книги из ГПНТБ / Бунин К.П. Анализ фазовых равновесий и кристаллизации металлических сплавов учеб. пособие по курсу Металлография

ЭКЗЕМПЛЯР

j ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА

П Р Е Д И С Л О В И Е

Настоящее учебное" пособие предназначается для студентов ме- -аллургг-ч, литейщиков, физхиников и термистов, изучавши метал­ лографию. Согласно учебным планам этих спепиальностей металлогра­ фии предшествуют физика, химия и физическая химия. Б связи с этим азучениэ металлографии представляет собою звено в непрерывной фи­ зико-химической подготовке студентов, которая завершается при чте-

зш спецкурсов, также базирующихся на физико-химических закономер­ ностях.

"чебное пособие освещает два важных вопроса металлографии - анализ фазовых равновесий в металлических сплавах и анализ про­ весов кристаллизации.

Для тесной увязки учебного пособия с предшествующими фвзикотшдоческими дисциплинами в приложении напоминаются термодинами­ ческие закономерности, лежащие в основе анализа фазовых равнове­ сий. 3 9 5 1 и 2 анализируются основные (для металлических сплавов) :иагоаммы фазовых равновесий и методы их построения. В 9§ 3-8 рас- :матв*вается микроскопическая картина пропессов кристаллизации, зстмчаюшихся в металлических сплавах.

чеонов пособие рекомендуется в первую очередь студентам ве- ^етжюсам и заочникам. Оно будет полезно и для студентов дневников, благодаря детализации анализа диаграмм фазовых равновесий и прев­ ращений в металлических сплавах настоящее пособие облегчит р^оо-

"V студентов над рекомендуемыми книгами по металлографии К.Л.Буни­ на, д..А.Баранова и Б.Г.Лившица.

I Ч А С Т Ь

ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВАХ.

§I . ДИАГРАМШ ФАЗОВЫХ РАВНОВЕСИЙ МЕТАЛЛОВ

ИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ.

Влияние термодинамических параметров на состояние металлов и сплавов графически представляют в виде диаграмм фазового равнове­

сия. На них указывают фазовые состояния металлов или сплавов в рав­ новесных условиях при разных давлениях, температурах и составах.

Диаграммы однокомпонентных систем обычно строят в координатах

давление - температура. Влияние третьего параметра - объема можно определить по известным уравнениям состояния. На рис. 1,а представ­ лена диаграмма состояния мономорфного металла.

Диаграммы состояния систем из двух компонентов изображается

обычно для постоянного (атмосферного) давления. На горизонтальной оси откладывают состав, на вертикальной - температуру (рис. 1,6). Крайние вертикали диаграмм соответствуют чистым компонентам. Ба этих вертикалях отмечают температуры фазовых равновесий для компо­ нентов А и Б. Сплав С 0 состоит из а* компонента А и /Ю0-а/# компо­ нента Б. Все поле диаграммы разделено на области, которые соответ­ ствуют однофазному или двухфазному состояниям сплава.

Выше линии Тй /1 Тб /линии ликвидус/ все сплавы находятся в

состоянии жидкого раствора. В этих условиях (см.приложение) систе­ ма имеет две степени свободы /0=2+1-1=2/. В области, заключенной между линиями ликвидус и сслидус, сплавы находятся в двухфазном

состоянии этой области система имеет одну степень

свободы / C=2+I-<i=I/: произвольно может быть выорана либо темпера­ тура, либо состав одной из фаз. При изменении температуры составы сосуществующих в равновесии фаз могут быть определены проекциями на горизонтальную ось точек пересечения изотермы с линиями дикви-

- 7 -

ставить как состоящие из нескольких простых. Рассмотрим основные ти­ пы простых диаграмм состояния, характерных для металлических спла­ вов.

Вид кривых изменения термодинамического потенциала фаз зависит

JT многих факторов (см. приложение). Влияние, например, температуры Т и давления Р на термодинамический потенциал характеризуется равенством:

С изменением этих параметров испытывает изменение и термодинамиче­ ский потенциал. Но это изменение для разных фаз различно. В зависи­ мости от положения и вида кривых изменения термодинамического потен­ циала каждой Фазы диаграмма состояния системы приобретает ту или иную форму.

