Главная Случайная страница


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 с эвтектическим равновесием





Доклад

Двухкомпонентные системы: эвтектические диаграммы. Понятие о вырожденной эвтектике. Ретроградный солидус.

Выполнил: студент 1-го курса магистратуры

Химического факультета Хрипунов А.И

ВГУ 2015

 

Диаграммы с эвтектическим равновесием

Рассмотрим систему с трехфазным эвтектическим равновесием, используя термодинамические принципы построения диаграмм фазового равновесия на основе концентрационной зависимости изобарно-изотермического потенциала при фиксированной температуре.

Рис.1. Кривые изобарно-изотермического потенциала жидких и твердых растворов при температурах Т 1, Т 2, Т 3, T4 и диаграмма фазового равновесия двухкомпонентной системы с эвтектическим равновесием

 

На рис.1 приведены этапы построения диаграммы фазового равновесия двухкомпонентной системы с эвтектическим равновесием с ограниченной взаимной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

 

 

 

 

Рис.2. Типичная диаграмма фазового равновесия двухкомпонентной системы с эвтектическим равновесием и кривые охлаждения некоторых сплавов

 

На рис.1 приведены этапы построения диаграммы фазового равновесия двухкомпонентной системы с эвтектическим равновесием с ограниченной взаимной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

Диаграмма с эвтектическим равновесием. Наиболее часто встречаемый на практике вид диаграммы фазового равновесия с эвтектическим равновесием представлен на рис.2. Это диаграмма с эвтектическим равновесием и с полной взаимной растворимостью компонентов в жидком состоянии и ограниченной растворимостью – в твердом, при этом растворимость компонента В в А и А в В уменьшается с понижением температуры.

Кривые aa 1 и bb 1, ограничивающие положение областей твердого раствора на основе компонентов А и В, носят название линий ограниченной растворимости, или сольвуса. Диаграмма фазового равновесия эвтектического типа полностью описывает поведение смесей и дает ясное понятие о фазовом составе в различных температурно-концентрационных диапазонах. Нетрудно видеть, что участки диаграммы, характеризующие двухфазное равновесие между твердыми растворами на основе А и В, с одной стороны, и жидкостью – с другой, представляют собой части диаграммы с непрерывным рядом твердых и жидких растворов, а участок, ограниченный линиями сольвуса, можно трактовать как срезанный купол расслоения. Подробно описание переходов из одной фазовой области в другую, а также процесса кристаллизации или плавления сплавов различного состава будет приведен ниже. Особый интерес представляет сочетание линий солидуса и сольвуса. На рис.2 показано, что это сочетание осуществляется в точке максимальной протяженности твердых растворов на основе компонентов А и В; в литературе такие точки называются

точками предельного насыщения (или сольвуса).

Следует отметить, что термодинамика не накладывает никаких ограничений на направленность кривых солидуса и сольвуса, поэтому максимальная протяженность областей твердого раствора необязательно должна наблюдаться именно при эвтектической температуре. В принципе максимум растворимости может располагаться и выше и ниже эвтектической температуры. Тем не менее представленная картина отражает достаточно распространенный случай, когда каждая кривая моновариантного равновесия меняется так, как показано на рис.1, и поэтому естественно, что максимальная растворимость отвечает точке их встречи. Рассматриваемый случай, хотя и достаточно распространенный, все же является частным. Максимальная протяженность области твердого раствора на основе одного из компонентов ниже линии эвтектического (или другого трехфазного равновесия) встречается довольно редко. Значительно более распространен случай максимальной растворимости выше температуры трехфазного равновесия, получивший название ретроградного солидуса, который будет рассмотрен несколько ниже.

