1097
.pdfДиаграмма состояния тройной системы А - В - С с моновариантным перитектоидным равновесием 0 + у «=* а представлена на рис. 1 2 1 . Эта система образована двумя полиморфными компонентами А и С, между изоструктурными модификациями которых существуют непре рывные ряды твердых а- и (3-растворов, и компонентом В, на основе которого образуются граничные у-растворы. Температурам начала перитектоидной реакции Р + у ■* а при понижении температуры отве
чает линейчатая поверхность a^b'c^di (проектирующаяся в |
область |
||
а1 ^ 1с 1 ^ 1). температурам конца этой реакции с исчезновением |
у-крис- |
||
таллов - поверхность a\a'2d'2d\ (область a 1a2d2d1) и, наконец, с |
ис |
||
чезновением Р-кристаллов - еще одна линейчатая поверхность |
|
|
|
(область a2b1c 1d2). С одновременным |
исчезновением исходных |
Р- и |
|
у-кристаллов перитектоидная реакция |
Р + у - а протекает только в |
сплавах, расположенных на кривой a2d2.
Кривые охлаждения некоторых сплавов построены на рис. 122. В сплаве 1 (расположенном на изотерме растворимости a3d3 компонента В в компонентах А и С) перитектоидная реакция Р + у -*• а не протекает. На его кривой охлаждения видны четыре критические точки, отве чающие температурам начала и конца первичной кристаллизации Р-раствора и полиморфного превращения р -*• а. Аналогичные прев ращения протекают в сплаве 2 , расположенном в области d ^ a 3d3, плюс вторичная кристаллизация а -*■ у, температуре начала которой на кривой охлаждения отвечает самая нижняя (пятая по счету) критическая точка.
В сплаве 3, расположенном в области d1a1a2d2, после выделения первичных P-кристаллов протекает вторичная кристаллизация Р -► у, затем - перитектоидная реакция Р + у -* а (оканчивающаяся исчез новением у-кристаллов), полиморфное превращение Р -*• а (оставшихся
Р- в a-кристаллы) и вторичная кристаллизация а -*■ у. В итоге, на кри вой охлаждения этого сплава можно отметить семь критических точек
(см. рис. 1 2 2 ).
Сходные превращения наблюдаются в сплаве 4, расположенном на политерме растворимости a2d2. Перитектоидная реакция Р + у -*• а в этом сплаве заканчивается одновременным исчезновением исходных Р- и 7-кристаллов и сразу же начинается вторичная кристаллизация а -► у. На кривой охлаждения этот сплав имеет пять критических точек. Наконец, в сплаве 5 помимо первичных P-кристаллов выделяется эв тектика Р + у. Остальные фазовые превращения напоминают превра щения в предыдущем сплаве 4, что отражает кривая охлаждения с пятью критическими точками (см. рис. 1 2 2 ).
§52. Диаграммы состояния систем
снонвариантными равновесиями
Если каждый из компонентов А, В и С имеет по две полиморфные модификации, то простейшую диаграмму состояния тройной системы А - В - С с нонвариантным эвтектоидным равновесием Ps — а а + + 6ь + 7 С можно представить, как показано на рис. 123. Между высоко температурными P-модификациями всех компонентов образуются непрерывные, а на основе низкотемпературных модификаций - соот ветственно граничные а-, 6- и у-растворы. Диаграммы состояния двой ных систем А - В , В - С и А - С имеют аналогичное строение. В каждой из этих систем при температурах fSl, fs2 и 13э наблюдаются эвтектоидные равновесия Ps, - «а4 + Ус4, Ps2 ^ «а, + бь2 и Р3э — бь< + у Cj.
Эвтектоидное равновесие Ps ~ «а + + У с в системе А - В - С реализуется при температуре ts во всех сплавах треугольника abc. При анализе фазовых превращений в различных сплавах (который мы опускаем) полезно вернуться к диаграмме состояния системы с нон вариантным эвтектическим равновесием (см. § 40), поскольку эвтекти ческое и эвтектоидное равновесия различаются только тем, что в пер вом случае три твердые фазы находятся в равновесии с жидкостью, а во втором - с твердой фазой. В обоих случаях фигуративная точка распадающейся фазы (жидкости Жрили Ps-кристаллов) располагается внутри треугольника abc, образованного остальными твердыми фаза ми (см. также рис. 79).
