bogodukhov_s_i_sinyukhin_a_v_kozik_e_s_kurs_materialovedeniy
.pdf
ОБУЧАЮЩАЯ ПРОГРАММА «ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ» 251
Рис. 10
Нажмите клавишу ПУСК.
Вопрос № 3
Какой из отрезков, нанесенных на диаграмму состояния (рис. 10), является конодой?
Ответы: a — b
c — d c — f c — g g — f
? 2 Неверно.
Попытайтесь определить, какая из приведенных ниже фраз харак теризует допущенную ошибку?
Выбранный отрезок не является конодой, так как…
1.Он лежит в однофазной области.
2.Он лежит не при одной определенной температуре, а в интервале температур.
3.Он пересекает несколько областей с различным фазовым составом. ? 2 Правильно. Попытайтесь еще раз отыскать коноду.
Нажмите клавишу ПУСК.
Вопрос № 3
Какой из отрезков, нанесенных на диаграмму состояния (рис. 10), является конодой?
Ответы: a — b
c — d
252 КУРС МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ
c — f c — g g — f
? 4 Правильно. Ответьте на следующий вопрос.
Нажмите клавишу ПУСК.
Вопрос № 4
Сплав содержит 40 % компонента B (рис. 11). Какова концен трация Bd в жидкой и твердой фазах этого сплава при температуре точки a?
Количество компонента B в жидкой фазе в процентах Вж ? 25. Количество компонента B в твердой фазе в процентах Вт ? 60. Правильно. Продолжайте изучение правил отрезков.
Нажмите клавишу ПУСК.
Из первого правила отрезков следует, что при кристаллизации по мере охлаждения сплава состав жидкой фазы меняется по линии лик видус, а твердой — по линии солидус.
Проследим, как меняется состав жидкой и твердой фаз сплава с 40 % компонента B при охлаждении его от линии ликвидус до линии солидус (от точки a до точки b на рис. 12).
В начальный момент кристаллизации из жидкости выделяются кристаллы, отвечающие по концентрации компонентов точке a (ли ния aa — конода). В конце кристаллизации состав твердой фазы оп ределяет точка b (линия bb также конода).
Аналогично жидкость в начале кристаллизации имеет концентрацию компонентов, определяемую положением точки a, а в конце — точки b .
Иначе говоря, по мере кристаллизации состав твердой фазы меня ется в соответствии с положением точек на дуге a b (по линии соли дус), а жидкости — на дуге ab (по линии ликвидус).
Рис. 11 |
Рис. 12 |
ОБУЧАЮЩАЯ ПРОГРАММА «ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ» 253
Нажмите клавишу ПУСК.
Второе правило отрезков.
Для нахождения количественного соотношения фазовых составляю щих сплава нужно через заданную точку, характеризующую состояние сплава (фигуративную точку), провести коноду. Отношение длины от резка, заключенного между фигуративной точкой и одним из концов коноды, к длине всей коноды численно равно относительному количе ству фазы, на границу с которой опирается второй конец коноды.
Рассчитаем количество жидкости и твердого раствора в сплаве с 40 % компонента B в точке a (см. рис. 11).
В точках a, c и d концентрация компонента B равна соответственно 40, 25 и 60 %. Тогда количество жидкости равно: L (60 40)/(6025) 0,571 или 57,1 %. Количество фазы: (40 25)/(60 25) 0,429, или 42,9 %.
Продолжим изучение типовых диаграмм состояния.
Многие сплавы при кристаллизации образуют механические сме си веществ. Кристаллизация двухкомпонентных сплавов, при кото рой из жидкости одновременно выделяются кристаллы двух фаз, на зывается электрической, а продукт кристаллизации — эвтектикой.
Нажмите клавишу ПУСК.
Вопрос № 5
При скольких степенях свободы протекает эвтектическая кристал лизация? Что означает это число?
Ответы:
1.Две степени свободы. Процесс протекает при переменных тем пературе и концентрации компонентов в соответствующих фазах.
2.Одна степень свободы. Температура и концентрация в сосуще ствующих фазах взаимосвязаны, т.е. изменение одного из параметров влечет за собой изменение другого.
3.Ноль степеней свободы. Кристаллизация протекает при постоянных температуре и концентрации компонентов в соответствующих фазах.
Введите номер правильного ответа (номера правильных ответов)
?3
Правильно. Продолжайте изучение диаграмм состояния.
Нажмите клавишу ПУСК.
У большинства сплавов эвтектической кристаллизации предшест вует выделение из жидкости одной из кристаллических фаз (чистого компонента, твердого раствора и др.)
Совокупность диаграмм сплавов такого типа образует диаграмму со стояния системы сплавов, называемую ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ
254 КУРС МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ
Рис. 13 |
Рис. 14 |
С ОТСУТСТВИЕМ РАСТВОРИМОСТИ КОМПОНЕНТОВ В ТВЕР ДОМ СОСТОЯНИИ.
Общий вид диаграммы представлен на рис. 13.
