3. Правило отрезков

При охлаждении химический состав сплава остается неизменным, но состав его фаз изменяется. По фазовой диаграмме можно определить количество фаз и их концентрацию. Для этого пользуются правилом отрезков (правилом рычага). Покажем это на примере диаграммы I рода, построение которой нами было выполнено ранее на лабораторной работе №1 (рис. 3.2).

Отметим, что правило отрезков в двойных диаграммах применимо только в двухфазных областях.

Рис. 3.2 – К применению правила отрезков

Рассмотрим сплав К в произвольно выбранной точке а. Выше температуры Т₁ (точка l на диаграмме) сплав находится в однофазном (жидком) состоянии. При температуре Т₁ из жидкости выделяются первые кристаллы В, количество которых увеличивается по мере охлаждения.

При температуре Т₂, которая соответствует точке а на диаграмме, сплав состоит из кристаллов В и жидкости. Если через точку а провести горизонталь до пересечения с линией ликвидуса BC (точка b), то проекция точки b на ось концентраций (точка b ) покажет состав жидкости при Т₂, т.е. жидкость содержит b % компонента В и (1 – b) компонента А. Проекция точки пересечения горизонтали bс с вертикальной осью (точка с) на ось концентраций покажет состав твердой фазы (В). Кристаллы, выделяющиеся из жидкости, имеют постоянный состав – 100 % В.

Определение. Проекции точек пересечения горизонтальной прямой, проведенной через любую точку, характеризующую состояние сплава, и линиями, ограничивающими двухфазную область с этой точкой, на ось концентраций показывают состав этих фаз.

Количественное соотношение фаз определяют с помощью правила отрезков. Доля твердой фазы в точке а сплава К – это отношение массы кристаллов В (соответствуют длине отрезка ba) к массе всего кристаллизующегося сплава (отрезок bc), т.е. равно отношению ba/bc. Доля жидкой фазы Ж также представляет собой отношение массы жидкости (отрезок ас) к массе сплава, т.е. ас/bc.

Определение. Отрезки горизонтальной прямой между точкой, характеризующей состав сплава, и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

4. Диаграмма состояния III рода

(диаграммы состояния I, II и IV рода рассматриваются на лабораторных работах)

Исходные сведения:

- оба компонента (А и В) неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно в твердом и не образуют химических соединений;

- компоненты: А, В;

- фазы: L, α, β.

В сплавах такого рода возможно существование: жидкой фазы L, твердого раствора компонента В в А, который мы будем называть α-раствором (т.е. А(В)), и твердого раствора компонента А в В, который обозначим через β.

В зависимости от того, какая реакция протекает в условиях существования трех фаз, могут быть два вида диаграмм: диаграмма с эвтектикой и диаграмма с перитектикой.

Диаграмма с эвтектикой

Определение. Эвтектика – это механическая смесь двух или более видов кристаллов, одновременно кристаллизовавшихся из жидкости.

Это слово (греч.) обозначает хорошо, или легко, плавящийся.

Фазами эвтектики могут быть чистые элементы (А и В), химические соединения (A_mB_n) и твердые растворы (А(В), В(А)). Обозначаются эвтектики Э(Ф₁ + Ф₂), где Ф – соответствующая фаза, например Э(Рb + Sb), Э(А1(Сu) + СuА1₂).

Эвтектики могут состоять из двух и более фаз. При микроскопическом исследовании металлографических шлифов эвтектические структуры выглядят как механические смеси кристаллов. По строению эвтектики могут быть пластинчатыми, игольчатыми, дендритными и т. д. (рис. 3.3), зависящими от условий охлаждения, сходства или различия кристаллических решеток фаз, составляющих эвтектику.

Рис. 3.3 – Строение эвтектик

В диаграммах III рода не образуются фазы, представляющие собой чистые компоненты. Из жидкости могут выделяться только твердые растворы а или В. Следовательно, около вертикалей А и В (рис. 3.4), соответствующих чистым компонентам, находятся области существования твердых растворов α или β. Предельная растворимость компонента В в А определяется линией DF, а предельная растворимость А в В – линией CG.

Сплавы, находящиеся между этими двумя линиями, находятся за пределами растворимости и являются двухфазными, состоящими из α + β.

Линия АЕВ является линией ликвидус, линия ADCB – линией солидус. Применяя правило фаз и правило отрезков, проследим за процессом кристаллизации сплава.

Кристаллизация сплава I. Выше точки 1 сплав находится в жидком состоянии. В точке 1 начинается процесс кристаллизации. Выделяются кристаллы твердого раствора α, концентрация которого изменяется по кривой а – 2, а состав жидкости изменяется по кривой 1 – b. В точке 2 кристаллизация закончится, и полученные кристаллы твердого раствора α будут иметь концентрацию исходной жидкости.

Рис. 3.4 – Диаграмма состояния с эвтектикой

Эти кристаллы не претерпевают изменений до точки 3, лежащей на линии предельной растворимости. Ниже этой точки твердый раствор α является пересыщенным (по отношению к компоненту В) и выделяет избыточные кристаллы. Такими кристаллами являются кристаллы β-твердого раствора, что определяют, применяя правило рычага для сплава, лежащего внутри двухфазной области α + β (т. е. для сплава ниже линии DF).

Состав твердого раствора α изменяется по кривой 3 – F, вследствие выделения кристаллов β концентрации G. Количество кристаллов β при охлаждении увеличивается. Количество кристаллов β, выделившихся из сплава I, характеризуется отрезком от вертикали I до линии 3 – F.

Кривая охлаждения и схемы структур этого сплава при различных температурах показаны на рис. 3.5.

Определения. 1. Кристаллы β, выделившиеся из твердого раствора, называются вторичными кристаллами и часто обозначаются символом β_II в отличие от первичных β-кристаллов (β_I), выделяющихся из жидкости.

2. Процесс выделения вторичных кристаллов из твердой фазы носит название вторичной кристаллизации в отличие от процесса первичной кристаллизации, когда кристаллы (первичные) образуются в жидкой фазе.

Отметим, что сплав, концентрация которого лежит левее точки F, не будет иметь вторичных выделений β-кристаллов.

Так как линия CG в отличие от линии FD изображена на рис. 3.5 вертикальной, т.е. растворимость компонента А в В не зависит от температуры, то вторичных выделений α-кристаллов нет, но они были бы, если бы линия CG была наклонена вправо, т. е. растворимость (компонента А) уменьшалась бы с понижением температуры.

Точка D для твердого раствора α показывает максимальную растворимость компонента В в компоненте А.

Рис. 3.5 –

Кристаллизация сплава II. При кристаллизации этого сплава, в отличие от предыдущего, при достижении гори­зонтальной линии DEC наступает нонвариантная реакция.

6