Диаграмма состояния системы А - В - С с нонвариантным моно-
*м
тектоидным равновесием Рм«=г-аа + Рь+ у с (рис. 124) мало чем отли чается от предыдущей диаграммы состояния системы с аналогичным эвтектоидным равновесием (см. рис. 123). Двумя изоструктурными модификациями обладают компоненты А и С. Компонент В образует непрерывные твердые растворы с высокотемпературными Р-модифи-
212
Рис. 124
Рис. 123
нациями компонентов А и С. Диаграммы состояния двойных систем А - В и В - С аналогичны. В каждой из этих систем при температурах
*ь, и |
наблюдаются монотектоидные равновесия Рь, |
^ |
и |
Рь2 ^ |
Р т2 + Уп2- В системе А - С при температуре |
ts наблюдается |
эвтектоидное равновесие Ps ^ «а2 + Vc2-
Нонвариантное монотектоидное равновесие Р м ^ а а + Р ь + Тс при температуре tM характерно для всех сплавов, расположенных в тре угольнике abc. Винодельная поверхность т '^ ^ Ь ^ М 'Ь '^ т ^ с крити ческой кривой к1к2 на плоскость концентрационного треугольника проектируется соответственно в область т 1к1Ь1МЬ2к2т 2 и кривую кгк2. Как и в предыдущей системе (см. рис. 123), монотектоидная точка М, изображающая состав распадающейся (при охлаждении) Рм-фазы, находится внутри конодного треугольника abc, в вершинах которого лежат образующиеся а а-, Рь- и у с-фазы. Распадающийся Рм- и образующийся Рь-растворы имеют одну и ту же кристаллическую структуру и различаются только химическим составом.
В последней из рассматриваемых систем (рис. 125) наблюдается to
нонвариантное перитектоидное равновесие Ро + а а« = * &ь + Тс- В
принципе эта диаграмма состояния не отличается от уже рассмотоенной диаграммы состояния системы с нонвариантным перитектическим равновесием, в котором участвуют граничные растворы на основе компонентов (см. § 41). При анализе фазовых превращений в различных сплавах необходимо помнить о том, что любая перитектическая (а также перитектоидная) реакция по-разному заканчивается
втех или иных сплавах.
Врассматриваемой системе по две полиморфные модификации
имеют компоненты В и С. Между изоструктурными высокотемператур ными В-модификациями этих компонентов образуются непрерывные твердые растворы. На основе низкотемпературных 6- и у-модификаций компонентов В и С, а также компонента А обра зуются соответственно гранич ные б-, у- и ое-растворы. Пере численные твердые растворы в
двойных системах А - |
В, В - С |
|||||
и А - |
С участвуют в различных |
|||||
нонвариантных |
равновесиях. В |
|||||
аналогичных |
системах |
А - |
В |
|||
и |
А |
- С |
при |
температурах |
||
td |
и |
t j 2 наблюдаются |
перитек- |
|||
тоидные равновесия fid |
+ аа |
** |
- |
Vc2 ” |
Pd2 + |
<*а3 5=4Ч |
2- Для |
||||
системы |
|
В |
- |
С |
характерно |
|||
эвтектоидное |
равновесие |
Bs 5=4 |
||||||
^ |
Ьь |
+ |
ус |
при |
темпера |
|||
туре ts3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 125 |
|
|
|
|
|
|
|
|
При понижении температуры перитектоидная |
реакция |
Во |
+ |
яа |
-► бь + ус протекает во всех сплавах четырехугольника abDc. В сплавах диагонали Ъс эта реакция заканчивается одновременным исчезновени ем исходных Во* и а а-растворов, в сплавах треугольника abc она за вершается исчезновением Во*> а в сплавах треугольника bcD - исчез новением аа-раствора, и т.д.
Глава 14. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМ С БИ-, МОНО- И НОНВАРИАНТНЫМИ РАВНОВЕСИЯМИ ЖИДКИХ РАСТВОРОВ НА ОСНОВЕ КОМПОНЕНТОВ
Как и граничные растворы, жидкие растворы на основе компонен тов могут участвовать в различных (по вариантности) фазовых рав новесиях. Ограниченная растворимость компонентов в жидком сос тоянии в тройных системах обычно связана с расслоением в двойных системах. При расслоении в жидком состоянии твердые растворы на основе компонентов имеют небольшую протяженность и ими можно пренебречь.