На диаграмме линия ACВ — ликвидус, DCE — солидус. Кристалли зация всех сплавов системы заканчивается при одной и той же темпе ратуре, соответствующей линии DCE, образованием механической смеси (эвтектики) из компонентов A и B.
В сплавах, лежащих левее точки С, эвтектической кристаллизации предшествует кристаллизация компонента A; в сплавах, лежащих пра вее точки С, — компонента B. Соответственно в областях ACD и CBE диаграммы помимо жидкой фазы присутствуют кристаллы компо нента A или B.
Сплав, соответствующий точке C, кристаллизуется без предвари тельного выделения какой либо фазы. Такие сплавы, кристаллизация которых начинается непосредственно с образования эвтектики, назы вают эвтектическими.
Нажмите клавишу ПУСК.
Нанесем на диаграмму состояния фигуративные линии трех спла вов: a–a , b–b и c–c (рис. 14). Фигуративной линией называется вер тикальная линия, проведенная по диаграмме состояния через точку, соответствующую заданной концентрации сплава. Фигуративная ли ния представляет собой совокупность фигуративных точек, через ко торые проходит сплав при его нагреве или охлаждении.
Кривые охлаждения этих сплавов показаны на рис. 15.
Нажмите клавишу ПУСК.
В сплаве a–a, лежащем левее точки C диаграммы, эвтектической кристаллизации (L A B) предшествует выделение из жидкости кристаллов компонента A (L A), в сплаве c–c, лежащем правее точ ки C, — кристаллов компонента B (L B).
ОБУЧАЮЩАЯ ПРОГРАММА «ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ» 255
Рис. 15
На кривых охлаждения a–a и c–c такой кристаллизации соответ ствуют участки 1–2.
Сплав b–b — эвтектический. На кривых охлаждения видно, что эв тектическая кристаллизация (L A B) протекает при постоянной температуре.
Нажмите клавишу ПУСК.
Вопрос № 6
Чем отличается жидкая фаза сплава a–a от жидкой фазы сплава c–c в момент начала эвтектический кристаллизации (рис. 16)?
Ответы:
1.Жидкости отличаются химическим составом.
2.В сплаве c–c больше жидкости, чем в a–a. Жидкость сплава a–a более бедна компонентом A.
3.В сплаве a–a больше жидкости, чем в c–c. Сплав c–c наполови ну состоит из жидкости.
4.Химический состав жидкостей в обоих сплавах одинаков.
?34
Правильно. Продолжайте изучение диаграмм состояния.
Рис. 16
256 КУРС МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ
Нажмите клавишу ПУСК.
Фазовый состав в большинстве случаев не дает в явном виде пред ставления о структурных изменениях, протекающих в сплавах при их нагреве или охлаждении. Структурный состав обычно сложнее фазо вого, включает в себя большее количество элементов.
В дальнейшем, по мере изучения новых типов диаграмм состоя ния, мы познакомились со многими видами структурных составляю щих, под которыми будем понимать обособленные части сплава, вос принимаемые при микроскопических исследованиях как самостоя тельные образования. Пока же будем иметь в виду, что к структурным составляющим относятся кристаллы, выделяющиеся из жидкой фазы (часто их называют первичными кристаллами), и эвтектики.
На рис. 17 представлена диаграмма с отсутствием растворимости ком понентов в твердом состоянии в структурном варианте (эвтектика обо значена как сумма составляющих ее фаз, заключенная в круглые скобки).
Рис. 17
Структурный состав сплавов, как и фазовый, можно рассчитывать при помощи правил отрезков. В этом случае конода должна опирать ся не на фазовые границы, а на границы, соответствующие чистым структурам.
Например, для расчета структурного состава сплавов, лежащих левее точки C, при температуре ниже эвтектической, коноду следует опереть одним концом на левую температурную ось (она отвечает компоненту A), другим концом — на линию CC (она соответствует чистой эвтектике).
Нажмите клавишу ПУСК.
Вопрос № 7
Сколько процентов эвтектики содержит сплав a–a (рис. 18) при комнатной температуре?
ОБУЧАЮЩАЯ ПРОГРАММА «ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ» 257
Введите число
? 25 Правильно. Продолжайте изучение типовых диаграмм состояния.
Нажмите клавишу ПУСК.
Большинство веществ образуют сплавы, в которых растворимость компонентов друг в друге в твердом состоянии зависит от концентра ции компонентов, а также от температуры. Диаграммы состояния систем подобных сплавов носят название ДИАГРАММЫ С ОГРА НИЧЕННОЙ РАСТВОРИМОСТЬЮ КОМПОНЕНТОВ В ТВЕР ДОМ СОСТОЯНИИ.
Существует два типа таких диаграмм: с эвтектикой и с перитектикой. Общий вид диаграммы с эвтектикой представлен на рис. 19.
На этой диаграмме линия ADB — линия ликвидус, ACDEB — солидус. Компоненты A и B образуют два ограниченных твердых раствора:
раствор B в A (твердый раствор альфа) и раствор A в B (твердый рас твор бета).
