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 ограничивающими данную двухфазную область (ликвидус, солидус или оси компонентов).

Правило отрезков может быть использовано только для тех областей диаграммы, в которых сплавы находятся в двухфазном состоянии.

Первое положение правила отрезков — определение состава фаз.

Необходимо определить состав фаз для сплава в точке m:

Через точку m проводим горизонтальную линию (коноду) до пересечения с ближайшими линиями диаграммы - это линии ликвидус и солидус.

Точки пересечения с и d проецируют на ось концентраций.

Проекция точки с – точка с' покажет состав твердой β-фазы (твердая фаза содержит ≈11%В и 89%А).

Проекция точки d – точка d ' покажет состав жидкой фазы (жидкая фаза содержит ≈ 44%В и 56%А).

Состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидуса, а состав твердой фазы – по линии солидуса.

С понижением температуры состав фаз изменяется в сторону увеличения содержания компонента В.

Пользуясь вторым положением правила отрезков, можно определить количественное соотношение фаз также для любой температуры

Необходимо определить количественное соотношения жидкой и твердой фазы при заданной температуре (в точке m):

Количественная масса фаз обратно пропорциональна отрезкам проведенной коноды.

Количество всего сплава (Q_сп) определяется отрезком cd.

Если принять, что отрезок cd выражает количество (Q_сп) всего сплава, то

- количеству выделившихся кристаллов β-твердого раствора (Q_тв) соответствует отрезок md,

- количеству жидкой фазы (Q_ж) - отрезок cm.

Для определения относительного количества фаз пользуются отношениями:

- относительное количество твердой фазы ;

- относительное количество жидкой фазы .

Лекция 5. Диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов

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

Полная взаимная растворимость металлов в твердом состоянии возможна лишь для изоморфных металлов. При их сплавлении образуется непрерывный ряд твердых растворов замещения (Cu-Ni).

Рис.5.1 Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (а); кривые охлаждения типичных сплавов (б)

Анализ диаграммы

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

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

3. Основные линии диаграммы:

• C1D – линия ликвидус, выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии;

• C2D – линия солидус, ниже этой линии сплавы находятся в твердом состоянии.

4. Характерные сплавы системы:

а) Чистые компоненты А и В кристаллизуются при постоянной температуре (кривые охлаждения сплавов I и II).

Кривая I (рис. 53) получена при охлаждении компонента А. Выше температуры 1 металл находится в жидком состоянии. Кристаллизация начинается при температуре в точке 1 и заканчивается через какое-то определенное время, зависящее от количества металла в тигле, в точке 1'.

Согласно правилу фаз С = К - Ф + 1 имеем: компонент 1 (металл А) фазы 2 (жидкий металл и образующиеся кристаллы А), следовательно, С = 1-2+1=0, т. е. кристаллизация должна происходить при постоянной температуре. Ниже температуры 1ʹ происходит только охлаждение кристаллов компонента А. Аналогично происходит охлаждение и кристаллизация компонента В (сплав III).

б) Остальные сплавы кристаллизуются аналогично сплаву II.

Процесс кристаллизации сплава I:

- При температурах выше т. 1 сплав находится в состоянии однородного жидкого раствора.

- При температуре, соответствующей т. 1, жидкий раствор становится насыщенным по отношению к α-фазе, начинают образовываться центры кристаллизации твердого раствора α. На кривой охлаждения отмечается перегиб (критическая точка 1), связанный с уменьшением скорости охлаждения затвердевающего сплава вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации.

- В интервале температур т.1–2 продолжается процесс кристаллизации, протекающий при понижающейся температуре. Согласно правилу фаз число степеней свободы С = 2-2+1=1 т.к. К=2, Ф=2 (жидкая и кристаллы твердого раствора α), поэтому кристаллизация сплавов должна происходить в интервале температур.

- При достижении температуры соответствующей т. 2, кристаллизация заканчивается и ниже этой температуры охлаждается насыщенный твердый раствор α без каких-либо превращений.

- При дальнейшем понижении температуры охлаждается сплав в твердом состоянии, состоящий из однородных кристаллов твердого раствора α.

Рис. 5.2. Схема микроструктуры сплава – однородного α -твердого раствора