§53. Диаграмма состояния системы
смоновариантным монотектическим равновесием
1.Диаграмма состояния
Диаграмма состояния тройной системы А - В - С с ограниченной растворимостью компонентов в жидком состоянии в небольшой об
ласти mkl n, |
прилегающей к |
двойной системе А - |
В, показана на |
рис. 126. Бинодальная поверхность начала расслоения |
к’ т ’ к^п' распо |
||
лагается над |
поверхностью |
А 'е \Е е2п 'к \т ' начала |
кристаллизации |
компонента А и на плоскость концентрационного треугольника проек тируется в область т ^ п . Двухфазный объем Жх + Ж2 несмешивающихся жидких растворов Ж1 и Ж2 представлен сводообразным простран ством к 'т 'к ^ п ', верхняя точка к' которого находится в двойной системе А - В, а нижняя точка kt - на поверхности начала кристаллизации компонента А. Снизу этот объем ограничен линейчатой поверхностью
m'lc^n', которая |
образуется |
при перемещении |
отрезка т 'п ' (части |
монотектической |
горизонтали |
А 1п’ в системе А |
- В) до положения |
отрезков т 1п1, , т 2п2, т эпэ и т.д. в сторону более низких температур до тех пор, пока эти отрезки не стянутся в точку кх. По аналогии с вер
хней критической точкой к' |
на бинодали т 'к 'п ' в системе А - |
В и ниж |
|
ней критической точкой к[ |
на кривой т к , п’ в системе А - В - |
С кривую |
|
k k t , соединяющую эти точки, можно также |
назвать критической (на |
||
плоскости концентрационного треугольника - |
кривая klq ). |
|
Ликвидус диаграммы состояния образован тремя поверхностями А'е^Е'е^п’к ^ т ’, В'е2Е'ез и C'eiE'eJ, начала кристаллизации компо нентов А, В и С, проектирующимися в области первичной кристаллиза ции А е ^ е ^ к t m, Ве3Ее3 и C e ^ e ^ Поверхности ликвидуса пересека ются по эвтектическим кривым е^Е, е2Е' и е'3Е' (или et E, е2Е и еэБ), изображающим составы жидкости, которая участвут в эвтектических равновесиях Ж — А + С, Ж ^ А + В иЖ — В + С. Эти кривые сходятся в нонвариантной эвтектической точке Б' (или Е). Таким образом, поверх ность солидуса изображается плоскостью треугольника аЬс. При тем-
пературе tE во всех тройных сплавах наблюдается нонвариантное эвтектическое равновесие ЖЕ ~ А + В + С, а кристаллизация сплавов заканчивается по эвтектической реакции ЖЕ ■* А + В + С.
1т
Монотектическое равновесие Жтт=?Ж п + А, наблюдаемое в сплавах системы А - В при постоянной температуре tm (на монотектической горизонтали А ^ '), в сплавах области А кхп реализуется в интервале температур tm - tk l(6 = к - ф + 1 = 3 - 3 + 1 = 1 ), что можно записать как Ж, 5=4 Ж2 + А. При понижении температуры это равновесие смеща ется вправо, поэтому можно говорить о монотектической реакции Ж1 -► Ж2 + А. Состав жидкости Жх, из которой выделяются кристаллы компонента А и жидкость Ж2, изменяется по монотектической кривой
m'k'j (на плоскости концентрационного треугольника |
- кривая mfc,), |
|||||||||
а жидкости Ж2 - соответственно по кривой п 'к\ |
(или nkt ). При темпе |
|||||||||
ратуре t,(, нижней критической точки к х жидкие фазы Жt |
и Ж2 принимают |
|||||||||
идентичный состав (Ж^,). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Температурам начала монотектической реакции Жх ■* Ж2 |
+ |
А в |
||||||||
сплавах |
области А к1п отвечают |
две |
линейчатые |
поверхности |
||||||
А 1т ' т 1т 2т 3к \А 2 и т 'т 1т 2т 3/с'1 п3п2п^п' |
(вторая |
из |
них |
ограничива |
||||||
ет снизу |
двухфазный объем Ж1 + |
Ж2 - |
|
см. |
выше). |
Поверхность |
||||
|
|
А 1т |
' т |
1т |
2т |
3к'1А 2 |
можно |
по |
||
|
|
|
|
|
|
3" 1Л 2 |
|
(часть |
||
|
|
лучить, если отрезок А хт |
||||||||
|
|
монотектической |
горизонтали |
|||||||
|
|
A tn') |
перемещать |
в сторону |
||||||
|
|
более |
низких |
температур |
до |
|||||
|
|
положения |
отрезка |
А 2к \ |
так, |
|||||
|
в> |
чтобы один |
его |
конец скользил |
||||||
|
|
по |
монотектической |
кривой |
||||||
|
|
m'fc'j, а второй - |
по ординате ком |
понента А. Вторая линейчатая по верхность
ьобразуется при перемещении отрезка т 'п ' до положения
|
|
|
|
|
отрезков |
m 1n v т 2n^ т 3п3 и |
|
|
|
|
|
т.д., пока эти отрезки не стя |
|
|
|
|
|
|
нутся в |
нижнюю критическую |
А |
т |
с к |
п |
е. |
точку к у |
|
В |
|
|||||
|
|
|
|
|
С |
Рис. 126 |
Между названными поверхностями и плоскостью эвтектического треугольника аЬс имеется еще одна линейчатая поверхность А 1т 'п 'п 1п2п3к'1А 2, отвечающая температурам конца монотектической реакции Жх -*• Ж2 + А. Эта поверхность образуется при перемещении отрезка А 1п' из положения монотектической горизонтали в системе А - В до положения отрезка А2к[ при температуре нижней критической точки к [( k j . На плоскость концентрационного треугольника линейча тые поверхности начала и конца монотектической реакции Жг — Ж2 + + А проектируются соответственно в области А т к 1, т к гп и А т кп к 1.
