Диаграмма состояния сплавов.

Общие положения:

Диаграмма – это график в координатах «температура» – «хим. состав», отражающий изменение структурного и фазового состава сплава, в зависимости от этих термодинамических параметров.

Основные явления:

1. Изменение агрегатного состояния (первичная кристаллизация).

1. Изменение растворимости компонентов в твердом состоянии. Образование перенасыщенных твердых растворов, и выделение за счет диффузии из первичных кристаллов, кристаллов другого типа (вторичная кристаллизация) – кристаллизация без изменения агрегатного состояния.

1. Изменение типа кристаллического реле, при изменение температуры соответственным изменением растворимости.

Рассмотрим диаграммы только для бинарных сплавов (К=2).

Все диаграммы получены экспериментально!

Всего существует 4 типа диаграмм.

1 тип.

Диаграммы нерастворимых друг в друге компонентов.

abc – линия ликвидус

(liquid - жидкость) – геометрическое место точек начала процесса кристаллизации.

dbe – линия солидус

(solid - твердый) – геометрическое место точек конца кристаллизации.

Точка b – точка эвтектики.

X_b – эвтектичный состав.

При использование диаграммы  иметь в виду:

1. Химический состав сплава в целом остается неизменимым.

1. На диаграмме данному сплаву соответствует вертикальная прямая.

1. Для определения структуры и фаз состава сплава для заданной t необходимо найти соответственную точку на диаграмме с координатами (t,хим. сост.). Структура сплава определяется областью диаграммы, в которой эта точка максимальна.

При постоянном химическом составе сплава, химический состав отдельных структурных составляющих может изменяться.

Диаграмма состояния сплавов двух компонентов,

неограниченно растворимых друг в друге в твердом состоянии.

Металлы близкие по атомным параметрам и типу кристаллической решетки и образуют неограниченные твердые растворы замещения.

(см. схему)

 - сплав компонентов А+В В этом диапазоне tC, для любой

тв. р-р комп. А+В tC соотношение между жидкой и

химический состав, твердой фазой строго

которого теоретически равен определено.

общему химическому составу

сплава.

Диаграмма третьего рода.

Диаграмма компонентов ограниченно растворенных друг в друге в твердом состоянии.

Д
ля химических элементов как правило образовывающих твердые растворы внедрения друг в друге. Обычно такими компонентами выступают металлы с разными типами кристаллической решетки.

abc – ликвидус  - твердый раствор компонентов А/В

adbec – солидус  - твердый раствор компонентов В/А

df – линия пре-

дельной раство- Избыточность определяется, только относительно

римости А/В. точки эвтектики.

ed - линия пре-

дельной раство- Точка d – точка предельной растворимости комп. А/В

римости В/А – соответствующий химическому составу. Точка е -

Растворимость точка предельной растворимости комп. В/А.

комп. В в крист.

реш. комп. А

Сплавы, содержащие компонент А меньше, чем X_d при кристаллизации образуют однофазную твердую структуру.

Аналогично сплавы содержащие А более, чем Х_е также являются однофазными .

И те и другие сплавы заканчивают кристаллизацию без образования эвтектики и при более высоких температурах. Участок ad и ec – линии солидус.

Сплав №1

До эвтектич. с низким содержанием А. t>t₁ кристаллизации нет.

От t₁ до t₂ первичная кристаллизация из жидкости появляются  - кристаллы.

t₂…t₃ охлаждение однофазного сплава.

t<t₃ – вторичная кристаллизация - твердый раствор становится перенасыщенным. Избыточные атомы компонента А за счет диффузии перемещаются к границе кристалла, образуют зоны с высокой концентрацией компонента А и формируют собственную кристаллическую решетку. В результате образуются мелкие кристаллы В₂.

Сплав №2

До эвтектики сплав с повышенным содержанием А.

1 этап охлаждение сплава t>t₄

2 этап t₅ до t₄ первичная кристаллизация  твердого раствора. Состав остав- шейся жидкости изменяется и постепенно приближается к эвтектическому.

3 этап 5-5’ образование эвтектики.

4 этап t<t ₅ остывание сплава, вторичная кристаллизация образование ₂.

Сплав №3

Эвтектический сплав крист. при пост. температуре.

Диаграмма четвертого рода.

Диаграмма состояния компонентов, образующие химические соединения.

1. Химическое соединение образованное компонентами играют роль чистых компонентов в диаграммах первого, второго, третьего типа.

2. Полная диаграмма четвертого типа делится на несколько частичных диаграмм, первого, второго, третьего типа.

Правило отрезков

Используется для двухфазных областей диаграмм состояний.

Позволяет для сплава заданного химического состава Х при определенной температуре найти:

1. количественное соотношение между фазами

2. химический состав фаз

Применение правила отрезков:

• через точку, характеризующую состав сплава в двухфазной области, провести горизонтальную прямую до пересечения с границами области

• отношение отрезков, на которые точка делит эту прямую, к общей длине прямой определяет относительное количество каждой фазы

• проекция точек пересечения прямой с границами области на горизонтальную ось химических составов определяет химический состав

1. Химический состав фазы определяется проекцией той точки, которая находится на границе двухфазной области с соседней областью, занимаемой этой фазой.

2. Относительное количество этой фазы пропорционально длине отрезка, прилегающего к противоположной границе.

