2.2. Построение диаграмм состояния

Сущность термического метода построения диаграммы состояния сводится к определению критических температур при нагревании или охлаждении металлов и сплавов. Критическими называются температуры, при которых происходят фазовые превращения в сплаве (начало и конец кристаллизации, полиморфные превращения и другие).

В процессе охлаждения сплава (рис.1.) вначале скорость охлаждения велика, затем она уменьшается, т.к. происходит кристаллизация одной из фаз, при которой выделяется некоторое количество тепла. При кристаллизации

эвтектики происходит остановка охлаж­дения (площадка на кривой охлаждения), так как выделяемое тепло, в связи с кристаллизацией двух и более фаз одновременно, полнос­тью компенсирует теплоотвод.

При охлаждении сплавов с различным содержанием компонентов получают ряд кривых, изображающих ход процесса охлаждения сплава.

Для двухкомпонентных систем при построении диаграмм по оси ординат откладывается температура, по оси абсцисс - концентрация элементов в сплаве (рис.2).

Общее содержание компонентов в сплаве 100 %, и поэтому каж­дой точке на диаграмме соответствует определенное содержание ком­понентов.

Критические температуры начала и конца кристаллизации, полу­ченные при охлаждении сплавов, переносятся на координатные оси "температура-концентрация". Затем плавными линиями соединяются точки начала и конца кристаллизации сплавов. При наличии эвтекти­ки в сплаве точки конца кристаллизации сплавов располагаются на одной прямой при температуре кристаллизации эвтектики (рис.2.4).

С

плавы на, диаграмме состояния, располагающиеся до точки эв­тектики (слева направо), называются доэвтектическими, соответствующие точке эвтектики - эвтектическими, располагающиеся за точ­кой эвтектики - заэвтектическими. Структура этих сплавов на приме­ре системы Zn-Sn показана на рис.2.3.

Рис. 2.3. Схематическое изображение структуры системы олово-цинк:

2.3. Анализ диаграмм состояния

По диаграмме состояния можно определить критические точки сплава при нагревании и охлаждении и установить его структуру, выбрать сплав, обладающий наилучшими литейными свойствами, правильно назначить режим термической обработки.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой неограниченно растворимы в жидком состоянии, нерастворимы в твердом и при кристаллизации образуют эвтектику (рис. 4):

АЕС - ликвидус, начало кристаллизации сплавов.

ВЕF - солидус, конец кристаллизации сплавов; на этой линии происходит одновременная эвтектическая кристаллизация компонентов А и В при постоянной температуре. Линия называется эвтектической.

АЕ - начало кристаллизации компонента А.

ЕС - начало кристаллизации компонента В.

Точка Е называется эвтектической, в ней происходит одновре- менная кристаллизация компонентов при самой низкой и постоянной температуре.

Кристаллизация и структурообразование сплавов

Сплав I - доэвтектический. Критическая точка I - начало кристаллизации компонента А, две фазы: жидкость и зародыши зерен компонента А.

Критическая точка 2- кристаллизация эвтектики, т.е. из оставшейся к этой температуре жидкости одновременно кристаллизуются компоненты А и В:

На кривой охлаждения образуется площадка 2-2. Структура сплава после охлаждения состоит из зерен компонента А и эвтектики.

По мере охлаждения сплава между точками I и 2 жидкость меняет свою концентрацию по линии AЕ. Чтобы определить состав твердой и жидкой фаз при заданной температуре t₁ сплава I (рис.4), необходи­мо через точку t₁ провести коноду, т.е. прямую линию, параллельную оси концентрации, до пересечения с линиями диаграммы и точки пересечения спроектировать на ось концентрации. Точка пересечения l c линией ликвидус покажет концентрацию компонентов А и В в жидкой фазе, точка S - в твердой (чистый компонент А).

III

I

II

Рис. 2.4. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой неограниченно растворимы в жидком состоянии, нерастворимы в твердом и при кристаллизации образуют смесь (эвтектику)

I II

Рис. 2.5. Диаграмма состояний сплавов, компоненты которой

неограниченно растворимы в жидком состоянии, нерастворимы в твердом и при кристаллизации образуют устойчивое химическое соединение

Рис. 2.6. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой неограниченно растворимы друг в друге в жидком и твердом состояниях

100% А 100% В

Рис. 2.7. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой

неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно в твердом и при кристаллизации образуют смесь (эвтектику)

Соотношение масс фаз при заданной температуре можно определить по правилу отрезков.

(1)

(2)

(3)

Правило отрезков. Массы фаз относятся между собой как обрат­ная пропорция отрезков коноды. Например, при температуре t₁ сплав I имеет 2 фазы: жидкую и твердую с количеством масс Q_ж и Q_тв, соотношение фаз определится выражением (I), а количество жидкой и твердой фаз - соотношениями (2) и (3):

где Р - общая масса сплава.

Сплав II - эвтектический. Критическая точка Е - компоненты А и В кристаллизуются одновременно при постоянной температуре:

Присутствуют 3 фазы: жидкость эвтектического состава, компо­ненты А и В. На кривой охлаждения образуется площадка 1-1.

Структура сплава после охлаждения состоит из эвтектики (смеси кристаллов компонентов А и В).

Сплав III - заэвтектический. Критическая точка - 1 начало крис­таллизации компонента В. Фазы две: жидкость, кристаллы компонента В. По мере охлаждения сплава жидкость меняет концентрацию по линии ликвидус ЕС. Например, при t₂ состав жидкости определится точ­кой n , спроектированной на ось концентраций, а состав твердой фазы - проекцией точки m .

Критическая точка 2 - кристаллизация эвтектики, т.е. из остав­шейся к этой температуре жидкости при постоянной температуре кристаллизуются оба компонента:

Структура сплава после охлаждения состоит из зерен компонента В и эвтектики.

Правило фаз Гиббса устанавливает зависимость между числами фаз системы, ее компонентов и степеней свободы:

(4)

где С - число степеней свободы, или вариантность системы;

К - число компонентов системы;

Ф - число фаз, находящихся в равновесии в данной критической точке.

Под числом степеней свободы понимается число независимых па­раметров системы, которые можно изменить, не изменяя равновесия, например, температуру без изменения числа фаз. Так как степень свободы не может быть меньше нуля и дробным числом, то

.

Следовательно, в двойной системе в равновесии может находиться не более трех фаз, в тройной - не более четырех и т.д.

Например, определим число степеней свободы у сплава I в 1-й критической точке (рис.4) :

т.е. с изменением температуры между точками 1-2 число фаз не изме­няется, а происходит переход одной фазы (жидкости) в другую (ком­понент А). Во второй точке

т.е. процесс кристаллизации эвтектики идет при постоянной темпера­туре, система нонвариантна. Изменение температуры ведет к измене­нию количества фаз.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой растворимы в жидком состоянии, нерастворимы в твердом и при кристаллизации образуют устойчивое химическое соединение (рис.2.5)..

Диаграмма рассматривается как совокупность двух диаграмм состояния, где в роли компонента выступает химическое соединение:

I часть диаграммы - компоненты А и А_тВ_n ;

II часть диаграммы - компоненты В и А_тВ_n ;

Обе части диаграммы характеризуются неограниченной раствори­мостью в жидком состоянии. В твердом они нерастворимы, при кристал­лизации образуется эвтектическая смесь, состоящая из кристаллов компонента и химического соединения.

'Диаграмма состояний сплавов, компоненты которой неограничен-' но растворимы друг в друге в жидком и твердом состояниях (рис.2.6):

АnВ - ликвидус, начало кристаллизации твердого раствора;

АтВ - солидус, конец кристаллизации твердого раствора.