Министерство образования Российской Федерации

Саратовский государственный технический университет

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ

И КОНЦЕНТРАЦИИ КОМПОНЕНТОВ В СПЛАВАХ

Методические указания

к выполнению лабораторной работы по курсам

«Материаловедение», «Технология конструкционных материалов»,

«Электротермические процессы и установки»

для студентов специальностей 180500,100400

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

Саратов 2001

Цель работы: ознакомиться с диаграммами состояния реальных двойных систем и приобрести практические навыки изучения превращений, происходящих в сплавах.

Основные положения

Диаграммы состояния имеют большое практическое значение, так как позволяют качественно характеризовать многие физико-химические, механические и технологические свойства сплавов. '>го, в свою очередь, позволяет рационально подойти к выбору материалов для изготовления различных изделий.

Практически для всех пар компонентов (химических элементов) экспериментально построены диаграммы состояния сплавов.

Диаграммы состояния двойных сплавов строятся в координатах температура-концентрация компонентов. Линии, соединяющие точки аналогичных превращений в системе, разграничивают области существования равновесных фаз. Под фазой понимается совокупность однородных частей сплава, одинаковых по всем свойствам.

На диаграммах состояния указаны области жидких и твердых фаз, а также двухфазные области. Твердые фазы могут быть чистыми компонентами, химическими соединениями компонентов или твердыми растворами на основе компонентов или химических соединений в зависимости от взаимоотношения сплавляемых компонентов.

На рис. I приведена диаграмма состояния двойных сплавов меди и никеля. Она состоит из двух линий. Верхняя линия диаграммы, выше которой сплавы находятся в жидком состоянии, называется линией ликвидус (жидкий). Эта линия - совокупность температурных точек начала кристаллизации сплавов.

Линия диаграммы, ниже которой сплавы находятся в твердом состоянии (закончился процесс кристаллизации) называется линией солидус (твердый). Но оси концентраций вправо увеличивается содержание Ni от 0 до 100%. Концентрация Сu, наоборот, увеличивается влево от 0 до 100%. Каждая точка на оси концентраций показывает полный химический состав сплава. Если, например, указано, что в сплаве содержится 30% Ni, значит остальное (до 100%) составляет Сu (такой сплав нанесен для примера на диаграмму).

Рис.I. Диаграмма состояния для случая неограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии

1. Типы диаграмм состояний

Тип диаграммы состояния зависит от характера взаимодействия компонентов в сплавах данной системы и дает возможность предвидеть характер изменения структуры и свойств сплавов в равновесном, литом, деформированном и термически обработанном состояниях.

Можно выделить следующие основные типы диаграмм состояния (рис.2,вверху):

- с отсутствием растворимости в твердом состоянии (рис.2,а);

- с полной растворимостью в твердом состоянии (рис.2,6)

- с ограниченной растворимостью в твердом состоянии (рис.2,в);

- с образованием устойчивого химического соединения (рис.2, г)

Рис.2. Типы диаграмм состояния и свойства сплавов (внизу)

3. Методы анализа диаграмм

По диаграмме состояния для любого сплава при любой температуре можно определить фазовый состав, химический состав фаз, их количественное соотношение, изменения структуры при нагреве и охлаждении. Для этого используют правило отрезков и правило фаз.

Правило отрезков применяется в двухфазных областях и состоит из двух положений. Во-первых, как определить химический состав равновесных фаз и, во-вторых, как определить весовые количества этих фаз. Например, если мы рассматриваем сплав X в двухфазной области (рис.4) при температуре t| (точка х), то через точку х проводим горизонтальную линию до пересечения с линиями диаграммы, ограничивающими двухфазную область (в данном случае линию cd). Слева - область а- твердого раствора, справа - область жидкого раствора. Вот эти две фазы и находятся в равновесии в рассматриваемой двухфазной области.

Рис. 4. Диаграмма состояния с ограниченной растворимостью в

твердом состоянии

Проекции точек пересечения с и d на ось концентраций (С и Д) показывают химический состав сосуществующих фаз (α- твердого

раствора и жидкого раствора).

Если требуется определить весовое количество фазы в сплаве при заданной температуре, нужно разделить длину отрезка, противолежащего составу этой фазы, на общую длину отрезка. Так, весовое количество кристаллов твердого раствора в сплаве X (рис.4)в точке х равно

Правило фаз используют для анализа кривых охлаждения сплавов. Кривые охлаждения строят в координатах температура - время.

Для конденсированной системы (где нет паровой фазы) правило фаз можно записать так:

С = К- Ф + I

где К -число компонентов системы;

Ф -число фаз, находящихся в равновесии в данном сплаве при заданной температуре;

С -число степеней свободы, т.е. число независимых термодинамических параметров системы (температура и химический состав равновесных фаз-это и есть два параметра), при произвольном изменении которых в некотором интервале значений не исчезают старые и не проявляются новые фазы.

При С = 1 и С = 2 на кривой охлаждения наблюдается непрерывное понижение температуры с точками перегиба в критических температурных точках диаграммы. Например, в сплаве X (рис.4) при температуре t₁° двухфазное состояние (Ж+α), поэтому имеется только одна степень свободы:

С₁ = 2- 2 + I = I.

Это означает, что при охлаждении сплава в области температур между ликвидусом и солидусом температура его понижается, т. с. температура - независимая переменная. Но химический состав а -твердого раствора и .жидкого раствора не может изменяться произвольно. Для каждой температуры он устанавливается вполне определенный. Так, при температуре t₁ состав жидкой фазы описывается точкой Д на оси концентраций, а при температуре Ц химический состав жидкого раствора описывается точкой Е, т.е. это будет уже жидкость эвтектического состава. При этой температуре на кривой охлаждения наблюдается горизонтальная площадка, т.к. температура сплава некоторое время (пока идет кристаллизация эвтектики) не изменяется, несмотря на то, что от сплава отбирается тепло. При этой температуре число степеней свободы Сэ = 0, т.к. в равновесии при эвтектическом превращении находятся три фазы (жидкая и две твердые). Когда вся жидкость затвердеет, останутся только две твердые фазы (а и В), появится одна степень свободы и температура будет понижаться ниже t_э (рис. 5).

На кривой охлаждения при температуре t_α наблюдается точка перегиба, связанная, с кристаллизацией второй фазой - a - твердого раствора. В связи с выделением скрытой теплоты кристаллизации скорость охлаждения сплава уменьшается.

Рис.5. Кривая охлаждения сплава, X