строение (557054), страница 12
Текст из файла (страница 12)
По диаграмме состояния можно судить о различных фазовых превращениях, протекающих в сплавах при изменении температуры и состава и тем самым установить условия соответствующей обработки сплава (литья, термической обработки, горячей пластической деформации). Диаграмма состояния строится по критическим точкам серии сплавов, определяемым методами физико-химического анализа. Критическими точками называются температуры начала или конца каких-либо превращений в сплавах.
Если для серии сплавов 1, П, 1П системы А — В определить критические точки, нанести эти точки в координатах концентрация — температура и соединить их, то будет получена диаграмма состояния (рис. 31). Любая точка на диаграмме состояния имеет определенный физико-химический смысл. Линии, соединяющие одноименные критические точки, носят определенные названия. Так, линия асЬ, представляющая собой совокупность точек начала кристаллизации, носит название линии ликвидуса (Йс)иЫиз — жидкий).
Выше этой линии все сплавы данной системы находятся в жидком состоянии. Линия ас(Ь, ниже которой все сплавы находятся в твердом состоянии, называется линией солидуса (зо1(бпз — твердый). Для правильного построения диаграмм состояния необходим медленный нагрев и охлаждение, чтобы полностью осуществлялись 5! А в В 2о ор 7о 7ВВ В lе Р все возможные пРевРаЩениЯ и Достиг галось состояние термодинамического Ж.а равновесия, У Для анализа и проверки правиль- ) ности построения диаграмм состояния ) широко применяется правило фаз Гиб) ) бса, выражающее условия равновесия 1 ) ) ) сс 1 системы.
Количественная зависимость между числом степеней свободы системы С, числом компонентов К и фаз Ф записывается в виде: С = К + 2 — Ф. Числом степеней свободы системы Рнс. 31. Схема ностроення дна- (ВцриаятяветЬЮ) НаЗЫВаЕтея ЧИСЛО Паграммы состояния но критическим точкам серии силавов 1, 11. РаМЕтрОВ СОСтаяНИя (тЕМПЕратура, дазление и концентрация), которое можно изменять без нарушения фазового равновесия (без изменения числа или природы сосуществуккцих фаз). Число степеней свободы может быть только положительной величиной или при иоивариаитиом равновесии равно нулю.
Таким образом, для каждого сплава (система фаз) можно произвольно задать лишь определенное число характеризующих его параметров, а все остальные будут их функциями, В случае достижения системой состояния термодинамического равновесия температура и давление во всех фазах имеют одно и то же значение. При этом химические потенциалы каждого компонента во всех фазах должны быть равны и не должно происходить перехода компонентов из одной фазы в другую. Цифра 2 в уравнении показывает, что в общем случае на состояние фазового равновесия влияют только два внешних фактора: температура и давление. Однако на практике давление изменяется в таких небольших пределах, что это не влияет на характер фазовых превращений в сплавах.
Необходимы очень высокие давления, чтобы изменить характер процессов и превращений в сплавах. Кроме того, в большинстве металлических систем давление пара настолько мало, что им пренебрегают и считают системы конденсированными. В связи с этим для металлических систем при атмосферном давлении один из внешних факторов равновесия будет постоянным, и тогда правило фаз примет вид: С = К+ 1 — Ф. В этом уравнении единица соответствует единственному внешнему фактору (температуре), который способен изменить фаэовое равновесие. Применяя правило фаэ, например, для процессов кристаллизации или плавления чистого металла в изобарических условиях (в равновесии находятся две фазы: жидкая и твердая), получаем С=- К+1 — Ф= 1+ 1 — 2=0, (8) т.
е. система безвариантна. Это означает, что указанные процессы идут при постоянной температуре. Например, на рис. 32, а на кри- 52 вых охлаждения чистых металлов 1)) л г л и В) горизонтальные участки соот- го ветствуют процессам кристаллиэа- О ж 7 ции при постоянной температуре. — г При кристаллизации твердой фазы из жидкости в двухкомпонент- ж. ной системе С = 1, т. е. равновесие одновариаитно, н процесс идет при в переменной температуре (кривая Рис ЗА Кривые охлаждеии» 1а) и ОХЛаждсиня СПЛаВа 1 (РИС г О))' диаграмма состояния (6) сплавов ПрОцЕССу КрИСтаЛЛИЗацИИ СООТВЕТ- системы с неограничеинод раство- Римостью комионентов в жидком Стзувт ВЫПУКЛЫЙ уяаСТОК ЭТОЙ КРИ- и твердом состояниях вой.
