4. Диаграммы фазового равновесия двойных систем (диаграммы состояния)

Диаграммы фазового равновесия (диаграммы состояния) - это графиче­ское изображение фазового состава сплава в условиях равновесия в зависимо­сти от температуры и химического состава сплава.

ФАЗОВОЕ РАВНОВЕСИЕ

Закономерности существования фаз в состоянии равновесия оп­ределяет правило фаз Гиббса С = К – Ф + 1 (Р = const). С – число степеней свободы (число внешних (Т⁰) и внутрен­них (состав) факторов, которые можно изменять, не меняя фазо­вого равновесия); К – число компонентов; Ф – число фаз;

при К = 2, Ф = 3→С = 0 – нонва-риантное равновесие;

Ф = 2→С = 1

моновариантное

Ф = 1→С = 2

равновесие

Условие равновесия – минимум сво­бодной энергии Гиббса

С_α, С_β - составы равновесных фаз

Диаграммы состояния строят экспериментально по кривым охлаждения сплавов. На кривых охлаждения определяют критичес кие то ч к и – те м пе р а -туры перегиба или площадки на кривой, связанные с те пл о в ым эффектом фазового превращения. По ним определяют температуру превращения.

20

ТИПЫ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ

К омпоненты н еограни-ченно растворяются как в жидком, так и в твердом состоянии.

А₁1В₁ ла

линия Т нача-крис тал лиз ации сплавов - ликвидус. А₂2В, - линия Т^и конца кристаллизации спла­вов - солидус. В структуре любого сплава этой системы - у твердый раствор ком­понентов А и В друг в друге.

Схема микрострукту­ры /твердого раствора

Компоненты ограни­ченно растворимы друг в друге в твердом со­стоянии и кристалли­зуются с образованием эвтектики.

а - ограниченный твер­дый раствор В в А. Предельная раствори­мость изменяется по линии СF.

р - ограниченный твер­дый раствор А в В. Предельная раствори­мость изменяется по линии DG.

При температуре t_е и концентрации е обра­ зуется эвтектика - смесь кристаллов двух фаз, одновременно кри­ сталлизующихся из жидкости по эвтек­ тической реакции.

Схема структуры эв­тектического сплава

Ь_е-^а_с+р_Д.

Компоненты зуют друг

обра-с другом химическое соедине­ние А_mB_n.

А_mB_n – устойчивое химическое соеди­нение, образующееся при химическом со­ставе сплава, кото­рый отвечает то ч к е

Д⁷.

а - ограниченный твердый раствор

В(А).

р - ограниченный твердый раствор

А(В).

у - ограниченный твердый раствор на базе решетки хими­ческого соединения АщВп.

21

ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ

В данной системе структура формируется в результате перитектической реакции -выделившиеся из жидкости кристаллы а раствора взаи­модействуют с жидкой фа­зой, образуя новую |3 фазу.

При температуре 1185⁰С происходит перитектиче-ская реакция

11 85 С

L_c + а_а > р_ь

а - твердый раствор на базе решетки Pt;

р - твердый раствор на базе решетки Ag.

Компоненты имеют полиморфное превраще­ние – изменение типа кристаллической ре­шетки при определенной температуре. По­лиморфное превращение вызывает фазовые превращения в тв е р д о м состоянии.

М$ще&тр$ций 8, %

в)

а) полиморфное превращение

А* о А т ; В_а о В_р;

Т

_А

б) эвтекоидное - распад Р тве рдого раствора

->a_d + а _е.

в) перитектоидное

Гр+Рс

т

>^ак

22

J ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ И СВОЙСТВА СПЛАВОВ

Свойства сплавов за­висят от их состава с максимум или мини­мум при составе спла­ва 50 % А и 50 % В.

Свойства меняются в зависимости от состава по кривой линии в области тв е р д ых растворов и по линейному за­кону в двухфазной области.

Свойства сплавов ха­рактеризуются нали­чием максимума при составе сплава, обра­зующего химическое с оединение.

Х имический состав фаз любого сплава системы можно определить с по­мощью каноды, а их количество – по правилу рычага.

Пр а в ил о рычага с – то ч к а сплава; acd – канода;

b^/ - состав жидкой фазы, L; a^/ - состав тв е р д о й фазы, α; Q_L – ac/ad⋅100% - количе­ство жидкости, %; Q_α = cd/ab⋅100 % - количе­ство α фазы, %.

23

ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ПО ТЕМЕ

52. Что представляют из себя диаграммы состояния, почему их называют равно­весными?

53. Что так о е компонент сплава?

54. Что та к о е кривая охлаждения; критичес кая то ч к а , что она показывает?

55. Что так о е эвтектика, при каких условиях она образуется?

56. Что та к о е перитектическое превращение?

57. Какие линии диаграммы носят название ликвидус и солидус, линии предель­ной растворимости?

58. Как повлияет на тв е р д о с ть сплава появление в его структуре химического со­единения?

59. Что так о е эвтектоид, каковы условия его образования?

60. Что так о е полиморфное превращение, как оно представлено на диаграммах состояния?

10. Как зависит изменение свойств сплавов от типа диаграмм состояния?

ЗАДАЧИ

Задача № 1

На рис. 5 представлена диаграмма состояния двух компонентов, кристал­лизующихся с образованием эвтектики. Расставить фазы и определить структу­ру сплавов при Т⁰_ком. Зарисовать структуру сплавов при Т⁰_ком. (сплавы 20 % В, 50 % В, 80 % В).

Рис.5 Задача № 2

Для сплава 1 (рис. 5) по дс читать количество фаз и структурных состав­ляющих при температуре t_е.

24

Задача № 3

Определите фазы в сплавах, строение которых показано на рис. 6.

1ТСКТИ] Рис. 6

Задача № 4

Как изменится химический состав фаз в процессе кристаллизации сплава 1 (рис. 7)?

Задача № 5

Рис. 7

Постройте кривую охлаждения сплава 1 (рис. 7) и проверьте ее по прави­лу фаз Гиббса. Объясните полученные значения числа степеней свободы на разных этапах охлаждения.

25