Диаграммы

Глава 1
ОСНОВЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ

1.1. Основные теоретические сведения

1.1.1. Независимые термодинамические переменные

  (1)

Откуда:

  (2)

Содержание компонента А в сплаве, состав которого соответствует точке Х, будет равно:

  (3)

Состояние сплава Х на диаграмме состояния можно характеризовать фигуративной точкой, которая находится на вертикальной прямой, проходящей через точку состава сплава Х. Если исследуемый сплав Х имеет температуру t' , то его состояние соответствует фигуративной точке a на прямой Xa. При изменении температуры образца исследуемого сплава фигуративная точка его будет перемещаться по вертикали Xa.

1.1.2. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях

Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях представлена на рис. 2. На диаграмме состояния имеются две линии: А'mB' – линия температур начала кристаллизации (конца плавления) сплавов, или линия ликвидуса  твердого раствора; А'nB' – линия температур конца кристаллизации (начала плавления), или линия солидуса  твердого раствора.

Рис. 2. Диаграмма состояния системы А – В с неограниченной
растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях

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+ ).

Вариантность такого двухфазного состояния в двухкомпонентном сплаве при постоянном давлении равна С=К-Ф+1=2-2+1=1. Поэтому двухфазное состояние в двухкомпонентном сплаве может существовать в интервале температур. Это означает, что процесс квазистатической кристаллизации твердого раствора в сплаве будет происходить в интервале температур.

Ввиду того что выпадающие из жидкости кристаллы  k твердого раствора cодержат меньшее количество компонента А, чем сама жидкость, последняя в процессе кристаллизации будет обогащаться компонентом А.

Фигуративная точка, отвечающая жидкой фазе, при понижении температуры будет перемещаться от точки m вниз по кривой ликвидуса, а фигуративная точка, соответствующая  твердому раствору, – от точки k вниз по кривой солидуса. При какой-то промежуточной температуре 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 определено по правилу рычага. Если принять за точку опоры мысленного рычага cd фигуративную точку f, согласно правилу рычага отношение масс фаз будет обратно отношению отрезков от точки f до фигуративных точек соответствующих фаз. Таким образом,

, (4)

где m_Ж и m – масса соответственно жидкой и твердой фаз.

Из уравнения (4) следует, что

, (5)

, (6)

где mспл – масса сплава.

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  фазы и жидкой фазы.

Процесс кристаллизации закончится при такой температуре, при которой отрезок коноды между точками, соответствующими кристаллам  фазы и сплаву, будет равен нулю. Такой температурой будет температура t₂. Температура конца кристаллизации сплава t₂ называется температурой солидуса сплава. Точки r и n будут соответствовать составам последних капель жидкого раствора и кристаллов  фазы, находящихся в равновесии друг с другом при температуре t₂. Следовательно, 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 фигуративная точка  твердого раствора – по кривой солидуса от k до точки n. Процесс кристаллизации является второй стадией процесса охлаждения сплавов. Он может быть записан в виде реакции

    (7)

Эта реакция является реакцией кристаллизации сплава.

При охлаждении сплава Х от t₂ до комнатной температуры в нем никаких фазовых превращений не происходит. Эта третья стадия охлаждения может быть записана аналогично первой стадии:

  . (8)

При квазистатическом нагревании сплава Х последовательность процессов, происходящих в нем, будет обратной. Кривые охлаждения и нагревания образца сплава Х (рис. 3б) в интервале температур от t₁ до t₂ изменяют свой ход, что связано с выделением или поглощением теплоты кристаллизации. Поэтому по термограммам охлаждения или нагревания сплава можно определить температуры ликвидуса и солидуса.

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

После квазистатической кристаллизации структура сплава Х будет состоять из кристаллов  твердого раствора, состав которых соответствует составу сплава (рис. 4).

Рис. 4. Структура сплава Х после квазистатической (равновесной) кристаллизации (схема)

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

Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью в жидком состоянии и ограниченной растворимостью в твердом состоянии эвтектического типа приведена на рис. 5.

А'e – линия ликвидуса  твердого раствора (твердого раствора компонента В в компоненте А), В'e – линия ликвидуса  твердого раствора (твердого

Рис. 5. Диаграмма состояния эвтектического типа системы А-В

раствора компонента А в компоненте В). А'а и В'b – это линии солидуса  и  твердых растворов соответственно; ab – эвтектическая линия; е – эвтекти-ческая точка; аc является линией ограниченной растворимости компонента В в компоненте А (линией сольвуса  раствора), а bd – линией ограниченной растворимости компонента А в компоненте В (линией сольвуса  раствора). Эти линии разбивают всю диаграмму состояния системы А–В на шесть фазовых областей: три однофазные области (Ж,  ,  ) и три двухфазные области (Ж+ , Ж+ ,  + ). Эвтектическая прямая является по существу седьмой, выродившейся в линию трехфазной областью Ж+ + .

Все сплавы системы А–В могут быть подразделены на доэвтектические, эвтектический и заэвтектические сплавы. Состав эвтектического сплава соответствует составу точки эвтектики е. Доэвтектические сплавы находятся в области, расположенной между компонентом А и эвтектическим сплавом, а заэвтектические сплавы – в области между эвтектическим сплавом и компонентом В.

Проанализируем процессы, происходящие при охлаждении эвтектического сплава Х такой системы, в которой величина предельной растворимости как компонента В в  твердом растворе, так и компонента А в  твердом растворе не изменяется при изменении температуры (рис. 6а). Вертикаль, проходящая через точку Х, пересекает линии диаграммы состояния в точке е. Следовательно, сплав Х будет иметь одну критическую точку, которой соответствует эвтектическая температура te. При охлаждении сплава до te фазовый состав сплава изменяться не будет.

Рис. 6. Кристаллизация эвтектического сплава: а) диаграмма состояния системы А – В;
б) кривая охлаждения эвтектического сплава Х

Точка е одновременно принадлежит как кривой ликвидуса  твердого раствора, так и кривой ликвидуса  твердого раствора. Жидкий сплав, фигуративная точка которого соответствует точке е, будет одновременно насыщен как по отношению к кристаллам  раствора, так и по отношению к кристаллам  фазы. Поэтому из этого жидкого раствора в процессе квазистатической (равновесной) кристаллизации одновременно будут выделяться как , так и  кристаллы. Получающаяся в результате кристаллизации сплава Х смесь  и  кристаллов носит название эвтектической смеси, или эвтектики. Процесс эвтектической кристаллизации может быть записан в виде реакции

.     (9)

При квазистатической эвтектической кристаллизации в образце сплава Х в равновесии находятся три фазы: жидкий раствор, кристаллы  твердого раствора и кристаллы  твердого раствора, составы которых соответствуют фигуративным точкам е, a и b. Вариантность трехфазного состояния двухкомпонентного сплава С=К-Ф+1=2-3+1=0. Следовательно, трехфазное состояние может существовать только при определенной температуре te и равновесная эвтектическая кристаллизация будет происходить при постоянной температуре. После окончания эвтектической кристаллизации структура сплава будет представлять собой эвтектическую смесь кристаллов  и  фаз. Соотношение количеств этих фаз в эвтектике