Варыгин Н.Н., Селянская Н.П., Соколов В.С., Адамова А.Ж., Трембовлер В.А. - Двойные диаграммы состояния первичной и вторичной кристаллизации, страница 2

Диаграмма состояния с образованием смеси компонентов с эвтектикой (рис.2)

На диаграмме при температурах выше линии ликвидус t_A, e, t_B сплавы находятся в однофазном жидком состоянии, т.е. компоненты А и В неограниченно растворяются. После завершения процесса кристаллизации на линии α е с сплавы состоят из смеси кристаллов компонентов А и В и будут теть двухфазное строение.

Сплав П - эвтектический (легкоплавкий). Эвтектикой называется смесь двух (или более) компонентов (фаз), которые кристаллизуют­ся из жидкости определенного химического состава при постоянной самой низкой температуре жидкости.

В данном случае при кристаллизации присутствуют три фазы: жид­кость, компоненты А и В. По правилу фаз вариантность системы С=К+1-Ф = 2+1-3=0. Это значит, что кристаллизация сплава П проис­ходит при постоянной температуре t_Э и на кривой охлаждения будет горизонтальная площадка е е' . Эвтектика, представляющая собой смесь кристаллов А и В, изображена на схеме кристаллизации штри­ховкой. Доэвтектические сплавы (левее эвтектического) и заэвтектические сплавы имеют более высокую температуру начала кристал­лизации. Их кристаллизация происходит в интервале температур (С=К+1-Ф = 2+1-2=1). В доэвтектическом сплаве (сплав I) в интервале температур 1-2 выделяются избыточные сравнительно крупные кристаллы компонента А (на рис. 2 - светлые). При этом оставшаяся жидкость обогащается компонентом В. При достижении температуры эвтектического превращения жидкость всегда будет иметь эвтекти­ческий состав точки е и закристаллизуется в виде эвтектики (горизонталь на кривой 2-2¹). Таким образом структура доэвтектических сплавов будет состоять из избыточных кристаллов компонен­та А и эвтектики. В заэвтектическом сплаве (сплаве III) в интерва­ле температур 3-4 на жидкости будут выделяться избыточные кри­сталлы компонента В (на рис. 2 - темные), а при температуре t_Э кристаллизуется эвтектика (горизонталь 4-4' на кривой охлажде­ния) . Структура заэвтектических сплавов представляет собой круп­ные кристаллы компонента В, окруженные эвтектикой.

Диаграмма состояния с ограниченной растворимостью компонентов с эвтектикой

На практике чаще компоненты ограниченно растворяются в друг друге. В данном случае (рис. 3) компонент В растворяется в компо­ненте А, образуя твердый раствор α. Предельное растворение 20 % В (точка α). Компонент А, растворяясь в компоненте В до 30 % (точка с ), образует твердый раствор β. В интервале концентра­ции α - с сплавы состоят из двух фаз α и β твердых растворов. На линии α с при кристаллизации происходит эвтектическое превраще-

Рис.3. Диаграмма состояния с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии с эвтектикой

Рис.4. Диаграмма состояния с перитектикой

ние с образованием дисперсной смеси кристаллов α и β твердых растворов.

Структура доэвтектических сплавов (левее эвтектики) будет состоять из избыточных кристаллов β и кристаллов эвтектики. Строение заэвтектических сплавов будет отличаться тем, что избы­точными кристаллам в них будут кристаллы твердого раствора β.

Диаграмма состояния с ограниченной растворимостью с перитектикой

При эвтектическом превращении одна фаза - жидкость кристал­лизуется с образованием двух твердых фаз. Возможен и другой тип нонвариантного превращения (трехфазного равновесия), когда жид­кость реагирует с ранее выпавшими кристаллами, образует новый вид кристаллов. Реакция подобного типа называется перитектичес­кой.

На диаграмме (рис. 4) линия t_A, d , t_B является линией ликви­дуса, линия t_A, b, p, t_B - линией солидуса. В данной системе компоненты неограниченно растворяются в жидком состоянии, а при кристаллизации образуются твердые растворы α и β предельной растворимости, характеризуемой точками b и р . Кристаллизация сплава I начинается при температуре 1, когда из жидкости выпада­ют кристаллы α -раствора концентрации, определяемой точкой α. Затем по мере снижения температуры жидкость меняет свою концен­трацию по линии ликвидус от точки I до точки d , а кристаллы α - по линии солидус от точки α до точки b. По достижении темпе­ратуры перитектического превращения t_p точки b, d будут рас­полагаться на горизонтали, при этом состав кристаллов твердой фазы α будет соответствовать точке b, а состав жидкости - точке d. Эти две фазы реагируют и дают третью β, концентра­ции которой определяется точкой р. Перитектическая реакция за­пишется следующим образом:

Количественное соотношение фаз при перитектическом превраще­нии необходимое для образования β -фазы, концентрации р, определяется по правилу отрезков соотношением

В сплаве I количество α и Ж , участвующих в перитектической реакции, определяется соотношением

т.е. в данном сплаве имеется избыток α -фазы по сравнению с тем количеством, которое необходимо для образования β_Р-кристаллов. Структура сплава I будет состоять из кристаллов β, образовав­шихся по перитектической реакции и оставшихся первичных α -кристаллов. Слева на рис. 4 показаны кривая охлаждения и схема его кристаллизации.

