектиче- ские сплавы находятся в области, расположенной между точками а и е, а заэвтектические сплавы – в области между точками е и в.

Проанализируем процессы, происходящие при охлаждении эвтек-

тического сплава Х такой системы, в которой величина предельной

растворимости как компонента В в á твердом растворе, так и компо- нента А в â твердом растворе не изменяется при изменении темпера- туры (рис. 1.6, а). Вертикаль, проходящая через точку Х, пересекает линии диаграммы состояния в точке е.

t, oC A'

te

Ж

Х

Ж + á

Ж + â

t, oC

B ' Х

Ж

Ж

te

á+â

a e b

â

á

á+â

á+â

A c %B d B

а)

ô, c

б)

Рис. 1.6. Кристаллизация эвтектического сплава:

а) диаграмма состояния системы А – В; б) кривая охлаждения эвтектического сплава Х

Следовательно, сплав Х будет иметь одну критическую точку, ко- торой соответствует эвтектическая температура te.

При охлаждении сплава до te фазовый состав сплава изменяться не будет. Точка е од- новременно принадлежит как кривой ликвидуса á твердого раствора, так и кривой ликвидуса â твердого раствора.

Жидкий сплав, фигура- тивная точка которого соответствует точке е, будет одновременно на- сыщен как по отношению к кристаллам á раствора, так и по отноше- нию к кристаллам â фазы. Поэтому из этого жидкого раствора в про- цессе равновесной кристаллизации одновременно будут выделяться как á, так и â кристаллы. Получающаяся в результате кристаллизации сплава Х смесь á и â кристаллов носит название эвтектической смеси, или эвтектики.

При равновесной эвтектической кристаллизации в образце сплава Х в равновесии находятся три фазы: жидкий раствор, кристаллы á твердого раствора и кристаллы â твердого раствора, составы которых соответствуют фигуративным точкам е, a и b. После окончания эвтек- тической кристаллизации структура сплава будет представлять собой эвтектическую смесь кристаллов á и â фаз. Соотношение количеств этих фаз в эвтектике

má = be.

mâ ae

Предельные растворимости компонентов А и В в фазах á, â при изменении температуры не изменяются, поэтому в процессе охлажде- ния сплава Х до комнатной температуры составы фаз в сплаве изме- няться не будут.

На рис. 1.6, б представлена кривая охлаждения сплава Х. На кри- вой охлаждения наблюдается горизонтальная площадка, соответст- вующая эвтектической кристаллизации. Микроструктура эвтектиче- ского сплава (рис. 1.7) имеет одну структурную составляющую эвтек- тику, но фазовых составляющих в структуре сплава Х будет две. Это эвтектические кристаллы á твердого раствора и эвтектические кри- сталлы â твердого раствора.

Рассмотрим процессы, происходящие при охлаждении образца до- эвтектического сплава Х1 такой системы, в которой предельная рас- творимость компонента В в á твердом растворе и предельная раство- римость компонента А в â твердом растворе уменьшаются с пониже- нием температуры (рис. 1.8). Вертикаль сплава Х1 пересекает в точках

1 и 2 две линии диаграммы состояния. В интервале температур от t 1

до te происходит кристаллизация твердого раствора.

Кристаллы á фазы, выделяющиеся в эту стадию кристаллизации, называются первичными. В конечный момент кристаллизации фигу- ративная точка первичных кристаллов оказывается в точке а, а фигу- ративная точка жидкого раствора в точке е.

При температуре te жидкий раствор кристаллизуется в виде эв-

тектики

Таким образом, кристаллизация сплава Х1 происходит в две ста- дии. Поэтому после эвтектической кристаллизации при температуре te структура сплава будет состоять из двух структурных составляющих: первичных кристаллов á твердого раствора и эвтектики á а+ â b. Фазо- вых составляющих в структуре сплава Х1 после кристаллизации эв- тектики будет также две. Это кристаллы á и â фаз.

