Диаграммы (Диаграммы)

Посмотреть архив целиком

Глава 1
ОСНОВЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ

1.1. Основные теоретические сведения

1.1.1. Независимые термодинамические переменные

Рис. 1. Координатные оси диаграммы состояния двухкомпонентной системы

Двухкомпонентными системами являются сплавы двух компонентов (например, металлов А и В). Величина свободной энергии Гиббса сплава, находящегося под определенным внешним давлением, будет зависеть от температуры сплава и состава фаз сплава. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы строится в координатах температура – состав (рис. 1). В точках А и В проходят вертикальные оси, на которых расположены диаграммы состояния компонентов А и
В. Точки абсциссы
АВ соответствуют составам сплавов компонентов А и В, которые выражаются через содержание одного из компонентов (например, компонента В). При этом величина отрезка АВ принимается за 100% компонента В (или А). Сплаву, содержащему Х % компонента В, на линии составов будет соответствовать точка Х, для которой выполняется соответствие

  (1)

Откуда:

  (2)

Содержание компонента А в сплаве, состав которого соответствует точке Х, будет равно:

  (3)

Состояние сплава Х на диаграмме состояния можно характеризовать фигуративной точкой, которая находится на вертикальной прямой, проходящей через точку состава сплава Х. Если исследуемый сплав Х имеет температуру t' , то его состояние соответствует фигуративной точке a на прямой Xa. При изменении температуры образца исследуемого сплава фигуративная точка его будет перемещаться по вертикали Xa.

 

1.1.2. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях

Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях представлена на рис. 2. На диаграмме состояния имеются две линии: А'mB' линия температур начала кристаллизации (конца плавления) сплавов, или линия ликвидуса твердого раствора; А'nB' линия температур конца кристаллизации (начала плавления), или линия солидуса твердого раствора.

Рис. 2. Диаграмма состояния системы А – В с неограниченной
растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях

Эти линии делят всю диаграмму состояния на три фазовые области. Выше линии ликвидуса располагается область однофазных жидких растворов, ниже солидуса область однофазных твердых растворов. Между линиями ликвидуса и солидуса находится двухфазная область (Ж+ ).

Рис. 3. Кристаллизация двухкомпонентного сплава:
а) диаграмма состояния системы А–В; б) кривые охлаждения и нагревания сплава Х

Рассмотрим процессы, которые будут происходить в сплаве Х при его квазистатическом охлаждении (рис. 3а). При охлаждении образца, находящегося в жидком состоянии, до комнатной температуры в сплаве будут наблюдаться две критические точки (m и n), соответствующие температурам t1 и t2. В исходном состоянии сплав представляет собой жидкий раствор, состав которого соответствует составу сплава. При охлаждении образца сплава до температуры первой критической точки t1 сплав будет оставаться однофазным.

При температуре t1 из жидкого раствора, состав которого отвечает точке m, начнут выделяться кристаллы твердого раствора, состав которых соответствует точке k. Произойдет изменение фазового состояния сплава, он станет двухфазным, начнется процесс кристаллизации. Температура t1 температура ликвидуса сплава Х.

Выделение первых кристаллов из жидкости в процессе квазистатической кристаллизации происходит при температуре ликвидуса, поэтому можно считать, что на кривой ликвидуса находятся фигуративные точки таких жидких

растворов, которые при соответствующих температурах являются насыщенными относительно кристаллов твердого раствора. Эти насыщенные жидкие растворы и соответствующие им кристаллы твердого раствора будут находиться друг с другом в равновесии. В нашем случае в начальный момент квазистатической кристаллизации в образце сплава Х в равновесии находятся жидкий раствор (Жm) и кристаллы твердого раствора k, состояние которых описывается фигуративными точками m и k.

 

Вариантность такого двухфазного состояния в двухкомпонентном сплаве при постоянном давлении равна С=К-Ф+1=2-2+1=1. Поэтому двухфазное состояние в двухкомпонентном сплаве может существовать в интервале температур. Это означает, что процесс квазистатической кристаллизации твердого раствора в сплаве будет происходить в интервале температур.

Ввиду того что выпадающие из жидкости кристаллы k твердого раствора cодержат меньшее количество компонента А, чем сама жидкость, последняя в процессе кристаллизации будет обогащаться компонентом А.