При температуре Te жидкая фаза L состава точки eLe оказывается в эвтектическом равновесии сα-кристаллами состава точки a – α a и β-кристаллами состава точки b – β b, что записывается как Le α a + β b. Это равновесие наблюдается во всех сплавах, расположенных между точками a и b. В соответствии с этим горизонталь ab и точку e на этой горизонтали также называют эвтектическими, а жидкую фазу Le (состава точки e) или смесь кристаллов (α a + β b), которая выделяется из этой жидкости при кристаллизации по реакции Le → α a + β b, – эвтектикой. По-гречески эвтектика дословно переводится как «хорошо, легко плавящийся», т.е. эвтектический сплав – это легкоплавкий сплав с минимальной температурой плавления. Температуры начала кристаллизации граничных α- и β- растворов изображаются кривыми ликвидуса A′e и eB′, а температуры конца кристаллизации – кривыми солидуса A′a и bB′. Сплавы участка ab заканчивают кристаллизацию при температуре Te по эвтектической реакции Le → α a + β b.

Сплавы, расположенные в α-области, т.е. левее и выше кривой aa 1, представляют собой ненасыщенные твердые растворы компонента В в компоненте А, а сплавы, расположенные в β-области,т.е. правее и выше кривой bb 1, – ненасыщенные растворы компонента А в компоненте В. Если фигуративная точка сплава попадает на кривые aa 1 и bb 1, то α- и β-растворыстановятся насыщенными. При понижении температуры из этих растворов выделяются вторичные β- или α- кристаллы.

Сплавы, расположенные между точками a и e, т.е. левее эвтектической точки e, принято называть доэвтектическими, сплавы между точками e и bзаэвтектическими, а сплав, отвечающий по составу эвтектической точке eэвтектическим. Такое деление сплавов является условным, поскольку доэвтектические сплавы могут оказаться заэвтектическими и наоборот, если компоненты А и В поменять местами.

Вид диаграмм фазового равновесия двухкомпонентной системы с эвтектическим равновесием достаточно многообразен, что следует из рис.3.

Рис. 3. Виды диаграмм фазового равновесия двухкомпонентной системы с эвтектическим равновесием

 

На рис.3, а приведена наиболее часто встречающаяся диаграмма фазового равновесия с эвтектическим равновесием и ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии, характеризуемая тем, что растворимость В в А и А в В уменьшается с понижением температуры. На рис.3, б дана эвтектическая диаграмма с ограниченной растворимостью компонентов А в В и В в А без изменения взаимной растворимости в твердом состоянии при изменении температуры. На рис.3, в показана диаграмма, которая имеет в основном теоретический характер: растворимость В в А и А в В увеличивается с понижением температуры. Надо иметь в виду, что из термодинамических соображений следует, что все границы двухфазных областей при своем продолжении там, где они примыкают к эвтектической линии, должны попадать в двухфазные поля и никогда не попадать в однофазные поля. На рис.3, г приведена эвтектическая диаграмма с отсутствием взаимной растворимости компонентов в твердом состоянии, т.е. на ней отсутствуют видимые области граничных твердых растворов на основе компонентов А и В.

На самом деле в большинстве случаев существует малая взаимная растворимость компонентов в твердом состоянии, но которую нельзя изобразить на диаграмме в принятом масштабе. Поэтому всегда следует ознакомиться с комментариями к таким диаграммам фазового равновесия. На рис.3, д дана эвтектическая диаграмма с наличием растворимости компонента В в компоненте А в твердом состоянии и отсутствием растворимости компонента В в А. На рис.3, е показана диаграмма фазового равновесия с так называемой вырожденной эвтектикой, где состав эвтектической точки совпадает

ссоставом одного из компонентов, в данном случае компонента В.

 

 

Структурные составляющие.

Надо строго разграничивать, чем фазы отличаются от структурных составляющих. Для этой цели, а также, чтобы подробно рассмотреть процессы кристаллизации и структурообразования, проанализируем эти процессы на примере эвтектической диаграммы, представленной на рис.4, а особенность этой диаграммы состоит в том, что растворимость компонента В в А уменьшается с понижением температуры, а растворимость компонента А в В постоянна при изменении температуры.

