Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Понятие о равновесных фазовых диаграммах (диаграммах состояния)

14.11.2018

Фазовое равновесие — это равновесное состояние сплава, состоящего из двух или большего числа фаз. Возможность получения разнообразных свойств в сплавах обусловлена тем, что в них могут протекать различные фазовые превращения. Для технически чистых металлов существует только одно фазовое превращение: во время охлаждения при кристаллизации переход жидкой фазы в твердую и во время нагрева переход твердой фазы в жидкую.

При кристаллизации сплавов формируются следующие основные твердые фазы: твердые растворы, химические соединения, механические смеси (эвтектики и эвтектоиды).

При изучении фазовых превращений в сплавах используют понятие «система». По отношению к сплаву система — это совокупность фаз в твердом и жидком состояниях, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (температура и концентрация легирующего компонента).

Для определения в сплавах положения той или иной фазовой области в зависимости от температуры или концентрации второго компонента создают (строят) специальные диаграммы состояния, или фазовые диаграммы.

Диаграмму состояния строят для условия очень медленного охлаждения сплавов из жидкого состояния до комнатной температуры, поэтому такая диаграмма является равновесной, т. е. соответствует минимуму свободной энергии.

Диаграмму состояния двойных сплавов строят в координатах температура — концентрация второго компонента (рис. 4.3). Обе ординаты (и справа, и слева) — это температурная шкала технически чистого элемента, в данном случае — металлов А и В. Верхняя точка на шкалах — температура плавления данного металла. Между ординатами на диаграмме расположены различные линии, которые являются границами фазовых областей. Положение этих линий зависит от содержания второго компонента (В) и температуры.

Диаграмма состояния сплавов охватывает области жидкого, жидкотвердого и твердого состояний. Самая верхняя область на диаграмме (не имеющая ограничения сверху) — это область жидкого состояния, обозначаемая буквой Ж. Самая верхняя линия на диаграмме называется ликвидус. Эта линия характеризует начало образования твердой фазы (при охлаждении сплавов) или растворение последних порций твердой фазы (при нагреве сплавов). Далее все превращения будут рассмотрены для случая охлаждения.

Ниже линии ликвидуса расположена область твердожидкого состояния: присутствуют две фазы — жидкость и твердый раствор а, т. е. Ж + а (см. рис. 4.3). По мере охлаждения сплавов жидкая фаза исчезает, сплав переходит в твердое состояние. Граница между твердым (а) и твердожидким (Ж + а) состояниями носит название солидус. Ниже линии солидуса находятся различные фазовые области с твердыми фазами.

Количество фазовых областей на диаграмме состояния, т. е. ее сложность, зависит от различий в электронном строении элементов данной системы легирования, что определяет растворимость одного компонента в другом.

Растворимость — количество (концентрация) легирующего элемента, которое может быть растворено в металле-основе без изменения кристаллической решетки последнего.

Чем выше растворимость одного компонента в другом, тем шире область твердых растворов, прилегающих к ординатам технически чистого компонента. В самом простом случае для всех сплавов данной системы в твердом состоянии есть только одна фаза — твердый раствор а (рис. 4.4). Однако большинство систем сплавов имеет сложные диаграммы состояния. При незначительной растворимости компонентов друг в друге возможны различные фазовые превращения (эвтектическое, эвтектоидное, перитектическое, перитектоидное, образование химического соединения).

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии изображена на рис. 4.4. Такую диаграмму имеет сплав системы медь — никель. Выше линии ликвидуса расположен жидкий сплав (Ж), ниже линии солидуса — твердый раствор (рис. 4.4, а).

Фазовые превращения при охлаждении можно проследить на так называемой кривой охлаждения, или, правильнее, термограмме охлаждения, которая строится в координатах температура — время. Ввиду различных свойств образующихся фаз изменяется температура охлаждения сплава. Поэтому каждое фазовое превращение фиксируется по перегибу на кривой или по остановке температуры. На рис. 4.4, б построена термограмма для сплава, содержащего 60 % Ni.

При охлаждении до температуры, соответствующей точке 2, сплав находится в жидком состоянии; при охлаждении до температур, значения которых находятся между точками 2 и 5, — в твердожидком. При температуре, значение которой ниже обозначенной точкой 3, сплав находится в твердом однофазном состоянии, представляющим собой твердый раствор а. Схема микроструктур, соответствующих указанным фазовым областям, приведена на рис. 4.4, б.