Отличие кристаллизации сплава П от сплава I состоит в том, что при перитектической реакции имеется избыток жидкости по срав­нению с тем количеством, которое необходимо для образования β -кристаллов концентрации р.

Кристаллизация избыточной жидкости в β -кристаллы происхо­дит в интервале температур 4-5. Концентрация этих кристаллов из­меняется по линии р-5. Кривая охлаждения и схема кристаллизации сплава показаны на рис. 4 справа.

Диаграммы состояния о устойчивыми химическими соединениями

Устойчивое химическое соединение и твердый раствор на его базе - это соединения, которые не разлагаются до своей температуры плавления. Диаграмму состояния сплавов (рис. 5а), в которой присут­ствует устойчивое химическое соединение А_mB_n, можно разделить на две части диаграммы A - А_mB_n и А_mB_n - В . Химическое соединение А_mB_n здесь выступает как самостоятельный компонент. В данном случае компоненты не растворяются друг в друге и образу­ют смеси с эвтектиками Э₁ и Э₂.

На рис.5б изображена диаграмма состояния, в которой образует­ся σ -фаза - твердый раствор на базе химического соединения А_mB_n. Фазовый структурный состав сплавов с учетом эвтектичес­ких превращений указан на диаграммах.

Диаграммы состояния с неустойчивыми химическими соединениями

Кристаллизация сплава II начинается при температуре 1. В ин-

Рис.5. Диаграммы состояний с устойчивыми химическими соединениями

Рис.6. Диаграмма состояний с неустойчивыми химическими соединениями

тервале температур 1 - р происходит выделение кристаллов компо­нента А; при этом концентрация жидкости изменяется по линии i d (рис.6а). При температуре t_p происходит перитектическое превра­щение

При нагреве химическое соединение устойчиво только до темпе­ратуры t_p, в то время как весь сплав перейдет в жидкое состоя­ние только при температуре 1 . Количественное соотношение фаз в таком сплаве будет определяться

,

В сплавах левее концентрации р в избытке будут кристаллы компонента А, количество которого, например, в сплаве 1 опреде­ляется отрезком 3-d (вместо p-d в сплаве концентрации р ). В сплавах правее концентрации р помимо химического соединения будет присутствовать в избытке жидкость, количество кото­рой определяется отрезком, например, в сплаве III - отрезком b-5 (вместо b-р ). В интервале температур 5-6 из жидкости выделяют­ся кристаллы химического соединения . При достижении тем­пературы эвтектики t_Э жидкость, имея концентрацию точки е, за­кристаллизуется в эвтектику - Э, состоящую из кристаллов и b. На рис.6 (б) по перитектической реакции на линии b-p-d про­исходит образование твердого раствора на базе химичеокого соеди­нения σ.

Диаграммы достояний сплавов, испытывающих превращения в твердом состоянии (вторичная кристаллизация)

Превращения в твердом состоянии позволяют изменять структу­ру, а следовательно, свойства сплавов (повышать прочность) о по­мощью термической обработки. Поэтому сплавы такого вида нашли широкое применение в промышленности - это сплавы на основе желе­за, алюминия, титана и др.

Диаграмма состояния с переменной растворимостью в твердом состоянии

На рис.7 изображена диаграмма состояния, в которой компонент А в В не растворяется, а растворяется В в А, образуя твердый

раствор α. Предельная растворимость при температуре t_Э опреде­ляется точкой α. Линия α - n называется линией переменной ра­створимости. Она показывает, что с понижением температуры рас­творимость компонента В в А понижается (при температуре t₀ она определяется точкой n) и из твердого раствора при этом выделя­ются кристаллы компонента В. Эти кристаллы в отличие от первич­ных, которые выделяются по линии t_B-e из жидкости, более мел­кие и называются вторичными (В_II). Если температура, при которой происходит образование вторичной фазы, высокая, то ее выделение происходит по границам зерен, а при низкой - в основном внутри зерна. В интервале концентраций α-с сплавы имеют двухфазное строение α и В. При температуре t_Э на линии α-e-ε происхо­дит эвтектическое превращение. Сплавы левее точки n при нагре­ве до линии солидус имеют структуру α и превращений в твердом состоянии в них не происходит. В сплавах в интервале концентра­ций n - α ' , например, в сплаве 1 при кристаллизации в интервале температур 3-4 выделяются из твердого раствора α вторичные кристаллы В_II. В доэвтектических сплавах (сплав П) помимо α и В_II при температуре t_Э кристаллизуется эвтектика, состоящая из кри­сталлов α и В. В сплаве III (заэвтектическом) кристаллизация на­чинается с выделения в интервале температур 8-9 первичных кри­сталлов В_I. Заканчивается кристаллизация образованием эвтектики. Кривые охлаждения и схемы кристаллизации сплавов показаны на рис.7.

Диаграммы состояния, в которых компоненты претерпевают полиморфные превращения