Если трехфазный объем Жг + Ж2 + А, находящийся между линейча тыми поверхностями начала и конца монотектической реакции, рас сечь рядом горизонтальных плоскостей, то в сечении получится нес
колько |
конодных треугольников (треугольники |
а1т 1п1, |
а2т 2п2 и |
3 3m3n3 |
на рис. 126), изображающих равновесие |
жидких |
растворов |
Ж, и Ж2 разного состава с кристаллами компонента А. Нетрудно
видеть, что малые стороны этих |
треугольников (а1т 1 и |
т 1п1, а2т 2 |
и т 2п2, а3т 3 и т 3п3) являются |
следами от сечения линейчатых по |
|
верхностей начала, а большие стороны ( а ^ , а2п2 и а3п3) - |
следами от |
|
сечения поверхности конца монотектической реакции |
-* Ж2 + А. |
2. Кристаллизация сплавов
Если не учитывать расслоения жидкого раствора (сплавы области mkj^n) и монотектической реакции Жг - Ж2 + А (сплавы области А кjO),
то рассматриваемая |
система не отличается от вторичных систем |
А - М - С ч В - М - С |
эвтектического типа, получаемых в результате |
триангуляции системы А - В - С с двойным конгруэнтно плавящимся соединением М (см. § 43). Поэтому мы рассмотрим кристаллизацию
только тех |
сплавов, фигуратив |
|
||||||
ные |
точки |
которых располага |
|
|||||
ются в области |
A ktn (рис. 127). |
а |
||||||
Для |
упрощения |
примем, |
что |
|
||||
прямая |
А к г |
касается |
кривой |
|
||||
mktn, ограничивающей |
область |
|
||||||
расслоения, |
|
в |
нижней |
крити |
|
|||
ческой |
точке |
k v |
хотя это |
и не |
|
обязательно.
Фигуративная точка сплава 1 находится |
в области Akt n на кривой |
mkv поэтому его кристаллизация начнется |
с монотектической реак- |
f, - fm , |
|
Цни Ж) _ тз -------*3 ж П1 _ Пз + А. В ходе этой реакции жидкая фаза ж ь |
изменяя состав от точки 1 до точки т 3 по кривой т к и выделяет крис таллы компонента А и вторую жидкую фазу Ж2, состав которой изме няется по кривой пк! в направлении от точки nt к точке п3. Начальную стадию этой реакции изображает первый конодный треугольник А1п , конечную - последний треугольник А т 3п3, когда его большая сторона Ап3 оказывается проходящей через фигуративную точку сплава. В этот момент, согласно правилу центра тяжести треугольника, в сплаве 1 исчезает исходная жидкая фаза Жх, принявшая состав точки т 3, и в равновесии оказывается вторая жидкая фаза Ж2 состава точки п и кристаллы компонента А, доли которых измеряются отношениями
отрезков А1/Ап3 и 1п3/Ап3. Фазовые превращения |
при |
дальнейшем |
||
понижении температуры можно записать как Жп _ а |
*п3 |
~ *а |
А (крис- |
|
--------► |
||||
fa ~ {Е |
3 *Е |
+В |
+С (крис |
|
таллизация компонента А), Жа _ £ -------* А +В |
и Ж^—^ А |
таллизация двойной и тройной эвтектик). На кривой охлаждения сплав 1 имеет четыре критические точки (рис. 128).