Все сплавы согласно диаграмме состояния на рис. 32, б затвердевают в интервале температур. В классических трудах академика А. А. Бочвара установлено, что если бы правило фаз Гиббса могло использоваться только для строго равновесных состояний сплавов и любое отклонение от условий равновесия существенно изменяло бы выводы, сделанные иа основе правила фаз, то практическое применение правила было бы весьма ограниченным, ибо реальные технические сплавы и реальные фазовые превращения в них не являются равновесными.
Тем не менее, в случае небольших отклонений от равновесия, правило фаз может давать верные указания и для неравновесных сплавов, но близких к состоянию термодинамического равновесия. Так, правило фаэ может применяться для определения числа степеней свободы реальных систем при реальных фазовых превращениях, если скорости изменения внешних параметров состояния (например, температуры) незначительны и соизмеримы со скоростями диффузионных процессов, посредством которых совершаются превращения в металлах и сплавах.
Это значительно расширяет пределы применения правила фаз для анализа поведения металлических сплавов в конкретных изделиях в условиях эксплуатации реальных авиационных конструкций, Ниже рассматриваются типичные диаграммы фазового равновесия. днвгрпмла состояния с неограниченной раопворимостью компонентов в зсидквм и твердом состояниях Общий вид диаграммы состояния и кривые охлаждения таких сплавов показаны на рис. 32. Подобную диаграмму состояния имеют многие двухкомпонентные системы (медь — никель, железо — никель, железо — кобальт, молибден — вольфрам и др.). Линия 1,сс(1га является линией ликвидуса, линия (,схй)711А— линией солидуса. При температурах выше линии ликвидуса все сплавы находятся в жидком состоянии, а ниже линии солидуса— в твердом.
Между ликвидусом и солидусом одновременно находятся зэ две фазы: твердая (твердый раствор а) и жидкая. Между точками / и с, сплав 1 при охлаждении кристаллизуется, доказательством тому — кривая охлаждения сплава 1. В первый момент кристаллизации при температуре // в равновесии будут находиться жидкость состава / и кристаллы состава /„а при температуре /г— жидкость состава й и кристаллы состава б(3. Относительные количества жидкости и твердой фазы определяются правилом рычага. Например, при температуре /е отрезок тс(3 пропорционален количеству жидкой фазы, отрезок б(п3 — твердой фазы, если принять отрезок бЫ3 за 100 %. Таким образом, согласно правилу рычага (или правилу отрезков): количество твердого раствора/количество жидкого раствора = = с(пй/л3йа', количество твердого раствора = (птах) 100%; количество жидкого раствора = (ик(3/3Ы3) 100%.
Это правило позволяет для любой температуры, зная общий вес сплава, определить вес жидкой и твердой частей сплава. В процессе кристаллизации твердого раствора не только изменяется соотношение жидкой и твердой фаз, но также и состав обеих фаз. По мере кристаллизации состав жидкости меняется от точки / к точке с, т. е. удаляется от состава сплава 1, а состав твердого раствора меняется от точки /3 к точке с„т. е.
приближается к составу сплава 1. Выравнивание состава и получение однородного (гомогенного) твердого раствора возможно при достаточно медленном охлаждении при кристаллизации для обеспечения более полного протекания диффузии. Однако на практике процесс гомогенизации твердого раствора отстает от процесса кристаллизации, что приводит к внутрикристаллической или дендритной ликвации (т. е. неоднородности кристаллов по химическому составу).
Склонность к внутрй)сристаллической ликвации сильнее, чем больше расстояние по гор онтали между линиями ликвидуса и солидуса на диаграмме сост~оя ия. Внутрикристаллическая ликвация вызывает нежелательную анизотропию механических свойств. Уменьшить ликвацию возможно длительным диффузионным отжигом слитков при относительно высоких температурах. Процесс охлаждения любого сплава данной системы будет протекать так же, как и для сплава 1, и результатом кристаллизации будет получение твердого раствора.
Диаграмма состояния с ограниченной растаоримоетью компонентов е твердом состоянии На рис. ЗЗ представлен общий вид диаграммы состояния эвтектического типа с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. До некоторой концентрации, определяемой линией Ьс, атомы компонента В образуют твердый раствор с компонентом А (33-твердый раствор) Линия Ьс является линией предельной 54 Рнс. 33.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
