bogodukhov_s_i_sinyukhin_a_v_kozik_e_s_kurs_materialovedeniy
.pdf
ОБУЧАЮЩАЯ ПРОГРАММА «ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ» 261
Рис. 24
Нажмите клавишу ПУСК
В таком случае, если существует температура, при которой в сплаве присутствует не более двух структурных составляющих, в том числе эвтектика, массу последней можно рассчитывать по правилу отрезков.
Для нашего сплава такой температурой является температура ли нии CDE. Здесь по завершении кристаллизации сплав состоит из двух структурных составляющих: кристаллов твердого раствора и эвтек тики.
Линию CD можно рассматривать как коноду, опирающуюся свои ми концами на структуру фазы (в точке C) и эвтектику (в точке D).
( ) (k C)/(D C)100, (D k)/(D C)100,
где ( ) — относительное количество эвтектики в сплаве, %;— относительное количество кристаллов твердого раствора
при эвтектической температуре, %;
k, C, D — концентрация компонента B в точках k, C, D соответст венно (разность концентраций дает длину участка коноды).
В численном выражении:
( ) (35 17)/(53 17)100 50 %,
? (53 35)/(53 17)100 50 %.
При охлаждении сплава от точки k до n вторичные кристаллыфазы выделяются только из структурно свободного твердого рас твора (в расчете обозначены как кристаллы ).
Для того чтобы определить, какое количество кристаллов фазы превратится к температуре точки n во вторичные кристаллы фазы,
262 КУРС МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ
найдем, сколько образуется таких кристаллов в сплаве, фигуративная линия которого проходит через точку C. Кристаллизация этого спла ва, как и сплава a–a, завершается при эвтектической температуре.
Однако в отличие от a–a, его структура при температуре эвтектики представлена только твердым раствором.
При температуре точки n сплав состоит из двух структурных со ставляющих: раствора фазы и вторичных кристаллов фазы. Оче видно, что, рассчитав, какая часть структуры сплава состоит из кри сталлов фазы, мы определим, какая доля раствора фазы превра щается при охлаждении сплава от температуры эвтектики до темпера туры точки n в кристаллы фазы. Ясно, что эта доля может быть рас пространена на структуру любого сплава, лежащего в трехструктур ной области диаграммы состояния.
По второму правилу отрезков:
(p r)/(т r)100,
где — количество вторичных кристаллов фазы, выделившихся из раствора фазы в сплаве b–b при охлаждении его от температуры эв тектики до температуры точки n;
p, r, т — концентрация компонента B в точках p, r и т соответ ственно.
Численно:
(17 12)/(84 12)100 6,9 %.
Мы установили, что в сплаве b–b, а следовательно, в любом дру гом сплаве, фигуративная линия которого лежит между точками C и D, 6,9 % структурно свободного раствора фазы превратится при ох лаждении до температуры точки n во вторичные кристаллы фазы.
В сплаве a–a количество вторичных кристаллов фазы:
II 6,9/100 3,4 %.
Количество раствора фазы, сохранившегося к температуре n без превращения, равно:
II.
Численно:
50 3,4 46,6 %.
Итак, сплав a–a при температуре точки n содержит: эвтектики ( ) — 50,0 %;
ОБУЧАЮЩАЯ ПРОГРАММА «ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ» 263
кристаллов фазы — 46,6 %; кристаллов фазы вторичных — 3,4 %.
Расчет структурного состава сплава a–a закончен.
Нажмите клавишу ПУСК.
Вопрос № 10
Какие структурные составляющие присутствуют в сплаве b–b при температуре точки т (рис. 25)?
Ответы:
1.Компонент А.
2.Компонент В.
3.Первичные кристаллы фазы.
4.Вторичные кристаллы фазы.
5.Первичные кристаллы фазы.
6.Вторичные кристаллы фазы.
7.Эвтектика ( ).
? 457 Правильно. Углубим поставленный вопрос. Попытайтесь решить
задачу количественно.
Нажмите клавишу ПУСК.
Вопрос № 11
Сколько процентов (с точностью до десятых долей процента) со держит сплав (рис. 25):
Эвтектики ? 40 Вторичных кристаллов фазы ? 4
Кристаллов раствора фазы ? 56 Правильно. Приступайте к изучению диаграммы состояния с пе
ритектикой.
Рис. 25
264 КУРС МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ
Рис. 26
Нажмите клавишу ПУСК.
Перейдем к рассмотрению диаграммы состояния с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (диаграмма с ПЕРИТЕКТИКОЙ). Общий вид ее представлен на рис. 26.