В результате того, что предельная растворимость компонента В в á твердом растворе уменьшается с понижением температуры, в про- цессе охлаждения будет происходить распад á твердого раствора с выделением вторичных â кристаллов.

При этом фигуративная точка á кристаллов будет перемещаться по кривой аc, а â кристаллов – по кривой bd.

В результате этого процесса в кристаллах á фазы появятся мелкие вторичные кристаллы â фазы. С понижением температур предельная растворимость компонента А в â твердом растворе также уменьшает- ся, поэтому аналогичный процесс будет происходить и в кристаллах â фазы:

В результате этих процессов появляются вторичные кристаллы в первичных кристаллах á фазы и в кристаллах á и â фаз эвтектики.

Однако выделения вторичных кристаллов в эвтектике не заметно, так как сама эвтектика на шлифе выглядит как достаточно дисперсная смесь двух видов кристаллов. Поэтому вторичные кристаллы заметны только в первичных кристаллах á твердого раствора. Кривая охлаж- дения Х1 приведена на рис. 1.8, б.

В структуре сплава Х1 (рис. 1.9, а) наблюдаются следующие структурные составляющие: первичные кристаллы á твердого раствора с выделением вторичных â кристаллов и á+â эвтектика. В структуре будут две фазовые составляющие: кри-

сталлы á с и â d фаз, состав которых соответствует фигуративным точкам c и d.

t,oC

A '

X2 B ' X1

Ж 3 gt3

t,oC

X1 X2

Ж Ж

t3 3

t1 1

Ж+â

Ж â

t1 1 Ж á

f Ж + á

á a 2

Ж á+â

Ж á+â

á+â

á â á â

A c %B d B

ô, c

а) б)

Рис. 1.8. Кристаллизация доэвтектического и заэвтектического сплавов: а) диаграмма состояния эвтектического типа системы А – В; б) кривые охлаж- дения сплавов Х1 и Х2

Согласно указанным выше формулам, процесс кристаллизации этого сплава происходит в две стадии и в структуре сплава будут сле- дующие структурные составляющие: первичные кристаллы â фазы с включениями вторичных á кристаллов и эвтектика (рис. 1.9, б).

(á+â)

âвторичные áвторичные

Эвтектика â

(á+â)

а) б)

Рис. 1.9. Схематическое изображение микроструктуры:

а) сплав Х1; б) сплав Х2

Кривая охлаждения сплава Х2 приведена на рис. 1.8, б. В других до- и заэвтектических сплавах при их охлаждении из жидкого состоя- ния будут происходить процессы, аналогичные рассмотренным выше сплавам Х1 и Х2.

Рассмотрим процессы, происходящие при равновесом охлаждении образца сплава Х3 (рис. 1.10). Вертикаль сплава пересекает три линии

диаграммы состояния в точках 5, 6 и 7. Поэтому при охлаждении

сплава Х3 будут наблюдаться три критические точки (t5, t6 и t7):

Стадии охлаждения до температуры t7 аналогичны стадиям охла- ждения и кристаллизации сплавов типа твердых растворов. При тем- пературе t7 фигуративная точка сплава оказывается на кривой сольву- са á твердого раствора. Поэтому á твердый раствор будет насыщен- ным относительно кристаллов â фазы и при дальнейшем охлаждении из кристаллов á фазы будут выделяться вторичные кристаллы â фазы.

а) диаграмма состояния эвтектического типа системы А – В;

б) кривая охлаждения сплава X3(б)

Эти кристаллы â фазы образуются как по границам, так и внутри á кристаллов. На рис. 1.11 приведена структура образца сплава Х3, а на рис. 1.10, б – кривая его охла-

ждения. Структура сплава Х3 со-

стоит из кристаллов á раствора, содержащих включения вторич- ных кристаллов â твердого рас- твора. В структуре сплава Х3 бу- дут фазовые составляющие: кри- сталлы á и â фаз.

âвторичные á

Рис. 1.11. Схема микрострук-

туры сплава Х3

Date: 2015-05-22; view: 841; Нарушение авторских прав