 

 

а б

 

 

 

в г д

 

Рис.4. Диаграмма фазового равновесия двухкомпонентной системы

с эвтектическим равновесием (а) и схематические структуры некоторых сплавов:

б – структура сплава х 2 в точке 4; в – структура (виртуальная) сплава х 3 в точке l;

г – структура сплава х 3 в точке 2; д – структура сплава х 3 в точке 3

Рассмотрим сплав состава х 1, охлаждение которого начинается от температуры T 1 с точки 0. Процессы, происходящие в этом сплаве, протекают так же, как у сплавов, описываемых диаграммой фазового равновесия с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях. При охлаждении от точки 0 до точки 1 происходит охлаждение сплава в жидком состоянии. В точке 1 начинается кристаллизация с выделениемα-кристаллов. При охлаждении в интервале температур от точки 1 до точки 2 происходит кристаллизация сплава с выделениемα-кристалловсостава линии солидус. В точке 2 кристаллизация заканчивается. При охлаждении в интервале температур от точки 2 до точки 3 происходит охлаждение сплава в твердом состоянии. На кривой охлаждения этот сплав имеет две критические точки (перегибы), отвечающие соответственно температурам начала и конца кристаллизации.

Рассмотрим сплав состава х 2, охлаждение которого начинается от температуры T 1 (рис.4, а). При охлаждении от точки 0 до точки 1 происходит охлаждение сплава в жидком состоянии. В точке 1 начинается кристаллизация с выделением α-кристаллов. При охлаждении в интервале температур от точки 1 до точки 2 происходит кристаллизация сплава с выделением α-кристалловсостава линии солидус, что можно записать, как L → α. В точке 2 кристаллизация заканчивается. При охлаждении в интервале температур от точки 2 до точки 3 происходит охлаждение сплава в твердом состоянии. Как только фигуративная точка сплава окажется на кривой сольвуса aa 1, граничный α-растворсостав точки 3 станет насыщенным относительно другого граничного β-раствора. Поэтому при дальнейшем понижении температуры до температуры точки 4 из α-кристаллов, изменяющих свой состав по кривой aa 1 в направлении от точки 3 к точке a 1, выделятся вторичные β-кристаллы, состав которых будет постоянен и соответствовать точке b 1, что можно записать, как α→βII. При комнатной температуре α-кристаллы окажутся в равновесии с β-кристаллами. Относительные количества эти фаз можно определить по правилу отрезков. Количество α- кристаллов равно отношению отрезков 4b 1 1 b 1, а количество β-кристаллов определится отношением а 1 4/а 1 b 1. На кривой охлаждения сплава х 2 видны три точки (рис.2): две верхние точки отвечают температурам начала и конца кристаллизации α-твердогораствора, а третья (нижняя) критическая точка – соответственно температуре начала выделения вторичных β-кристаллов. В структуре этого сплава под микроскопом можно различить кристаллы двух видов или две структурные составляющие: первичные α-кристаллы(основа сплава) и вторичные βII-кристаллы(см. рис.4, б). Следует отметить, что в результате охлаждения в точке 4 имеются: фазы α и β и структурные составляющие α и βII. В данном конкретном случае имеется совпадение понятия фаз и структурных составляющих, поскольку каждая из его структурных составляющих – это одновременно α- и β-фазы. Однако это бывает не всегда, что и будет продемонстрировано на примере следующего сплава х 3.

Достаточно сложные превращения протекают в до- и заэвтектических сплавах, в которых помимо первичных α- илиβ-кристаллов,выделяется эвтектика Le → α a + β b, а при охлаждении в твердом состоянии в интервале температур от Te до комнатной из α-кристаллов выделяются вторичные β-кристаллы(это справедливо для данной диаграммы). Рассмотрим сплав состава х 3, охлаждение которого начинается от температуры T 1 (рис.4, а). При охлаждении от точки 0 до точки 1 происходит охлаждение сплава в жидком состоянии. В точке 1 начинается кристаллизация с выделением α-кристаллов. При охлаждении в интервале температур от точки 1 до точки 2 происходит кристаллизация сплава с выделением α- кристаллов состава линии солидус, что можно записать, как L → α.