На диаграмме линия АСВ — линия ликвидус, ADEB — линия соли дус. В системе существуют два ограниченных твердых раствора: рас твор компонента В в А (раствор фазы) и компонента А в В (растворфазы). Сплавы, лежащие на оси концентраций левее проекции точ ки С, кристаллизуются с выделением из жидкости кристаллов фа зы; сплавы, лежащие правее проекции точки С, — кристаллов фазы.
Особенность кристаллизации сплавов этой системы, заключенных между проекциями точек С и Е, состоит в том, что при температуре линии СЕ кристаллы фазы, выделившиеся из жидкой фазы в интер вале между точками ликвидус и солидус, взаимодействуют с остатком жидкости и образуют новую фазу — твердый раствор. Подобный процесс носит название ПЕРИТЕКТИЧЕСКОЙ реакции, а линия CDE называется линией перитектики.
Перитектический процесс в сплавах, лежащих левее проекции точки D, протекает с дефицитом по фазе, жидкость же остается в избытке. Поэтому в этих сплавах кристаллизация продолжается и по сле завершения перитектической реакции. В сплавах, лежащих пра вее проекции точки D, перитектическая реакция идет с дефицитом по жидкости, отсюда участок DE линии перитектики является одновре менно и участком линии солидус.
Нажмите клавишу ПУСК.
Вопрос № 12
В результате перитектического процесса, протекающего при тем пературе линии CDE (рис. 27)1, исходные продукты (жидкость и
1 Рис. 28, 29 в эхо распечатке отсутствуют.
ОБУЧАЮЩАЯ ПРОГРАММА «ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ» 265
Рис. 27
твердый раствор) полностью исчезли. При каком соотношении реа гентов это возможно? Сколько процентов (с точностью до десятых долей процента) должно быть в реагирующей смеси:
жидкости ? 44,4; кристаллов фазы ? 55,6.
Правильно. Перейдите к изучению диаграмм с химическими соеди нениями.
Нажмите клавишу ПУСК.
На рис. 30 представлен один из возможных вариантов диаграммы, называемый ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ С УСТОЙЧИВЫМ ХИМИ ЧЕСКИМ СОЕДИНЕНИЕМ. На диаграмме показан фазовый состав сплавов.
Рис. 30
266 КУРС МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ
При некотором соотношении компонентов А и В в системе образу ется химическое соединение АmВn (на диаграмме ему соответствует вертикальная линия AmВn N). Такое соединение называют устойчи вым, поскольку оно плавится нацело в отличие от неустойчивого со единения, которое предварительно распадается на твердую и жидкую фазы.
Нажмите клавишу ПУСК.
Специфическим свойством диаграмм с устойчивыми химиче скими соединениями является то, что они как бы сложены из двух (или нескольких, в зависимости от количества соединений) диа грамм, приложенных друг к другу по линии химического соедине ния.
Общий вид диаграммы зависит от характера взаимодействия каж дого из компонентов с химическими соединениями и соединений друг с другом. На рисунке видно, что компоненты А и В образуют с химическим соединением системы с ограниченной растворимостью компонентов в твердом с остоянии.
Нажмите клавишу ПУСК.
Компонент А образует систему с эвтектикой, а В — с перитектикой (сравните с диаграммами состояния на рис. 20 и 26).
Таким образом, диаграмму можно рассматривать как итог сложения диаграмм двух систем: системы A AmBn и системы AmBn В. Три ограниченных твердых раствора, существующих в системе А–В, следует интерпретировать как твердый раствор хи
Рис. 31
ОБУЧАЮЩАЯ ПРОГРАММА «ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ» 267
мического соединения в компоненте А ( фаза), раствор AmBn в компоненте В ( фаза) и раствор компонента В в химическом со единении ( фаза).
Нажмите клавишу ПУСК.
Фазовый и структурный составы диаграммы с устойчивым хими ческим соединением строятся исходя из тех же принципов, что и диа грамма, из которых она образована.
На рис. 31 представлена диаграмма состояния с устойчивым хими ческим соединением в структурном варианте.
Нажмите клавишу ПУСК.
Вопрос № 13
На рис. 32 представлена диаграмма состояния с двумя устойчивыми химическими соединениями. Какую систему образуют соединения друг с другом?
Ответы:
1.С неограниченной растворимостью компонентов в твердом со стоянии.
2.С ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоя нии с эвтектикой.
3.С ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоя нии с перитектикой.