На рис. 2 представлены кривые изменения термодинамического по­ тенциала /а - в/ и диаграмма состояния /г/ мономорфного металла. Пои Р=Рт /рис. 2,а/ кривые изменения термодинамического потенциала фаз пересекаются в трех точках. При Т=Т3 пересекаются кривые для кристаллов и жидкости. Поскольку при этой температуре химические

потенциалы атомов в кристаллической и жидкой фазах одинаковы / / ^ j c =

~' м е т а л л может состоять из жидкости и кристаллов (см.прило­

жение). Температура Т 3 соответствует температуре плавления металла при давлении Рт . Ниже Т 3 устойчиво твердое состояние, ибо термоди­ намический потенциал кристаллического металла ниже, чем жидкого или газообразного. При температурах, лежаших выше Т 3 , устойчиво жидкое состояние металла. Однако термодинамичэский потенциал жидкого метал­ ла минимален лишь пт температурах, не превышающих Tg, при кото-

г- --roie л я jatbKocTH пересекается с кривой для газообразного

- 9 -

металла. При Tg одинаковы химические потенциалы атомов жидкости

и газа / А^ж = ftr I и эти оое фазы сосуществуют в равнове­

сии друг* с другом. Температуру принимают за температуру ки­

пения при давлении Pj . Выше Tg устойчиво газообразное состояние металла.

При давлении Pj кривые изменения термодинамических потенциа­

лов кристаллической и газообразной фаз пересекаются при темпера­ туре Т4 . потенциал их выше, чем жидкой Лазы, и в условиях ста­ бильного состояния металл будет находиться в виде жидкости. Тем­ пературная зависимость термодинамического потенциала металла при давлении Pj в условиях стабильного состояния показана жирной кри­ вой.

По меое понижения давления - кривые опускаются, однако

темп снижения для разных фаз различен и зависит от молярного

объема фаз. Объем газообразного металла больше, чем жидкого и кристаллического и кривая для газа опускается интенсивнее. При не­ котором давлении Р 0 все три кривые пересекутся в одной точке, со­ ответствующей температуре 'fg /рис. 2,6/. Точку пересечения 17

называют тройной. При Р = Р 2 и Т = Т 2 химические потенциалы ато­ мов во всех трех фазах одинаковы IJ^* - = J^r'/и в атих

условиях могут сошествовать все три оразы. При Т ниже Т 2 устойчиво кристаллическое состояние, при Т выше Т 2 - газообразное. При даль­ нейшем понижении давления продолжается интенсивное опускание кри­ вой для газообразного металла. Кривая изменения сЗ~ жидкости оказывается выше кривых для кристаллов или газа. При Р '.= Р3 . . /рис. 2,в/, Jg£ - кривые для кристаллов и газа пересекаются при Т = T j , при которой одинаковы химические потенциалы газообраз­ ного и кристаллического металла. Ниже Tj устойчиво кристаллическое состояние, выше T j - газообразное.

- 10 -

Условия / Р,Т /, при которых одинаковы химические потенциалы атомов в фазах, можно указать на диаграмме, построенной в коор­ динатах Р - Т.

Диаграмма состояния мономорфного металла приведена на ряс. 2,г. Все поле диаграммы разделено на три части, соответствуйте кристаллическому, падкому и газообразному состояниям. В каждой из этих однофазных областей можно независимо менять два параметра - давление и температуру, не вызывая изменения фазового состояния металла. В соответствии с правилом фаз число степеней свободы в этих областях равно двум / С = 1+2-1=2 /. В условиях, характери­ зующихся линиями, которые разделяют однофазные области, система имеет одну степень свободы / С = 1+2-2=1 / и независимым перемен­ ным может быть либо давление, либо температура. Если произвольно выбравь, например, давление сохранение двухфазного состояния метал­ ла возможно лишь при определенной температуре, которую определяют по диаграмме состояния. При условиях, соответствующих тройной точке 0 сосуществуют три фазы и система не имеет степеней свобо­ ды: три фазы равновесно сосуществуют лишь при определенных значе­ ниях давления /Р2 / и температуры /Т2 /. Подобное равновесие няанвают безвариантным.

На диаграмме состояния полиморфного металла имеются дополни­ тельные линии, разделяющие области, в которая устойчивы различные модификации металла. На рис. 3, а приведена диаграмма состояния полиморфного металла, обладающего двумя модификациями /Ъ.-оС * К-/51.

Справа от линии МН металл находится в состоянии высокотемпературной модификации - К- р . В условиях, характеризующихся линией МН, могут сосуществовать К- ai и К- В •

Изменение термодинамических потенциалов фаз при давлении Pj представлено на рис. 3,6. Поскольку низкотемпературная модифика-