Варыгин Н.Н., Селянская Н.П., Соколов В.С., Адамова А.Ж., Трембовлер В.А. - Двойные диаграммы состояния первичной и вторичной кристаллизации

Федеральное агентство по образованию

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕНОЙ ЭКОЛОГИИ

Машиностроительный факультет

Кафедра «Технология машиностроения

и материаловедение»

ДВОЙНЫЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ

ПЕРВИЧНОЙ И ВТОРИЧНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Методические указания

Составители: Н.Н.Варыгин, Н.П.Селянская, В.С.Соколов, А.Ж.Адамова, В.А.Трембовлер.

Допущено редакционно-издательским советом

Москва – 2006

УДК 669.01.(075.8)

Двойные диаграммы состояния первичной и вторичной кристаллизации: Методические указания / Сост.: Н.Н.Варыгин, Н.П.Селянская, В.С.Соколов, А.Ж.Адамова, В.А.Трембовлер.;

МГУИЭ - М., 2006, - 24 с.

Методические указания содержат разбор элементарных и ком­плексной диаграмм состояния двойных систем с применением правил фаз и отрезков.

Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по специальностям 121000 (150502), 210200 (220301) – МВ, 160800 (080502), 170500 (240801), 171200 (240706), 330200 (280202), 320700 (280201), 101700 (140504), 070200 (140401), 07200 (200503) – МиТКМ дневной и вечерней форм обучения.

Рис.9. Еиблиогр.2 назв.

Рецензенты: кафедра технологии конструкционных материалов

и материаловедения ВЗИСИ.

Е.Ч.Куманин, кафедра МИТОМ, МШ

© Московский государственный университет инженерной экологии (МГУИЭ), 2006

Основные положения

Сплавы, по сравнению с чистыми металлами, обладают более вы­сокими механическими и технологическими свойствами. Сплавы в основном получают сплавлением различных металлов или сплавлением металлов с металлоидами. Однородный жидкий раствор (расплав) при кристаллизации может образовать следующие основные типы сплавов: химическое соединение, твердый раствор и смесь, состоящую из ком­понентов, твердых растворов, химических соединений или комбина­ции из них.

В теории сплавов широко применяют такие понятия как компо­нент, фаза, структура. Компонентами называются химические алимен­ты или их устойчивые химические соединения, образующие данную систему, фаза - это однородная часть системы, отделенная от дру­гих частей поверхностью раздала, при переходе через которую рез­ко изменяются свойства. Сплавы могут быть однофазными (химичес­кое соединение, твердый раствор) и многофазными (смесь). Под структурой (строением) сплава подразумевается форма, размер вхо­дящих фаз и юс взаимное расположение в сплаве. Диаграммы состоя­ния показывают изменения фазового и структурного состояния спла­вов в зависимости от их химического состава. Зная строение спла­ва, можно судить о его физических и механических свойствах, По­этому диаграммы состояния имеют большое практическое значение к являются теоретической основой создания новых сплавов. Если на диаграмме состояния указываются только фазы, то такая диаграмма называется фазовой, а если структурные составляющие сплавов - структурной. Диаграммы состояния обычно строятся эксперименталь­но. Однако в настоящее время разработаны методы их расчета по термодинамическим функциям с применением ЭВМ.

При построении диаграммы состояния по оси ординат откладыва­ется температура, по оси абсцисс - концентрации компонентов (рис.1). Левая крайняя вертикаль соответствует 100%-ному содержа­нию компонента А (0 % В), а правая - 100%-ному содержанию компо­нента В (0 % А). Процентное содержание компонента В в сплавах возрастает слева направо, а компонента А, наоборот, справа нале­во. Например, сплав I имеет концентрацию 22 % В и 78 % А, сплав П - 50 % В и 50 % А, сплав III - 78 % В и 22 % А (см. рис.1).

Для построения диаграммы состояния берут компоненты и серию сплавов с различным химическим составом. Для каждого из них

Рис. 1. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состоянии

Рис. 2. Диаграмма состояния с эвтектикой

строят кривую охлаждения. С этой целью тигель с исследуемым сплавом нагревают в печи до жидкого состояния, а затем на возду­хе медленно охлаждают, фиксируя изменение температуры во време­ни. На рис.1 изображены кривые охлаждения компонентов А и В, ко­торые кристаллизуются при постоянной температуре t_A и t_B. Сплавы I, II, III, образующие при затвердевании твердый раствор α, кристаллизуются в интервале температур t₁ –t₂; t₃ –t₄; t₅ –t₆. При указанных температурах отмечается перегиб, связанный с уменьшением скорости охлаждения вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации. Температуры фазового перехода из жидко­го в твердое состояние называют критическими точками. Эти точки переносят на диаграмму в координатах температура-концентрация. Соединив температурные точки начала кристаллизации t_A, t₁, t₃, t₅, t_B. получают линию, выше которой сплавы находятся в жидком состоянии. Эта линия называется ликвидус (жидкий). Критические точки t_A, t₂, t₄, t₆, t_B показывают завершение процесса кристал­лизации. Ниже этой линии сплавы находятся в твердом состоянии, а линия называется - солидус (твердый). Между линиями ликвидусc и солидус сплавы имеют двухфазное состояние (α + ж ). Полученная диаграмма показывает, что компоненты А и В неограниченно раство­ряются друг в друге в жидком и твердом состоянии. Обычно такого вида диаграммы образуют компоненты, близкие по своим свойствам, например Cu-Au, Fе-Сr, Аu-Ag и др. Правильность построения равновесных диаграмм состояния проверяется по правилу фаз.