В точке 2 кристаллизация заканчивается. Но мы рассмотрим состояние сплава при температуре точки l (на несколько градусов выше температуры эвтектики Te). Проведя коноду klm в этой точке, мы получим, что состав α-твердой фазы определяется точкой k (точнее ее проекцией на ось концентраций), а состав жидкой фазы – точкой m. Используя эту коноду как отрезок, применим правило отрезков для определения количества жидкой и твердой фаз в сплаве х 3 при температуре точки l. Количество α-твердой фазы равно отношению lm/km и численно составляет около 30 % сплава, а количество жидкой фазы равно отношению kl/km и соответственно составляет около 70 % сплава (см. рис. 5.21, в).

При охлаждении сплава х 3 до температуры эвтектики Te происходит эвтектическая реакция Le → α a + β b, и выделяется эвтектическая смесь кристаллов, однако в реакции принимает участие не

весь сплав, а только его 70 %, которые находятся в жидком состоянии. В результате после прохождения эвтектической реакции структура сплава в твердом состоянии представляет собой кристаллы α-твердого раствора (30 %) и эвтектику (α + β) в количестве 70 %. Схематически структура сплава х 3 в точке 2 при температуре Te представлена на рис.4, г. На схематических изображениях структур эвтектика обычно изображается мелкой штриховкой.

При охлаждении сплава х 3 от точки 2 до точки 3 происходит выделение β-кристалловизα-кристаллов,т.е. βII – вторичная кристаллизация. Это будет определяться увеличением количества β- фазы по правилу отрезков при охлаждении от точки 2 до точки 3. Структура сплава х 3 в точке 3 представлена на рис. 5.21, д. Под микроскопом в структуре этого сплава можно увидеть три структурные составляющие: первичные α-кристаллы,эвтектическую смесь (α+β) и выделения βII-вторичных кристаллов внутри первичных α-ристаллов. Выделения βII-фазызаметны в поле зрения металлографического микроскопа только внутри зерен α - фазы,хотя теоретически эти выделения должны иметь место также и в эвтектике (α + β). Вторичные кристаллы на фоне дисперсной эвтектической смеси α + β заметны не будут, поскольку они сольются с α- и β-кристаллами,образующими эвтектику. Однако их можно рассмотреть при исследованиях с использованием электронного микроскопа.

Таким образом, при комнатной температуре для данного сплава имеем:

-фазы: α и β;

-структурные составляющие: α, βII и эвтектику (α+β).

На кривой охлаждения доэвтектического сплава х 3 (рис.2) видны две критические точки: верхняя точка (перегиб) отвечает температуре начала кристаллизации α-твердого раствора, а нижняя (горизонтальная площадка) – соответствует температуре Te кристаллизации эвтектики (α + β) и началу выделения βII –вторичных кристаллов из α-кристаллов разного происхождения.

На кривой охлаждения эвтектический сплав e (рис.2) имеет одну критическую точку (горизонтальную площадку) при температуре Te, а в структуре одну – структурную составляющую эвтектику (α + β). Выделения вторичных фаз будут также не видны, так как их сравнительно немного, и они сольются с эвтектическими α- и β- кристаллами. На рис.5 приведены типичные микроструктуры литых эвтектических сплавов на примере сплавов Ag – Cu и Pb – Bi.

 

 

Рис.5. Типичные микроструктуры литых эвтектических сплавов

Ag–Cu(а) иPb–Bi(б)

Если сравнить кривые охлаждения разных сплавов (см. рис.2), то максимальную по величине горизонтальную площадку при температуре Te, пропорциональную времени кристаллизации эвтектики Le → α a + β b, имеет сплав эвтектического состава e. При переходе от этого сплава к сплавам, отвечающим по составу точкам максимальной растворимости, длина горизонтальных площадок на кривых охлаждения уменьшается до нуля, поскольку также до нуля уменьшается количество жидкости Le в сплавах.

 

Date: 2015-07-10; view: 2513; Нарушение авторских прав; Помощь в написании работы --> СЮДА...



mydocx.ru - 2015-2024 year. (0.007 sec.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав - Пожаловаться на публикацию