Сплав 2, расположенный |
в области А к3т , от сплава |
1 отличается |
|
|
|
h ~ {т3 |
Ж„ _ „ + А |
только тем, что монотектической реакции Ж^ _ т ------- * |
|||
и последующим фазовым |
превращениям |
предшествует первичная |
|
|
t2 - |
|
|
кристаллизация компонента А (Жг _ 1 ------» |
На его кРив°й охлаж |
дения видны пять критических точек (рис. 128).
Фигуративная точка сплава 3 расположена в области расслоения т к ,п левее критической кривой kkt ■Следовательно, монотектической реакции в этом сплаве должно предшествовать расслоение Ж, •* Ж2, которое начнется, когда фигуративная точка сплава окажется на бинодальной поверхности начала расслоения. Процесс расслоения в
в сплаве 3 можно записать как Жз _ j — *• Жь _ „ . Кривые 31 и bn i, по которым изменяются составы жидких фаз Ж г и Ж2, располагаются по обе стороны от критической кривой kkt в областях тЮс, и nkkv в ко торые проектируются соответственно две части бинодальной поверх
ности (см. также § 361.
Как только жидкие фазы Жг и Ж2 примут составы точек f и п,, рас положенных на кривых mkt и nklt начнется монотектическая реакция. Эту реакцию и дальнейшие превращения в сплаве 3 можно записать
|
t i - ' i'ГПп |
t n . ~ |
t a |
fa, - |
«£ |
как Ж! _ т |
|
Жп1n2 +А , ЖП2 _ 3i |
|
А,Жа |
А + В |
и Же— |
+ В + С. В итоге, на кривой охлаждения сплава 3 видны пять |
критических точек (см. рис. 128).
Аналогичные превращения протекают при кристаллизации сплавов, расположенных в области mkt n правее критической кривой ккх или на этой кривой. Расслоение в этих сплавах можно записать как Ж2 - -► Ж1 или Ж1 5* Ж2, что идентично записи Ж1 -* Ж2 (для сплава 3).
Фазовые превращения в сплаве 4, расположенном на отрезке Ак,,
можно записать в три стадии: Жд _ ^ _ а |
*4-<а |
А (первичная кристал |
|
* *Е |
|
*аа ~ {Е |
|
лизация компонента А), Жаг_Е —— ► А + В и Ж£ - А + В + С (кристал лизация двойной и тройной эвтектик). В этом сплаве не наблюдается расслоения в жидкой фазе (фигуративная точка сплава лежит на грани це области А кхп), поэтому на кривой охлаждения он имеет всего три критические точки (см. рис. 128).
Всплавах, расположенных на кривой nkt , также не будет расслоения
имонотектической реакции Ж, -* Ж2 + А. Например, кристаллизация сплава п2 начнется с выделения первичных кристаллов компонента
А (Ж- |
fn2 ~ *а, |
А) и т.д. Аналогичные фазовые превращения харак |
терны для большинства других сплавов, расположенных вне области mk1n (см. также §43).
3. Изотермические и политермические разрезы
Изотермические разрезы рассматриваемой системы (рис. 129) построены в предположении, что температуры плавления компонентов А, В и С составляют 900, 700 и 750 °С, эвтектик et , е2 и е3 - 600, 650 и 550 °С и эвтектики Е - 400 °С. Температуры монотектической точки т , а также верхней и нижней критических точек к и к ± приняты равными 800,1100 и 550 °С.
Изотермический разрез при 800 °С (рис. 129, а) фиксирует только
двухфазные равновесия Ж - |
А в сплавах области А т а |
и Ж, |
^ Жг в |
сплавах области т к 2п. При |
понижении температуры |
до |
700 °С |
(рис. 129, б) строение изотермического разреза усложняется. Наряду с двухфазными равновесиями Ж ~ А , Ж ^ В и Ж ^ С в сплавах области тей AnijOj, An1b1, ВЬ1Ь2 и Ссс 1 иЖ 1 - Ж2 в сплавах областей m1k3ni выявляется также конодный треугольник А т 1п1, изображающий монотектическое равновесие Жт ** ЖПг + А в части сплавов области Ак,п. Любой тройной сплав,1 расположенный в треугольнике А т 1п1, состоит из кристаллов компонента А и двух жидких фаз Ж х и Ж2 сос тавов точек т х и п ь доли которых можно найти по правилу центра тяжести треугольника.
Изотермические разрезы при 550 °С (температура нижней крити
ческой точки ki) и более низких температурах не |
будут отличаться |
от изотермических разрезов вторичной системы А - |
М - С, в которой |
роль одного из компонентов играет двойное конгруэнтно плавящееся соединение М (см. §43).
Представление о строении рассматриваемой системы в области расслоения дают также политермические разрезы. Один из таких
Рис. 129