Для понимания диаграмм, для их «чтения» используют три правила: правило концентраций, правило отрезков и правило фаз.

Правило концентраций применительно к диаграмме медь — никель. Процесс кристаллизации сплавов системы медь — никель характеризуется тем, что во время охлаждения при каждой последующей температуре концентрация легирующего элемента в жидкой и твердой фазах различна. Для определения концентрации легирующего элемента в каждой из фаз необходимо выполнить следующие шаги:

1) выбрать сплав определенного состава, например 40 % Ni;

2) внутри двухфазной области (Ж + а) провести изотерму при выбранной температуре, например при 1300 °C (промежуточной между началом и окончанием кристаллизации);

3) найти точки пересечения изотермы с границами фазовых областей;

4) провести проекции этих точек на ось концентраций — получаем значения концентрации 40 % Ni для жидкой фазы (точка С) и 75 % Ni — для твердой.

Выполняя те же шаги, получим, что при температуре начала кристаллизации (1 380 °C) в сплаве, содержащем 60 % Ni, жидкая фаза имеет концентрацию 60 % Ni, а твердая — 85 % Ni (точки 2 и 2' соответственно). При температуре окончания кристаллизации (1 240 °С) в жидкой фазе содержится 27 % Ni, в твердой — 60 % Ni (точки 3' и 3 соответственно).

Различие в концентрации легирующего элемента в жидкой и твердой фазах во время кристаллизации приводит к тому, что после затвердевания сплава дендриты, образовавшиеся при разных температурах, имеют различное содержание легирующего элемента, т. е. химический состав затвердевшего сплава неоднороден.

Неоднородность химического состава различных составляющих сплава (дендритов, зерен), образующаяся при кристаллизации, называется ликвацией. Применительно к понятию «ликвация» говорят, что сплавы характеризуются сильной или слабой ликвацией. Количественно ликвация, или степень ликвации, оценивается коэффициентом распределения — отношением концентраций Ni в двух сравниваемых структурных составляющих сплава.

Правило отрезков применительно к диаграмме медь — никель. Данное правило используют для определения относительного количества фаз в двухфазной области. С этой целью выполняют следующие шаги:

1) проводят вертикальную линию для интересующего химического состава сплава;

2) для соответствующей температуры проводят горизонтальную линию, пересекающую обе границы двухфазной области (Ж + а); линия является изотермой, ее обычно называют конодой;

3) точкой отсчета является пересечение двух указанных выше линий;

4) отрезок, прилегающий к области жидкости, характеризует относительное количество твердой фазы а; отрезок, прилегающий к области твердого раствора а, характеризует относительное количество жидкой фазы Ж.

Правило фаз применительно к диаграмме медь — никель. Правило фаз позволяет в системе с данным числом компонентов К определить количество независимых переменных С (температура, концентрация), которые можно изменять в этой фазовой области, не изменяя числа фаз Ф, т. е. в равновесии

С = К - Ф + 1.


Для области жидкости в системе медь — никель С = 2 - 1 + 1= 2. Это означает, что в данной области можно изменять и температуру, и концентрацию сплавов, а число фаз при этом не изменится. Для области (Ж + а) число степеней свободы С = 2- 2+1 = 1, т.е. в ограниченных интервалах можно изменять либо температуру, либо концентрацию второго элемента в сплаве, чтобы число фаз не изменилось.

Диаграмма состояния сплавов системы свинец — сурьма, компоненты которых в твердом состоянии нерастворимы друг в друге и образуют смесь (эвтектику). Следует отметить, что во всех сплавах этой системы кристаллизация начинается при температурах, которые ниже температур плавления компонентов. Наиболее низкой температурой плавления (247 °С) обладает сплав, содержащий 13 % Sb (рис. 4.5). При его кристаллизации одновременно образуются две твердые фазы — смесь технически чистых компонентов (свинца и сурьмы). Такое фазовое превращение носит название эвтектического, оно протекает по реакции

Ж —> [Pb + Sb]


Сплав данного химического состава носит название эвтектического. Сплавы с меньшим содержанием сурьмы называются доэвтектическими, с большим содержанием — заэвтектическими.