4.С отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии. ? 4 Правильно. Приступайте к изучению диаграмм состояния с неус
тойчивым химическим соединением.
Нажмите клавишу ПУСК.
На рис. 33 представлена ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ С НЕУС ТОЙЧИВЫМ ХИМИЧЕСКИМ СОЕДИНЕНИЕМ. На диаграмме показан фазовый состав сплавов.
Рис. 32
268 КУРС МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ
Рис. 33
Химическое соединение AmBn (на диаграмме ему соответствует линия DK ) при нагреве, при достижении температуры линии CDE, распадается на две фазы: твердый раствор состава точки С и жид кость состава точки Е. При охлаждении сплавов, лежащих на оси концентраций между проекциями точек С и Е, наблюдается обрат ный процесс: кристаллы фазы, выделившиеся из жидкости в ин тервале между линиями АЕ и CDE, взаимодействуют с остатком жидкой фазы, в результате образуется химическое соедине ние AmBn.
Нажмите клавишу ПУСК.
При этом, в зависимости от положения сплава на линии CDE, один из реагентов (жидкость или кристаллы фазы) может оказаться в избытке. С подобным механизмом образования новой фазы мы уже знакомы — это перитектическая реакция, которую мы рассматривали при изучении диаграммы состояния с перитектикой (см. рис. 25). От личие перитектического процесса в диаграмме с неустойчивым хими ческим соединением от аналогичного процесса в диаграмме с пери тектикой состоит в том, что в первой диаграмме продуктом превра щения является химическое соединение, во второй же — твердый раствор.
Как и диаграммы с устойчивым химическим соединением, диа граммы с неустойчивым соединением можно рассматривать как комбинации простых диаграмм. Одной из них всегда является диа грамма с перитектикой. Вид второй определяется характером взаи модействия химического соединения со вторым компонентом. Так,
ОБУЧАЮЩАЯ ПРОГРАММА «ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ» 269
Рис. 34
например, в рассматриваемой диаграмме неустойчивое химическое соединение AmBn образует с компонентом В систему с ограничен ной растворимостью компонентов в твердом состоянии с эвтекти кой.
Нажмите клавишу ПУСК.
На рис. 34 диаграмма состояния с неустойчивым химическим со единением представлена в структурном варианте.
Нажмите клавишу ПУСК.
Перейдем к изучению диаграмм состояния с компонентами, ис пытывающими при нагреве или охлаждении полиморфные превра щения.
Нажмите клавишу ПУСК.
Системы сплавов, описываемые диаграммами состояния С ПО ЛИМОРФНЫМИ ПРЕВРАЩЕНИЯМИ, представляют большой практический интерес. В сплавах таких систем можно путем термиче ской обработки получать устойчивые структуры, обладающие свойст вами, значительно отличающимися от свойств, характерных для рав новесных состояний.
В системах, где хотя бы один из компонентов претерпевает алло тропные превращения, наблюдается вторичная кристаллизация. (С явлением вторичной кристаллизации мы встречались при изуче нии диаграмм с ограниченной растворимостью компонентов в твер дом состоянии.)
270 КУРС МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ
Рис. 35
На рис. 35–38 приведены типичные диаграммы состояния с поли морфными превращениями компонентов.
Нажмите клавишу ПУСК.
В диаграмме, приведенной на рис. 35, полиморфное превращение испытывает лишь один компонент А. Он существует в двух аллотропи ческих модификациях: низкотемпературной А альфа (при температуре ниже точки А ) и высокотемпературной А бета (между точками А и А ).
Низкотемпературная модификация образует с компонентом В систему неограниченных твердых растворов; иначе говоря, низкотем пературная модификация компонента А изоморфна компоненту В и образует с ним непрерывный ряд твердых растворов фазы.
Высокотемпературная модификация компонента А образует с компонентом В ограниченный твердый раствор фазы с областью существования между линиями АС, СА и А А. В области А CD сущест вуют оба твердых раствора: альфа и бета.
Нажмите клавишу ПУСК.
Вопрос № 14
Какой процесс протекает на линии CDE диаграммы (см. рис. 35)?
Ответы:
1.Эвтектическая кристаллизация.
2.Завершается процесс кристаллизации.
3.Перитектическая реакция.
? 3 Правильно. Продолжайте изучение диаграмм с полиморфными
превращениями компонентов.
Нажмите клавишу ПУСК.
На диаграмме, приведенной на рис. 36, как и в предыдущем слу чае, полиморфные превращения претерпевает лишь один компонент.