Применение правила отрезков к диаграмме 1-го рода

• точка f определяет состояние сплав химического состава Х при температуре t₁

• через f проводим горизонтальную линию gh

1
.относительное количество:

2
.химический состав:

Применение правила отрезков к диаграмме 2-го рода

• точка i определяет химический состав X при температуре t₁

• через точку i проводим горизонтальную линию jk

1. относительное количество:

1. химический состав:

• жидкость

• -фаза

При кристаллизации сплава химического состава Х между точками 1 и 2 химический состав  будет меняться по правилу отрезков от проекции точки k, соответствующей началу кристаллизации до проекции точки 2,соответствующей концу кристаллизации. Т.е. кристаллы, образующиеся при разной температуре, имеют разный химический состав. Это объясняется следующим образом. Рассмотрим диаграмму, являющуюся теоретической диаграммой, т.е. все процессы, происходящие со сплавами, предполагаются равновесными, а равновесными являются процессы, происходящие с очень малой скоростью (бесконечно малой). При этом внутри системы на каждом этапе происходит полное выравнивание химического состава всех частей каждой фазы (всех кристаллов). В реальных сплавах при конечных скоростях фазовых превращений сохраняется некоторое различие в химическом составе отдельных кристаллов (чем выше скорость, тем больше различие). Этот процесс называется химической ликвацией.

Применение правила отрезков к диаграмме 3-го рода

Температура t₁, точка i.

1. относительное количество:

2 . химический состав:

Температура t₂, точка m.

1. относительное количество:

2. химический состав:

В сплавах, относящихся к диаграмме 3-го рода, после окончания процесса кристаллизации в твердом состоянии происходят диффузионные процессы:

• выравнивание разницы в химических составах, связанное с ликвацией

• перераспределение компонентов между фазами  и  в связи с изменением растворимости компонентов друг в друге (правило отрезков для точки m)

Для диаграмм 1 и 3 типа правило отрезков позволяет определить не только относительное количество фаз, но и относительное количество структурных составляющих сплава (первичных кристаллов и эвтектики).

Связь диаграмм состояний со свойствами сплавов.

Диаграммы Курнакова.

Свойства сплава зависят от химического состава и структуры сплава:

1.Изменение химического состава твердого раствора вызывает существенное нелинейное изменение свойств.

2.Изменение весового соотношения составляющих механических смесей линейно связано с изменением свойств сплава

Наличие этой связи позволяет определить свойства новых сплавов при минимальном объеме эксперимента. По характеру изменения свойств сплава можно предсказывать тип диаграммы состояния.

Сплавы на основе железа

Диаграмма железо-углерод

Диаграмма железо-углерод является сложной диаграммой компонентов, образующих химическое соединение. Из-за различной валентности железа существует несколько химических соединений железа и углерода.

Для технического использования применяются сплавы с низким содержанием углерода (до 6.67% С), следовательно, рассматриваем только область «железо-цементит».

Диаграмма железо-цементит

ACD - линия ликвидус

AECF – линия солидус

ECD – линия эвтектического превращения

С – точка эвтектики

Эвтектический сплав – легкоплавкий сплав (структура – механическая смесь), образуется из жидкости.

Эвтектойдный сплав – образуется из твердого состояния, подобен эвтектике.

Эвтектика ледебурит – механическая смесь кристаллов аустенита и цементита, температура образования = 1147°С.

SE – линия предельной растворимости углерода в аустените

GS – нижняя граница устойчивости аустенита

PSK – линия эвтектойдного превращения аустенита в перлит (t<727°C)

PM – линия предельной растворимости углерода в феррите

Основные структурные составляющие

Аустенит – ограниченный твердый раствор внедрения углерода в кристаллическую решетку Fe_γ (ГЦК).

• высокотемпературная фаза

• появляется на этапе первичной кристаллизации

• с_max =2,14% при t=1147°C (точка Е)

• устойчив при t>727°C

• при t=727°C содержание С=0,8%

• при t<727°C аустенит превращается в перлит

• при понижении температуры диапазон растворимости углерода в аустените сужается (линии SG, SE)

Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита.

• содержание С=0,8%

• образуется из аустенита за счет диффузионного перераспределения углерода при температуре t<727°C

• структура – смесь чередующихся пластинок феррита и цементита

Цементит – химическое соединение Fe₃C (карбид железа)

• содержание С=6,67%

• сложная кристаллическая решетка, постоянный химический состав (стехиометрический состав)

• высокая твердость, прочность, хрупкость

Феррит – ограниченный твердый раствор внедрения углерода в кристаллическую решетку α-железа.

• кристаллическая решетка – ОЦК

• С=0,025% при t=727°C

• C=0,006% при t=20°C

• низкотемпературная фаза

• низкая прочность, высокая пластичность

• близок к химически чистому железу

Ледебурит перлитный - эвтектическая смесь перлита и цементита.

• образуется из ледебурита аустенитного при распаде аустенита при t <727°C

В сплавах Fe и C происходит ряд превращений в твердом состоянии. В их основе:

1. Наличие различных типов кристаллической решетки железа (аллотропия)

2. Различная растворимость углерода в различных кристаллических решетках.

3. Изменение растворимости углерода при изменении температуры.

Физический механизм большинства превращений в твердом состоянии – диффузия.

0%<C<2,14%