Определение диаграммы состояния. Назначение диаграммы 1 типа.

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 5

Диаграммы состояния представляют собой графическое изображение всех превращений, протекающих в сплавах в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Превращения в сплавах при нагреве или охлаждении зависят от того, какие фазы при этом образуются. Так, однородная жидкость представляет собой однофазную систему, а жидкий сплав и находящиеся в нем кристаллы или механическая смесь кристаллов двух видов - двухфазную систему.

Различают четыре главных типа диаграмм состояния двойных сплавов: 1)механическая смесь; 2)твердый раствор с неограниченной растворимостью компонентов друг в друге; 3)твердый раствор с ограниченной растворимостью компонентов и 4) химическое соединение. Диаграммы состояния двойных сплавов строят в двух измерениях: по оси ординат откладывают температуру, а по оси абсцисс - концентрацию компонентов. Общее содержание двухкомпонентного сплава в любой точке абсциссы равно 100%, а крайние ординаты соответствуют чистым компонентам. Каждая точка на диаграмме состояния показывает состояние сплава данной концентрации при данной температуре.

Диаграмма состояния сплавов, образующих в твердом состоянии механические смеси кристаллов чистых компанентов (диаграмма состояния I рода). Компоненты таких сплавов в жидком состоянии неограниченно растворимы друг в друге, а в твердом – не растворимы и не образуют химических соединений. Поэтому в этом сплаве возможно образование трех фаз: жидкого сплава и кристаллов компонентов. Механические смеси образуют сплавы свинца и сурьмы, свинца и олова, цинка и олова, алюминия и кремния и др. Рассмотрим построение диаграммы на примере сплава свинца с сурьмой. Вначале строятся кривые охлаждения чистых свинца и сурьмы (рис 3.). Температуры их кристаллизации соответствуют горизонтальным площадкам на кривых 1 и 6 (для свинца 327 °С и для сурьмы 631 °С). Далее рассматриваются несколько сплавов с соответствующим содержанием свинца РЬ и сурьмы Sb, %, например: РЬ 95, Sb 5; Pb 90, Sb 10; Pb 87, Sb 13; Pb 60, Sb 40. Строятся кривые их охлаждения (кривые 2-5 соответственно).

Кристаллизация первого сплава (5 % Sb) происходит следующим образом: приблизительно до 300 °С он остается жидким, а начиная с 300 °С скорость охлаждения замедляется, при этом начинается кристаллизация свинца; оставшаяся часть жидкого сплава обедняется свинцом, следовательно, обогащается сурьмой. Когда содержание сурьмы составит 13%, произойдет кристаллизация эвтектики при температуре 246 °С (горизонтальный участок кривой 2).Эвтектикой называют равномерную мелкодисперсную механическую смесь двух фаз, которые одновременно кристаллизуются из жидкого сплава. В данном случае эвтектика состоит из кристаллов свинца и сурьмы. Эвтектика имеет определенный химический состав (в данном случае 13 % Sb и 87 % РЬ) и образуется при постоянной температуре (в данном случае 246 °С).

Следующий сплав (10 % Sb) кристаллизуется аналогично первому, но температура начала кристаллизации у пего ниже, а температура конца кристаллизации та же 246º С, когда содержание сурьмы в жидком сплаве составит 13 % (кривая 3). Третий сплав (кривая 4), содержащий 13 % Sb и 87% РЬ, остается жидким до 246º С, а затем кристаллизация происходит при этой температуре с образованием эвтектики. Этот сплав кристаллизуется при постоянной температуре, самой низкой для данной системы, состоит только из эвтектики и называется эвтектическим. Кристаллизация четвертого сплава (40 % Sb) начинается при температуре около 400°С с выделением избыточных кристаллов сурьмы. Жидкий сплав обедняется сурьмой и при содержании в нем 13% сурьмы и температуре 246°С происходит образование эвтектики и кристаллизация завершается.

