
- •Кафедра «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы» разбор диаграмм состояния двойных сплавов
- •Теоретическая часть
- •1.Правило фаз
- •2. Строение сплавов
- •3. Типовые диаграммы состояния
- •3.1. Диаграмма состояния систем, образующих неограниченные твердые растворы
- •Правило отрезков
- •Диаграмма состояния эвтектического типа с отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии
- •3.3. Диаграмма состояния эвтектического типа с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии
- •Фазовые превращения при охлаждении сплавов
- •3.4. Диаграмма состояния для сплавов с промежуточной фазой
- •Практическая часть оборудование и образцы
- •Задание
- •4. Методические указания
- •Кривая охлаждения
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •Диаграммы состояния двойных сплавоb
- •Варианты заданий
- •Разбор диаграмм состояния двойных сплавов
- •443100. Г. Самара, ул. Молодогвардейская, 224, Главный корпус
3.3. Диаграмма состояния эвтектического типа с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии
Компоненты: вещества А и В.
Характеристика диаграммы (рис. 5): оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии; ограниченно – в твердом и не образуют химического соединения.
При добавлении компонентов А и В одного к другому происходит снижение температур начала и конца кристаллизации сплава, в результате чего при некоторой температуре tE жидкость LE оказывается в эвтектическом равновесии с αС - и βD-твердыми растворами, то есть LE αС + βD.
Фазы: жидкость L, твердые растворы α и β.
Точки: А′ – температура плавления и кристаллизации компонента А; В′ – температура плавления и кристаллизации компонента В; Е– точка эвтектики; C – точка предельной растворимости компонента В в А; D – точка предельной растворимости компонента A в B; F – точка предельной растворимости компонента В в А при комнатной температуре; G – точка предельной растворимости компонента A в В при комнатной температуре.
Линии: А′Е В′ – ликвидус; А′CEDВ′ – солидус; CF – линия сольвуса – линия предельной растворимости В в А; DG – линия сольвуса – линия предельной растворимости А в В; CED – линия эвтектического превращения.
Эвтектическое равновесие для данной системы представляет собой равновесие жидкости эвтектического состава (LE) с твердыми кристаллами α- и β-растворов при эвтектической температуре tE:
LE αС + βD.
Рис. 5. Диаграмма состояния эвтектического типа с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии
Фазовые превращения при охлаждении сплавов
Сплав N (рис. 6, а). Анализ фазовых превращений и построение кривой охлаждения для сплава N проводится аналогично рассмотренному ранее примеру в подразделе 3.1.
На кривой охлаждения будет два перегиба (рис 6, б). Окончательная микроструктура сплава N представляет собой однородный α-твердый раствор (схематическое изображение трансформации структур см. рис.6, б).
Аналогичные фазовые превращения будут иметь место в сплавах, с содержанием компонентов левее точки G. Кристаллизующейся фазой будет β-твердый раствор.
а
б в г
Рис. 6. Диаграмма состояния (а) и кривые охлаждения и трансформация структур сплавов N, M, S (б-N, в-M, г-S)
Сплав M (см. рис. 6, а):
При охлаждении из жидкого состояния до температуры начала кристаллизации t3 (точка 3) число степеней свободы С=2. Идет простое охлаждение жидкости Lм.
При охлаждении в интервале от t3 до t4 (точка 4) число степеней свободы С=1. Происходит кристаллизация: выделяются кристаллы α-твердого раствора, состав которого изменяется по кривой солидуса 3' – 4, а состав жидкости – по кривой ликвидуса 3 – 4′: L3–4′
α3'–4.
При охлаждении от точки 4 до точки 5 число степеней свободы С=2. Идет простое охлаждение сплава, состоящего из α-твердого раствора
При температуре ниже t5 (точка 5) число степеней свободы С=1 – начинается вторичная кристаллизация (перекристаллизации): растворимость компонента В в α-растворе уменьшается, поэтому из α-раствора выделяется избыточный компонент В в виде β-твердого раствора. Кристаллы β, выделившиеся из твердого раствора, называют вторичными, их обозначают символом βII в отличие от первичных, выделившихся из жидкости.