Максимально возможная растворимость компонента B в компоненте A зависит от температуры и определяется положением линии предельной растворимости ACF. Наибольшая концентрация компонента B в твердом растворе альфа достигается при температуре эвтектического превращения и определяется концентрацией компонентов в точке C. При снижении (а также при повышении) температуры растворимость B уменьшается. При температуре 20 °С она определяется концентрацией в точке F.
Максимально возможная растворимость компонента А в компонен те B определяется положением линии предельной растворимости BEG.
Температурная зависимость растворимости компонента A в твер дом растворе наблюдается лишь при температурах выше эвтектиче ской. Ниже этой температуры такой зависимости нет (линия EG — вер тикальна).
Рис. 18 |
Рис. 19 |
258 КУРС МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ
Сплавы, лежащие на оси концентраций между проекциями точек C и E, кристаллизуются с образованием эвтектики из твердых растворов альфа и бета. Причем сплавы, находящиеся левее проекции точки D, кристаллизуются с предварительным выделением из жидкости кристал лов фазы, правее — кристаллов фазы.
Обратите внимание!
В двухфазных областях диаграммы присутствуют те же фазы, что в соседствующих слева и справа однофазных областях. Эта закономер ность сохраняется для диаграмм всех типов (сравните с уже рассмот ренными диаграммами).
Нажмите клавишу ПУСК.
Вопрос № 8
Каков фазовый состав сплавов ниже линии CDE диаграммы со стояния (рис. 20)?
Ответы: A
B
? 23 Правильно. Продолжайте изучение диаграммы состояния.
Нажмите клавишу ПУСК.
На рис. 21 на диаграмму состояния наложены фигуративные линии трех сплавов: a–a, b–b и c–c. На следующем рисунке (рис. 22) пред ставлены кривые охлаждения этих сплавов.
Нажмите клавишу ПУСК.
При охлаждении сплава a–a в интервале между точками 1 и 2 из жидкости выделяются кристаллы твердого раствора (L ). Ниже
Рис. 20 |
Рис. 21 |
ОБУЧАЮЩАЯ ПРОГРАММА «ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ» 259
Рис. 22
температуры солидус, в интервале 2–3, сплав представлен растворомфазы. При температуре точки 3 раствор фазы предельно насы щен компонентом B и при дальнейшем охлаждении B выделяется из фазы в виде богатого этим компонентом твердого раствора ( ). Кристаллы, выделяющиеся из твердых растворов, образуют структурные составляющие, называемые вторичными кристаллами (в отличие от первичных, выделяющихся из жидкости).
При кристаллизации сплава b–b в интервале между точками лик видус и солидус, как и в сплаве a–a, из жидкости выделяются кри сталлы фазы (L ). При температуре эвтектики (участок 2–2 кривой охлаждения) из жидкости одновременно выделяются кристал лы обоих твердых растворов (L ). Поскольку предельная рас творимость компонента B в растворе фазы достигается уже при эв тектической температуре, то по завершении эвтектической реакции и снижении температуры ниже точки 2, из структурно свободных кри сталлов фазы, выделившихся из жидкости в интервале 1–2, тут же начинают возникать вторичные кристаллы ( ).
Конечно, кристаллы фазы выделяются и из фазы, входящей в состав эвтектики, однако здесь они не образуют самостоятельной структурной составляющей, оставаясь внутри эвтектической струк туры.
Отличие в охлаждении сплава c–c от b–b состоит в том, что в ин тервале 1–2 из жидкости выделяются кристаллы фазы (L ). По сле образования эвтектики (L ) дальнейшее охлаждение не приводит к структурным изменениям в сплаве, так как растворимость компонента A в растворе фазы остается неизменной (линия EG на диаграмме состояния вертикальна).
Нажмите клавишу ПУСК.
На рис. 23 представлена диаграмма состояния с ограниченной рас творимостью компонентов в твердом состоянии (диаграмма с эвтек тикой) в ее структурном варианте.
260 КУРС МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ
Рис. 23
На диаграмме первичные и вторичные кристаллы фазы несут соответствующие индексы. Кристаллы фазы, отсутствующие в виде вторичных образований, никаких дополнительных обозначений не имеют.
Нажмите клавишу ПУСК.
Вопрос № 9
В сплавах, лежащих на оси концентраций между проекцией точки D и точкой G, при охлаждении ниже температуры эвтектики структур ных изменений не происходит (см. рис. 22). А происходят ли фазовые изменения?
Ответы:
Нет. Фазовый состав сохраняется неизменным. Да. Меняется состав фазы.
Да. Меняется состав фазы.
Да. Меняются относительные количества и фаз. ? 24
Правильно. Продолжайте изучение диаграмм с ограниченной рас творимо стью компонентов в твердом состоянии.
Нажмите клавишу ПУСК.
Интересен расчет структурного состава, когда в сплаве присутст вуют три структурные составляющие (например, сплавы, лежащие между точками C и D, при температуре ниже эвтектической).
Решить задачу так, как мы делали это до сих пор, нельзя из за на личия третьей структурной составляющей.
Рассмотрим порядок расчета структурного состава на примере сплава a –a при температуре точки n (рис. 24).