3. Диаграммы состояния сплавов

- представляют собой графическое изображение фазового состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации компонентов.

Общие закономерности существования фаз в равновесных условиях в математической форме выражаются правилом фаз Гиббса:

С = К – F + 1,

где К – число компонентов, образующих систему; F – число фаз; С – число степеней свободы.

Под степенями свободы понимают внешние и внутренние факторы (температура, концентрация), которые можно изменять, не выводя систему из данного фазового состава.

При построении диаграмм состояния используют кривые охлаждения сплавов, полученные при термическом анализе.

Температуры, при которых изменяется строение металлов и сплавов, называются критическими точками. При плавлении и затвердевании чистые металлы имеют одну критическую точку, а сплавы – две, между которыми имеют место жидкая и твердая фазы.

Однокомпонентная диаграмма представляет собой температурную шкалу с нанесенными на нее точками фазовых превращений.

Двухкомпонентная диаграмма помимо температурной оси имеет ось концентраций. Один конец оси абсцисс соответствует чистому компоненту, например А, другой – В. Все промежуточные точки оси соответствуют сплавам с различными соотношениями компонентов.

1. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (сплавы твердые растворы)

Сначала получают термические кривые. Полученные точки переносят на диаграмму, соединив точки начала кристаллизации сплавов и точки конца кристаллизации, получают диаграмму состояния.

B

І

Т, °С Т,°С І

1 b

1 1

С= 2-2+1=1 ж. р-р

p m q

A c ж + α

2 2

1 1′ a d

α – тв. р-р

время А 30 40 50 60 70 В

В

Анализ диаграммы:

1. Количество компонентов: К =2 (компоненты А и В).

2. Число фаз: F = 2 (жидкая фаза – Ж, кристаллы твердого раствора α).

3. Основные линии диаграммы:

• acb – линия ликвидус, выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии;

• adb – линия солидус, ниже этой линии сплавы находятся в твердом состоянии.

4. Характерные сплавы системы:

Чистые компоненты А и В кристаллизуются при постоянной температуре. Остальные сплавы кристаллизуются аналогично сплаву І.

Процесс кристаллизации сплава І: до точки 1 охлаждается сплав в жидком состоянии. При температуре, соответствующей точки 1, начинают образовываться центры кристаллизации твердого раствора α. На кривой охлаждения отмечается перегиб (критическая точка), связанный с уменьшением скорости охлаждения вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации. На участке 1-2 идет процесс кристаллизации, протекающий при понижающейся температуре, т.к. согласно правилу фаз число степеней свободы равно 1 (С = 2-2+1=1). При достижении температуры, соответствующей точке 2, сплав затвердевает, при дальнейшем понижении температуры охлаждается сплав в твердом состоянии, состоящий из однородных кристаллов твердого раствора α.

А(В)

Схема микроструктуры сплава - однородного твердого раствора

5. Количественный структурно-фазовый анализ сплава.

Пользуясь диаграммой состояния можно для любого сплава при любой температуре определить не только число фаз, но и их состав и количественное соотношение. Для этого используется правило отрезков. Для проведения количественного структурно-фазового анализа через заданную точку проводят горизонталь (коноду) до пересечения с ближайшими линиями диаграммы (ликвидус, солидус или оси компонентов).

• Определение состава фаз в точке m:

Для его определения через точку m проводят горизонталь до пересечения с ближайшими линиями диаграммы: ликвидус и солидус.

Состав жидкой фазы определяется проекцией точки пересечения горизонтали с линией ликвидус р на ось концентрации.

Состав твердой фазы определяется проекцией точки пересечения горизонтали с линией солидус q на ось концентрации.

Состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус, а состав твердой фазы – по линии солидус.

С понижением температуры состав фаз изменяется в сторону уменьшения компонента В.

• Определение количественного соотношения жидкой и твердой фазы при заданной температуре ( точке m):

Количественная масса фаз обратно пропорциональна отрезкам проведенной коноды.

Количество всего сплава (Q_сп)определяется отрезком pq.

Отрезок, прилегающий к линии ликвидус pm, определяет количество твердой фазы.

Q_тв = *100%

Отрезок , прилегающий к линии солидус (или к оси компонента) mq, определяет количество жидкой фазы.

Q_ж = *100%