III. Примеры построения и разбора диаграмм двухкомпонентных систем

3.1. Пример построения диаграммы с нонвариантным эвтектическим превращением

Рассмотрим диаграмму системы Pb - Sb. При 250^оС в сплаве с 17,5% Sb протекает эвтектическое превращение с образованием твердого раствора α (6 ат. % Sb, остальное – Pb) и β (2 ат. % Pb, остальное – Sb). При 20 ^оС растворимость в обоих растворах практически равно нулю. Температура плавления свинца – 327 ^оС, сурьмы – 631 ^оС.

Для построения диаграммы по описанию выбираем масштаб по оси температур и концентраций (рис. 3.1.). Намечаем линию, соответствующую эвтектическому превращению (пунктирная линия) и точки (C, E и D), соответствующие равновесным фазам нонвариантного эвтектического превращения. Отмечаем температуры плавления компонентов и точки, соответствующие минимальной растворимости компонентов в α- и β-фазах при 20 ^оС.

Рис. 3.1. Схема построения диаграммы равновесия системы Pb-Sb c эвтектическим превращением

Строим линию ликвидуса АЕВ соединяя плавной линией точки плавления свинца и сурьмы с точкой Е. Затем строим линию солидуса АСЕDВ, соединяя точки А и В (температуры плавления компонентов) с точками С и D, проведя через точки С, Е и D горизонтальную линию эвтектического превращения. Затем проводим линии сольвуса – линии ограниченной растворимости в твердом состоянии сурьмы в свинце (Сс) и свинца в сурьме (Dd).

3.2. Пример построения диаграммы с нонвариантным перитектическим превращением

Построение диаграммы Cu – La в области сплавов LaCu₅ - LaCu₂ с нонвариантными перитектическим и эвтектическим превращениями. При 785 ^оС происходит перитектическое превращение по реакции (LaCu₅)_{17% La} + Ж ↔ (LaCu₄) _{20% La}. При 723 ^оС происходит эвтектическое превращение по реакции Ж_{27% La} ↔ LaCu₄ + (LaCu₄) _{33% La}.

Температуры плавления устойчивых химических соединений LaCu₅ и LaCu₂ соответственно равны 913 и 834 ^оС.

Построение начинаем с выбора масштаба осей температуры и концентрации (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Схема построения диаграммы равновесия системы Cu-La с перитектическим и эвтектическим равновесием

Затем проводим вертикальные линии, соответствующие химическим соединениям LaCu₅, LaCu₄ и LaCu₂. Отмечаем температуры плавления устойчивых химических соединений и намечаем линии нонвариантных превращений. Отмечаем перитектическую (Р) и эвтектическую (Е) точки. Соединяем плавными линиями точки ликвидуса А, Р, Е, В. Проводим горизонтальные линии перитектического и эвтектического превращения и вертикальные лини, соответствующие химическим соединениям. Указываем фазовый состав во всех областях.

3.3. Определение химического состава сплава и соотношения фаз (или структурных составляющих)

На практике, используя правило отрезков, можно приближенно рассчитать химический состав сплава по соотношению основных структурных составляющих, определяемых при микроструктурном анализе. Например, требуется определить химический состав сплава системы свинец–сурьма (рис. 3.3), если известно, что соотношение структурных составляющих (эвтектики и избыточной β-фазы) при температуре 20 ^оС равно 1:2 или 33:67 (в долевых %).

Определим на диаграмме концентрационную область существования искомого сплава С_х по его основным структурным составляющим эвтектике и β-фазе. Область с такими структурными составляющими расположена между точками Е и D, то есть 17,3 < С_х<98%. Затем при 20 ^оС проводим коноду, концы которой ограничиваются данными концентрациями. Строим схему рычага и, пользуясь правилом отрезков, запишем соотношение:

Q_Э∙ EK= Q_β∙KD, или Q_Э / Q_β= KD∙ EK

Находим длины отрезков через концентрации сплавов: KD=98% – С_х EK= С_х –17,5%. Откуда Q_Э / Q_β =98% – С_х / С_х –17,5%=1/2 из условия задачи. Решая это равенство относительно С_х, получим состав сплава: ~71% Sb, остальное – Pb.

Для найденного состава сплава определим соотношение фаз α и β при 150 ^оС. Для этого проведем коноду через точку k´ до пересечения с ближайшими линиями на диаграмме (точки c´ и d´). Определяем химический состав фаз α (содержит 4% Sb, ост. Pb) и β (99% Sb, ост. Pb). Строим схему рычага и записываем соотношение Q_α /Q_β = k´d´/c´k´. Выражаем длины отрезков через концентрации сплавов, тогда Q_α /Q_β = 99 –71(%) / 71– 4(%) = 28/67. В долевых процентах Q_α и Q_β соответственно равны 29,5 и 70,5 %.

Правило отрезков можно применять для построения зависимости весовой доли какой-либо фазы от состава сплава при данной температуре или ее же от температуры для рассматриваемого сплава. На рис. 3.4 приводится зависимость весовой доли фазы Al₂Li от состава сплава Al - Li при 300 ^оС.

Графическое изображение такой зависимости дает возможность определить долю конкретной фазы в двухкомпонентной системе при определенной температуре.

На рис. 3.5 построена температурная зависимость равновесного количества β-фазы системы Pb - Sb в сплаве с 60% Sb, остальное – Pb.

Рис. 3.3. Зависимость весовой доли фазы Al₂Li от состава сплава Al-Li при 300 ^оС.

Рис. 3.5. Температурная зависимость равновесного количества β-фазы системы Pb–Sb в сплаве с 60 % Sb, остальное – Pb

Построение таких зависимостей позволяет для конкретного сплава определить соотношение фаз при любой температуре.

Рис. 3.3 Диаграмма равновесия системы Pb – Sb, кривые охлаждения сплавов

с 4 (а), 13.5 (б) и 60 (в) % Sb, реакции превращения и применение правила отрезков