22. Изучение диаграмм состояния

ТРОЙНЫХ СПЛАВОВ

22.1. Построение и расшифровка диаграмм состояния тройных сплавов

Используемые в технике сплавы содержат больше двух компонентов. В состав большинства марок стали входят наряду с железом и углеродом так называемые легирующие элементы Mn, Cr, Ni, Si и др. Несколько элементов входит и в состав сплавов на основе меди, олова, алюминия и др. цветных металлов (например, бронзы, латуни и др.). Трехкомпонентные соединения имеют место и в строительном материаловедении: системы

Na₂O-CaO-SiО₂, CaO-Al₂О₃-SiО₂,

MgО-Al₂О₃-SiО₂, CaO-MgО-SiО₂ и др.

В трехкомпонентных системах (или сплавах) при постоянном давлении (p=const) правило фаз Гиддса (i=К-Ф+В) записывается в виде

i = 3 – Ф + 1 или i = 4 – Ф (22.1)

т.к. К = 3, В = 1 (температура).

Из правила фаз (1) следует, что в трехкомпонентной системе имеются четыре переменные ( при p=const): это температура Т и концентрации трех компонентов А, В, С.

Соответственно диаграмма фазовых равновесий вместо плоской для бинарных систем (рис. 22.1) становится объемной, а ось концентраций превращается в плоскость концентраций (рис. 22.2):

Рис. 22.1. Бинарная система Рис. 22.2. Тройная система

В качестве плоскости концентраций используют равносторонний треугольник АВС, называемый концентрационным треугольником (рис. 22.3). Вершины треугольника соответствуют чистым компонентам А, В, С с 100% содержанием.

АС, СВ, ВС – линии бинарных сплавов.

Точки внутри треугольника (например точка О) изображают составы трехкомпонентных сплавов.

Ось температур Т располагается вертикально.

Три вертикальные плоскости (ТАСТ), (ТСВТ), (ТАВТ) представляют собой три двойные

Рис. 22.3. диаграммы состояния систем АВ, ВС и СА,

слагающие тройную диаграмму А-В-С.

Для количественных расчетов состава сплава, фаз и их соотношений используют два свойства равностороннего треугольника:

• Сумма трех перпендикуляров, опущенных из любой точки внутри треугольника (равностороннего) на его стороны, равна высоте треугольника

ВD = Оа + Ов + Ос. (22.2)

• Сумма отрезков линий, исходящих из любой точки внутри равностороннего треугольника и заканчивающихся на сторонах треугольника есть постоянная величина, равная любой из сторон треугольника

. (21.3)

Из второго свойства можно сформулировать следствие: сумма трех отрезков , отсекаемых на сторонах равностороннего треугольника прямыми, проходящими через любую точку внутри треугольника параллельно его сторонам, равна стороне треугольника, т.е.

. (22.4)

Учитывая эти правила, можно использовать два способа количественных оценок расчетов. По первому способу (рис. 22.2), если принять за 100% (по массе атомных или объемных) длину Н перпендикуляра BD, то относительная длина перпендикуляров Оа, Ов, Ос будет характеризовать процентное содержание в сплаве или фазе того компонента, от вершины которого направлен перпендикуляр, т.е.

Оа(%А); Ов(%В); Ос(%С). (22.5)

Чаще пользуются вторым способом (21.3) и (21.4), на основе которого и сформулирован способ “трех отрезков”. Путем переноса отрезков параллельно самим себе на стороныАС, ВС, и АВ находим концентрации А, В, и С.

Расположения сплавов в концентрационном треугольнике подчиняются следующим правилам:

1. Все сплавы, фигуративные точки (О) которых расположены на прямой, параллельной одной из сторон треугольника, содержат одинаковые концентрации того компонента, которому соответствует вершина, противолежащая данной стороне. Например:

• на линии - одинакова концентрация веществаА;

• на линии - одинакова концентрация веществаВ;

• на линии - одинакова концентрация веществаС.

2. Сплавы, фигуративные точки которых (О₁, О₂, О₃ и т.д.) лежат на прямой, проходящей через одну из вершин (например, В) треугольника, содержат в одинаковом количественном соотношении компоненты, соответствующие двум другим вершинам (А и С).

Из рис. 22.4 видно, что отношения

характеризуют отношения концентраций компонентов С и А в сплавах, составы которых лежат на прямой BD в точках О_1, О₂ и О₃.

Рис. 22.4.