Критические точки, полученные на кривых охлаждения, переносятся на диаграмму состояния и соединяются, получаются линии АЕВ и MEN. Линия АЕВ диаграммы является линиейликвидус: все сплавы, лежащие выше этой линии, находятся в жидком состоянии. ЛинияMEN является линией солидус, ниже нее все сплавы свинец – сурьма находятся в твердом состоянии. В интервале между ликвидусом и солидусом сплав состоит из двух фаз — жидкого раствора и кристаллов одного из компонентов. Сплавы, содержащие менее 13% Sb, лежащие слева от эвтектического сплава, называют доэвтектическими, а более 13% Sb, —заэвтектическими. Структура и свойства их резко отличаются. В доэвтектических сплавах наряду с эвтектикой находятся избыточные кристаллы свинца, а в заэвтектических — кристаллы сурьмы. Различие структур определяет различие свойств сплавов

Рисунок 3 – Диаграмма состояния сплавов Pb – Sb

Чтобы определить состояние сплава любого состава при данной температуре и для нахождения его критических точек с помощью диаграммы, нужно из точки, указывающей содержание концентрации данного сплава, провести вертикальную линию до пересечения с линиями ликвидус и солидус (см. рис. 3). Точки пересечения показывают начало и конец кристаллизации заданного сплава. Например, требуется определить состояние сплава, содержащего 50 % сурьмы при температуре 400 °С. Точка пересечения вертикали с линиями ликвидус и солидус показывают, что данный сплав будет иметь две фазы — жидкий сплав и кристаллы сурьмы, так как точка соответствующая 400 °С лежит в области диаграммы BEN.

Правило отрезков. В процессе кристаллизации непрерывно изменяется концентрация фаз и количество каждой фазы (количество жидкой фазы уменьшается, а твердой увеличивается). Концентрацию (состав) и количество каждой фазы можно определить в любой точке двухфазной области диаграммы состояния, используя правило отрезков. Рассмотрим применение правила отрезков на примере изученных выше диаграмм состояния (рисунок 4). Правило отрезков формулируется следующим образом. Через заданную точку диаграммы состояния проводится горизонтальная линия до пересечения с линиями, ограничивающими данную область диаграммы. Проекции точек пересечения на ось концентраций показывают состав фаз. Длины отрезков горизонтальной линии между заданной точкой и точками, определяющими состав фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

На рисунке 4 показано применение правила отрезков для точки m диаграммы. Через нее проведена горизонтальная линия и отмечены точки пересечения с линиями диаграммы k и n. Проекции этих точек на ось концентраций k₁ и n_l показывают состав фаз. Так, для диаграммы состояния свинец - сурьма (рисунок 4, а) точка k_l показывает состав жидкой фазы, а точка n_l твердой фазы (100 % Sb). Для диаграммы состояния медь - никель (рисунок 4, б) точка k_l показывает состав жидкой фазы, а точка n_l состав твердого раствора.

Рассмотрим теперь определение относительного количества каждой фазы. Обозначим количество жидкой фазы Q_ж, а количество твердой фазы — Q_т. (Для примера на рисунок 4, а твердой фазой является сурьма, а на рисунок 4, б— твердый раствор).

Рисунок 4 – Пример применения правила отрезков:

а – для сплавов, образующих механические смеси,

б – для сплавов, образующих твердые растворы

Тогда, в соответствии с правилом отрезков, количества фаз обратно пропорциональны длинам соответствующих отрезков:

Если обозначить количество всего сплава Q, то ему будет соответствовать отрезок kn, и можно найти относительные количества фаз:

;

Правило отрезков может быть применено для любой двухфазной области диаграммы состояния, т.е. не только для рассмотрения кристаллизации сплава, но и для изучения процессов, происходящих в твердом состоянии. В однофазных областях диаграммы состояния правило отрезков неприменимо. Любая точка внутри однофазной области характеризует концентрацию данной фазы.

⇐ Предыдущая 1 2 3 45