Фигуративная точка, отвечающая жидкой фазе, при понижении температуры будет перемещаться от точки m вниз по кривой ликвидуса, а фигуративная точка, соответствующая твердому раствору, – от точки k вниз по кривой солидуса. При какой-то промежуточной температуре t2 составы находящихся в равновесии жидкой и твердой фаз, будут описываться фигуративными точками c и d, а состояние сплава Х – фигуративной точкой f. Отрезок cd, соединяющий фигуративные точки равновесных фаз, носит название коноды. Количество каждой из равновесных фаз в рассматриваемом сплаве может быть определено по правилу рычага. Если принять за точку опоры мысленного рычага cd фигуративную точку f, согласно правилу рычага отношение масс фаз будет обратно отношению отрезков от точки f до фигуративных точек соответствующих фаз. Таким образом,

, (4)

где mЖ и m – масса соответственно жидкой и твердой фаз.

Из уравнения (4) следует, что

, (5)

, (6)

где mспл – масса сплава.

Как видно из этих уравнений, количество той или иной фазы в сплаве может быть выражено в долях или в процентах от массы всего сплава. При этом вся длина коноды cd будет соответствовать массе всего сплава, то есть 100 %, а отрезки cf и fd – массам фазы и жидкой фазы.

Процесс кристаллизации закончится при такой температуре, при которой отрезок коноды между точками, соответствующими кристаллам фазы и сплаву, будет равен нулю. Такой температурой будет температура t2. Температура конца кристаллизации сплава t2 называется температурой солидуса сплава. Точки r и n будут соответствовать составам последних капель жидкого раствора и кристаллов фазы, находящихся в равновесии друг с другом при температуре t2. Следовательно, процесс кристаллизации сплава Х происходит в интервале температур от t1 до t2. При этом фигуративная точка жидкого раствора перемещается по кривой ликвидуса от точки m до точки r, а фигуративная точка твердого раствора – по кривой солидуса от k до точки n. Процесс кристаллизации является второй стадией процесса охлаждения сплавов. Он может быть записан в виде реакции

    (7)

Эта реакция является реакцией кристаллизации сплава.

При охлаждении сплава Х от t2 до комнатной температуры в нем никаких фазовых превращений не происходит. Эта третья стадия охлаждения может быть записана аналогично первой стадии:

  . (8)

При квазистатическом нагревании сплава Х последовательность процессов, происходящих в нем, будет обратной. Кривые охлаждения и нагревания образца сплава Х (рис. 3б) в интервале температур от t1 до t2 изменяют свой ход, что связано с выделением или поглощением теплоты кристаллизации. Поэтому по термограммам охлаждения или нагревания сплава можно определить температуры ликвидуса и солидуса.

 Подобные кривые получаются и при термическом анализе других сплавов заданной системы. Различие между кривыми охлаждения различных сплавов заключается лишь в температурах критических точек.

После квазистатической кристаллизации структура сплава Х будет состоять из кристаллов твердого раствора, состав которых соответствует составу сплава (рис. 4).

Рис. 4. Структура сплава Х после квазистатической (равновесной) кристаллизации (схема)

 

1.1.3. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и ограниченной раствримостью компонентов в твердом состояниях (эвтектический тип)

Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью в жидком состоянии и ограниченной растворимостью в твердом состоянии эвтектического типа приведена на рис. 5.

А'e – линия ликвидуса твердого раствора (твердого раствора компонента В в компоненте А), В'e – линия ликвидуса твердого раствора (твердого

Рис. 5. Диаграмма состояния эвтектического типа системы А-В

раствора компонента А в компоненте В). А'а и В'b – это линии солидуса и твердых растворов соответственно; ab – эвтектическая линия; е – эвтекти-ческая точка; аc является линией ограниченной растворимости компонента В в компоненте А (линией сольвуса раствора), а bd – линией ограниченной растворимости компонента А в компоненте В (линией сольвуса раствора). Эти линии разбивают всю диаграмму состояния системы А–В на шесть фазовых областей: три однофазные области (Ж, , ) и три двухфазные области (Ж+ , Ж+ , + ). Эвтектическая прямая является по существу седьмой, выродившейся в линию трехфазной областью Ж+ + .

Все сплавы системы А–В могут быть подразделены на доэвтектические, эвтектический и заэвтектические сплавы. Состав эвтектического сплава соответствует составу точки эвтектики е. Доэвтектические сплавы находятся в области, расположенной между компонентом А и эвтектическим сплавом, а заэвтектические сплавы – в области между эвтектическим сплавом и компонентом В.

Проанализируем процессы, происходящие при охлаждении эвтектического сплава Х такой системы, в которой величина предельной растворимости как компонента В в твердом растворе, так и компонента А в твердом растворе не изменяется при изменении температуры (рис. 6а). Вертикаль, проходящая через точку Х, пересекает линии диаграммы состояния в точке е. Следовательно, сплав Х будет иметь одну критическую точку, которой соответствует эвтектическая температура te. При охлаждении сплава до te фазовый состав сплава изменяться не будет.


Случайные файлы

Файл
101631.rtf
14929.rtf
28816.rtf
112796.rtf
25175.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.