Министерство образования Российской Федерации

М
осковский государственный технический университет

им. Н. Э. Баумана

А.В. ВЕЛИЩАНСКИЙ

АНАЛИЗ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ ДВОЙНЫХ СПЛАВОВ

Методические указания к лабораторным работам по курсу «Металлография» для студентов специальности "Материаловедение в машиностроении"

Под редакцией Прусакова Б.А.

Методические указания издаются в соответствии с учебным планом.

Рассмотрены и одобрены кафедрой МТ-8 26.05.99 г., методической комиссией факультета МТ

и учебно-методическим управлением.

Рецензент д.т.н., проф. Терентьев В.Ф.

Московский государственный технический

университет им. Н.Э. Баумана

АНАЛИЗ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ ДВОЙНЫХ СПЛАВОВ

Цель работы: изучение основных правил пользования диаграммами состояния, приобретение навыков определения с их помощью равновесных фазовых и структурных составляющих, освоение способов проверки правильности построения двойных диаграмм состояния.

Задание

1. Ознакомиться с реальными диаграммами состояния, используя компьютерную программу “Диаграммы сосояния”.

2.Изучить правила фаз Гиббса, ван дер Ваальса, отрезков и концентраций по методическим указаниям и с помощью компьютерной программы “Кристаллизация”.

3.Провести фазовый и структурный анализ заданной диаграммы состояния, выполнив следующие пункты.

а. Перечертить заданную диаграмму, дав буквенное обозначение всем линиям диаграммы. Провести на диаграмме линию заданного сплава.

б. Дать определение всем фазам, имеющимся в заданной диаграмме и указать фазовый состав всех областей диаграммы. Для заданного сплава в любой двухфазной области определить составы и массовые доли присутствующих фаз.

в. Описать все изотермические превращения, приводящие к трехфазному равновесию.

г. Провести структурный анализ диаграммы.

д. Построить кривую охлаждения заданного сплава и описать все происходящие при этом превращения.

е. Определить относительную долю всех структурных составляющих в заданном сплаве при самой низкой температуре на диаграмме состояния.

1. Построить диаграмму, отвечающую условиям задания. Выполнить фазовый и структурный анализ этой диаграммы.

2. Составить письменный отчет.

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Формулировки правил фаз, концентраций и отрезков.

3. Заданная диаграмма состояния с указанием фазового и структурного состояния во всех ее областях.

4. Определения всех фаз и структурных составляющих с указанием принятых для них обозначений.

5. Кривая охлаждения заданного сплава с описанием происходящих при охлаждении превращений.

6. Схема микроструктуры заданного сплава при комнатной температуре (комнатной считать самую низкую температуру на диаграмме состояния). Относительная доля структурных составляющих на схеме должна соответствовать массовой доли, определенной по правилу отрезков.

7. Построенная по заданным условиям диаграмма состояния с указанием фазового состава всех ее областей. Должны быть приведены все положения, доказывающие, что сконструированная диаграмма не противоречит законам фазового равновесия.

Основные сведения о диаграммах состояния

Диаграмма состояния (д.с.) - это графическая зависимость равновесного фазового состояния сплавов от химического состава (концентрации) и внешних условий - температуры и давления.

В данной работе изучаются двойные (двухкомпонентные) д.с. при постоянном давлении.

Традиционный метод построения д.с. - эмпирический, согласно которому диаграммы строят по кривым охлаждения сплавов данной системы компонентов. Этот метод построения показан на рис. 1. На кривых охлаждения определяют точки перегиба или площадки, появление которых связано с тепловыми эффектами фазовых превращений. (См. программу “Кривые охлаждения”) Температуры эти0х точек, при которых в сплавах происходят фазовые превращения, называются критическими точками сплавов. Линии д.с., таким образом, представляют собой геометрическое место критических точек сплавов.

Для того чтобы уметь с помощью д.с. определять фазовый и структурный состав сплавов, фазовые превращения при нагреве и охлаждении и т.д., необходимо освоить следующие определения и правила.

1. Фазы и их виды.

2. Правила Гиббса и ван дер Ваальса.

3. Правило определения составов фаз в двухфазных областях - правило концентраций.

4. Правило определения относительных количеств по массе фаз в двухфазных областях - правило отрезков.

Фаза - однородная по составу и строению часть системы, имеющая четко выраженную границу раздела от других частей системы (других фаз), при переходе через которую состав и (или) строение изменяются скачком.

Твердыми (кристаллическими) фазами в сплавах могут быть твердые рас

творы и промежуточные фазы.

Рис.1. Построение диаграмм состояния по кривым охлаждения.

Твердыми растворами называются фазы, в которых атомы растворенного элемента располагаются в кристаллической решетке растворителя. Твердые растворы компонента В в кристаллической решетке компонента А (сокращенно А(В)) или компонента А в кристаллической решетке компонента В (сокращенно В(А)) обозначаются на диаграммах состояния буквами и т.д.. Область их существования на диаграммах начинается от 100%компонента А или 100% компонента В. Часто в реальных системах предельная растворимость второго компонента оказывается настолько мала, что линия растворимости и вертикальные линии диаграммы, соответствующие 100% одного или другого компонента сливаются в одну. В таких случаях условно считают, что в таких сплавах присутствуют кристаллы компонентов и их обозначают символами компонентов или буквами А или В на типовых диаграммах.

Промежуточными фазами называются кристаллические фазы, не являющиеся твердыми растворами.Промежуточные фазы на диаграммах состояния также принято обозначать буквами и т.д. Их однофазные области, в отличие от твердых растворов, никогда не начинаются от компонентов - располагаются в промежуточных областях диаграммы. В упорядоченном состоянии промежуточные фазы обозначаются буквами ^^^^^и т.д.

Область гомогенности промежуточной фазы может быть очень узкой и вырождаться в линию на д.с. Такую фазу, также условно, считают фазой постоянного состава и обозначают формулой, отвечающей данному составу (A_mB_n в общем случае).

Правило фаз Гиббса и правило ван дер Ваальса.

Эти правила позволяют определить число степеней свободы в зависимости от температуры (и давления в общем случае) и числа фаз системы.

Правило фаз Гиббса.

С= К -Ф +2 - для переменного давления,

С= К -Ф +1 - для постоянного давления,

где:

С - число степеней свободы, т. е. число независимых переменных (температура и (или) концентрации фаз), которые можно менять, не меняя число фаз системы.

Ф - число фаз системы.

К - число компонентов системы (т.е. химических элементов в сплаве)

Следствием правила фаз Гиббса является то, что области на диаграммах состояния при постоянном давлении могут быть однофазными или двухфазными, трехфазное равновесие возможно при постоянной температуре и концентрациях сосущетвующих фаз. Этот случай соответствует горизонтальной линии на диаграмме состояния.

Правило фаз ван дер Ваальса справедливо для случая равновесия фаз одинакового химического состава:

С =3 -Ф - для переменного давления;

С =2 - Ф - для постоянного давления.

Рис 2. Диаграмма состояния, сплав II которой подчиняется правилу ван дер Ваальса.

Диаграмма состояния, содержащая сплав, для которого справедливо правило ван дер Ваальса, представлена на рис.2.Сплав I на этой диаграмме кристаллизуется в интервале температур от точки 1 до точки 2, причем состав кристаллов отличается от состава жидкого раствора. В этом случае справедливо правило фаз Гиббса С=К-Ф+1=1, т.е. кристаллизация действительно должна проходить в интервале температур. Сплав II кристаллизуется при постоянной температуре точки В, причем состав жидкой и твердой фаз одинаков. Здесь правило фаз Гиббса не справедливо, а справедливо правило фаз ван дер Ваальса, согласно которому С=0. То же самое имеет место в сплаве II при температуре точки D, при которой происходит упорядочение твердого раствора ^

Правило концентраций. Для определения составов (концентраций) фаз в двухфазной области через заданную точку следует провести горизонтальную линию до пересечения с ближайшими линиями диаграммы (коноду). Проекции точек пересечения на ось концентраций определяют составы фаз. Так, сплав состава m при температуре Т₁ на рис.1 состоит из -кристаллов состава a и -кристаллов состава b.

Правило отрезков. Для определения массовой доли фаз в двухфазной области через заданную точку следует провести коноду. Длина этой коноды (ab на рис.1) соответствует массе всего сплава состава m. Тогда, в данном масштабе, отрезок am показывает массу -фазы, а отрезок mb соответствует массе -фазы. Таким образом, отрезок, примыкающий к левой фазе, характеризует массу фазы, расположенной справа от двухфазной области, и наоборт. Для сплава m при Т₁ имеем:

; ; .

Проведение фазового анализа диаграммы состояния.

Фазовый анализ заключается в определении фазового состава всех

Рис. 3. Фазовый и структурный анализ областей диаграммы состояния.

областей диаграммы состояния (рис.3).

Его следует начинать с анализа компонентов системы. Если на вертикальной линии, соответствующей составу компонента, имеется одна критическая точка, то компонент не полиморфный, и область диаграммы, примыкающая к нему, является областью твердого раствора на базе этого элемента (область QLYU на рис. 3 – область твердого раствора В(А)). Если элемент полиморфный, то на соответствующей вертикальной линии имеются несколько критических точек. Верхняя критическая точка – температура кристаллизации, все остальные – температуры полиморфных превращений. На рис.3 точка А – температура плавления компонента А, точка G – температура полиморфного превращения. На базе каждой из модификаций A _и A_образуются и твердые растворы, области существования которых прилегают к температурным интервалам существования соответствующих модификаций компонента А.

Фазовый состав в остальных областях диаграммы можно выяснить с помощью правила чередования при любой температуре однофазных и двухфазных областей. При температуре Т₁ на рис.3 имеем:  ж; ж; ж+(промежуточные фазы).