В
рассматриваемом сплаве процесс вторичной
кристаллизации (перекристаллизации)
протекает в интервале температур от
точки
5 до
точки 6
(tком).
При этом состав α-фазы
меняется по кривой сольвуса 5-F,
вследствие выделения кристаллов
β-концентрации
5′–G:
α5-F
β5′–G
.
Окончательная микроструктура сплава M будет состоять из первичных α-кристаллов и вторичных βII-кристаллов, которые, как правило располагаются по границам первичных кристаллов, а иногда и внутри кристаллов (схематическое изображение рис. 7). Трансформация структур при охлаждении сплава М приведена на рис 6, в.
Рис.7. Схематическое изображение вторичных кристаллов
Количество кристаллов βII по мере охлаждения увеличивается и характеризуется длиной соответствующего горизонтального отрезка, проведенного от вертикали М-M до линии 5–F. Например, при температуре k сплав состоит из двух фаз α и βII. Состав α-фазы определяется проекцией точки m, а βII – проекцией точки n. Процентные доли фаз при температуре tk составят:
Qαm
;
Qβn
.
На кривой охлаждения будет три перегиба (см. рис. 6, в).
Аналогичные фазовые превращения будут иметь место в сплавах, с содержанием компонентов от точки D до точки G. При первичной кристаллизации будут выделяться кристаллы β-твердого раствора, а при вторичной кристаллизации – αII.
Сплав S (доэвтектический):
1. До температуры точки 7 сплав находится в жидком состоянии (С=2).
2.
В точке 7
из жидкости начинают выделяться кристаллы
α-твердого
раствора (С=1). При понижении температуры
от точки 7
до точки 8
идет кристаллизация L7–E
α7'–C
3.
При достижении эвтектической горизонтали
DEC
(точка 8)
сохранившаяся жидкость эвтектического
состава, определяемого точкой Е,
претерпевает эвтектическое превращение
– из неё выделяются одновременно
кристаллы двух твердых растворов:
LЕ
αC+βD.
Реакция
нонвариантная, так как при двух компонентах
в реакции участвуют три фазы: жидкость,
α-кристаллы,
β-кристаллы
(С=К+1–Ф=2(А,
В)+1–3(L,
α,
β)=0).
Сплав приобретает структуру, состоящую
из первичных α-кристаллов
и эвтектики (α+β).
4.
При дальнейшем охлаждении от точки 8 до
точки 9 вследствие изменения растворимости
α-кристаллы
выделяют вторичные кристаллы βII.
Аналогично вследствие изменения
растворимости β-кристаллов
выделяются вторичные кристаллы αII,
которые,
однако, структурно не выявляются, так
как сливаются с α-кристаллами первичными.
При комнатной температуре α-кристаллы
(первичные, вторичные и входящие в
эвтектику) будет иметь состав, отвечающий
составу точки F,
а
β-кристаллы
состав, отвечающий составу точки G.
Реакция перекристаллизации будет иметь
вид: αС-F
βD–G
.
Окончательная микроструктура сплава S будет состоять из α+эвтектика(α+β)+βII (схематическое изображение рис. 8).
Рис.8. Схематическое изображение возможных вариантов структур доэвтектических сплавов
На кривой охлаждения сплава S будет два перегиба и одна горизонтальная площадка (см.рис. 6, г).
Заэвтектические сплавы (расположенные правее эвтектической точки Е до точки D) претерпевают аналогичные фазовые превращения с тем отличием, что при первичной кристаллизации выделяются кристаллы β-твердого раствора, а при вторичной кристаллизации – αII, и соответственно структура сплавов при комнатной температуре состоит из кристаллов β+эвтектика (α+β)+αII ( см. рис 8).
В эвтектическом сплаве состава точки Е кристаллизация жидкости протекает сразу же по эвтектической реакции, и окончательная структура состоит только из одной эвтектики (α+β). Вторичные кристаллы αII и βII структурно выявляться не будут, так как сольются с α- и β- кристаллами эвтектики.
Эвтектика может иметь пластинчатое, зернистое, скелетное или игольчатое строение (рис. 9).
Микроструктуры доэвтектического и заэвтектического сплава системы Pb-Sb приведены на рис. 10