Правило фаз

Фазовое равновесие, осуществляемое при медленном охлаждении, описывает состояние сплавов, когда все превращения в них произошли. Это состояние зависит от внешних условий (температуры, дав­ления) и характеризуется числом фаз и их концентрацией. Концен­трация является внутренним фактором системы.

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы системы (или вариантностью) - С, числом компонентов - К и числом фаз – Ф и выражается уравнением С = К + 2 - Ф. Под чис­лом степеней свободы понимают возможность изменения температура, давления и концентрации фаз без изменения их числа. В уравнении цифра 2 указывает число внешних факторов - температуру и давле­ние. При атмосферном давлении (изменение давления мало влияет на фазовое равновесие) число внешних факторов будет равно 1 и уравнение принимает вид С = К + 1 - Ф.

Для двойных диаграмм состояния возможны три варианта равно­весия системы:

1. Когда система однофазна (Ф = I), тогда С = К+1-Ф=2+1-1=2. Такое равновесие системы называют бивариантным (двухвариантным). При этом одновременное изменение температуры и концентрации фаз сохраняет количество фаз. На рис.1 такое состояние характерно для сплавов, когда они находятся в жидком состоянии и после кри­сталлизации в виде α-твердого раствора. Например, для сплава III при температурах М и N стрелки указывают на возможное одновре­менное отклонение температуры и концентрации при сохранении одной фазы.

2. Система двухфазна (Ф = 2), тогда С = 2+1-2 = 1. Такое равновесие системы называется моновариантным или одновариантным. В данном случае можно изменить только один фактор, температуру или концентрацию. При повышении или понижении температуры сплава обязательно изменятся концентрации фаз и наоборот. Изменение концентраций фаз воздействует на температуру. При этом кристалли­зация сплава происходит в интервале температур, например для сплава III между t₅ – t₆.

3. Когда система состоит из трех фаз (Ф = 3), тогда

C = 2+1-3 = 0, Такое равновесие системы называется нонвариантным. При этом три фазы в сплаве могут существовать только при постоянной температуре и при вполне определенном составе (концен­трации) входящих в него фаз. Это означает, что превращение начи­нается и заканчивается при постоянной температуре, т.е. кристал­лизация идет при постоянной температуре.

Для двойных диаграмм состояния такая кристаллизация проходит при эвтектическом, эвтектоидном, перитектическом и перитектоидных превращениях, которые будут рассмотрены далее. Применение правила фаз к кристаллизации компонентов А и В позволяет под­твердить то, что переход из жидкого состояния в твердое происхо­дит при постоянных для них температурах С=К+1-Ф=1+1-2=0 (площадки t_A и t_В).

Конода. Правило отрезков

Двухфазное состояние, характерное для процесса кристаллиза­ции сплавов, существует в интервале температур, ограниченных линиями ликвидуса и солидуса (см. рис. 1). Для определения состава фаз, находящихся в равновесии при любой температуре, например сплава П при t₇, нужно через данный температурный уровень про­вести линию, параллельную оси концентраций до пересечения с ли­ниями ликвидуса и солидуса (точки α и с). Линия α - с называ­ется конодой (связующей). Проекция точки α на ось концентрации – α' укажет концентрацию жидкой фазы (30 % В; 70 % А), а проек­ция точки с - с' - концентрацию твердой фазы α -твердого раст­вора (67 % В; 33 % А).

В процессе кристаллизации сплав изменяет состав входящих в него фаз. Концентрация жидкой фазы изменяется по линии ликвиду­са (α К), твердого раствора α по линии солидус (c-t₄). В процессе кристаллизации изменяется не только состав фаз, но и количественное соотношение между ними.

Для определения количественного соотношения фаз, находящих­ся в равновесии при данной температуре, применяют правило отрез­ков. Согласно этому правилу для определения весового или объем­ного количества твердой фазы необходимо вычислить отношение дли­ны отрезка α – t₇, примыкающего к составу жидкой фазы, к длине всей коноды α-с . Для определения количества жидкой фазы берет­ся отношение длины отрезка, примыкающего к составу твердой фазы t₇ – c, к длине коноды α с.

, .

В результате ускоренного охлаждения (неравновесной кристалли­зации) химический состав образующихся кристаллов α -твердого раствора оказывается по сечению переменным. Такую неоднородность состава сплава внутри отдельных кристаллов называют внутрикристаллитной или дендритной ликвацией. Чем больше разность темпера­тур между линиями ликвидус и солидус, тем сильнее проявляется не­однородность. Внутрикристаллитная ликвация может быть устранена последующим нагревом сплава и его выдержкой при температуре, близкой к линии солидус, - отжигом.