Для эвтектической реакции, в которой участвуют три фазы, число степеней свободы С = 2 - 3 + 1=0. Поэтому пока протекает эвтектическая реакция, нельзя изменять ни концентрацию, ни температуру. Постоянство температуры во время эвтектической реакции отражается на термограмме в виде остановки изменения температуры по достижении 247 °C. По окончании эвтектической реакции температура продолжает плавно снижаться по мере остывания сплава. В сплавах до- и заэвтектических кристаллизация начинается с образования твердых кристаллов либо свинца (сплав 1), либо сурьмы (сплав 2), что отражается соответствующим перегибом на термограмме. При достижении температуры 247 C во всех сплавах также протекает эвтектическая реакция (рис. 4.5, б).

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов изображена на рис 4.6. Это часть диаграммы состояния сплавов системы алюминий — медь. На диаграмме показана область ограниченного твердого раствора а, область составов сплавов (5,7 %...10 % Cu), кристаллизация которых заканчивается эвтектической реакцией.

Линия на диаграмме состояния, ограничивающая область а-твердого раствора ниже эвтектической температуры, называется линией переменной растворимости, потому что содержание меди, которое может быть растворено в a-твердом растворе, изменяется под влиянием температуры.

В зависимости от содержания меди в сплавах протекают различные превращения при охлаждении.
Понятие о равновесных фазовых диаграммах (диаграммах состояния)

В сплаве 1 (см. рис. 4.6) кристаллизация начинается с образования a-фазы, которая затем охлаждается. При переходе через линию переменной растворимости из a-твердого раствора начинается выделение частиц химического соединения CuAl2. Вследствие выделения интерметаллида, содержащего медь, концентрация меди в самом твердом растворе постепенно уменьшается с понижением температуры до равновесной растворимости, равной 0,2 %. После охлаждения сплава 1 его микроструктура представляет собой зерна a-твердого раствора с крупными частицами фазы CuAl2.

В сплаве 2 кристаллизация начинается с образования a-твердого раствора. По достижении эвтектической температуры 548 °C протекает эвтектическое превращение Ж —> [a + CuAl2] при постоянной температуре. После охлаждения сплава 2 его микроструктура представляет собой зерна a-твердого раствора и зерна, содержащие эвтектику (смесь фаз a + CuAl2). Ha рис. 4.6 линия а-с указывает температуры, которые используют при термообработке данных сплавов для нагрева под закалку.

Между видом диаграммы состояния и свойствами сплавов в ряде случаев существует определенная связь. Так, при образовании непрерывных твердых растворов свойства изменяются по кривым, имеющим экстремум (рис. 4.7, а), который наблюдается при соотношении компонентов 50:50. По кривым с максимумом 1 изменяются такие характеристики, как прочность, твердость, электросопротивление и др.; их значения обычно выше, чем у технически чистых металлов. Пластичность твердых растворов описывается кривой с минимумом 2 (см. рис. 4.7, а).

При образовании эвтектики зависимость свойств от концентрации компонента имеет линейный характер (рис. 4.7, б).

На сложных диаграммах состояния с ограниченной растворимостью в твердом состоянии и с эвтектикой свойства имеют криволинейную зависимость для твердого раствора и прямолинейную — для сплавов с эвтектикой (рис. 4.7, в).

На практике диаграммы состояния активно используют на различных технологических этапах получения изделия. С помощью диаграмм состояния можно определять следующие параметры:

• фазовый состав сплавов в зависимости от температуры и концентрации компонентов;

• фазовые превращения при нагреве и охлаждении;

• химический состав (концентрацию легирующего элемента) каждой из фаз при различных температурах;

• температуру разливки сплава;

• для литейных сплавов — различие в химических составах жидкой и твердой фаз (степень ликвации);

• литейные свойства сплавов, например жидкотекучесть;

• виды и режимы термической обработки.

Например, сплавы, которые кристаллизуются с образованием эвтектики, характеризуются хорошими литейными свойствами: жидкотекучестью, отсутствием пористости и др. Сплавы, кристаллизующиеся в узком интервале температур, также имеют хорошие литейные свойства, так как у них низкая степень ликвации.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: